kognitivni radio -...
Post on 06-May-2018
223 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Kognitivni
radioEvolucija
radio sistema
2
Doc. dr Mirjana Simić
Visoki protok u Visoki protok u proprošširenom opseguirenom opsegu
Visoki protok u proširenom opsegu
•
Do sada smo videli da ako želimo efikasan prenos u ograničenom opsegu, brzina prenosa podataka ne bi trebala biti veća od dostupnog prenosnog opsega, tj. efikasnost opsega ηB < 1.
•
U suprotnom, imali
bi smo
jako
velike
zahteve po pitanju odnosa S/N odnosno snage signala na ulazu u prijemnik.
•
Ako bismo pokušali da visok protok obezbedimo primenom modulacija višeg reda, videli samo da je i to moguće ako imamo dobre uslove u kanalu odnosno dobar S/N.–
to bi npr. bio slučaj sa ćelijama malih dimenzija, slabim saobraćajem ili samo u zonama blizu baznih stanica.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅=
NSlogBC 12
Visoki protok u proširenom opsegu
Ulagati u B ili Ulagati u B ili S/N?S/N?
Shannon
kaže da je bolje investirati u opseg B nego u odnos S/N zato što kapacitet
sistema raste linearno sa B, a samo logaritamski sa S/N!
Visoki protok u proširenom opsegu
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅=
NSlogBC 12
Visoki protok u proširenom opsegu
•
Rezultat proizašao iz ovakvog načina razmišljanja doveo je do pojave sistema sa proširenim spektrom.
•
Kod ovih sistema, širina propusnog opsega sistema za prenos je znatno veća od minimalno potrebne.
•
Sa druge strane, primenom ove tehnologije vrednosti odnosa S/N na ulazu u prijemnik mogu da budu i manje od 1 (u zavisnosti od vrednosti procesnog pojačanja).
•
U takvim slučajevima, signal je praktično prekriven šumom, što znači da je u elektromagnetnom smislu realno nevidljiv (problem za spectrum sensing
u kognitivnom
radiju
(KR)!)
Visoki protok u proširenom opsegu
Visoki protok u proširenom opsegu
•
Dobre osobine sistema sa proširenim spektrom su:
–
otpornost na ometanje, odnosno potiskivanje interferencije–
kodni multipleks, CDMA
–
otpornost na višestruku propagaciju,–
mala verovatnoća presretanja,
–
lako je sakriti ovakav signal ali ga je teško detektovati...
Visoki protok u proširenom opsegu
•
Ipak, postoji nekoliko kritičnih zahteva kada je u pitanju prenos u širokom frekvencijskom opsegu:
1.
Spektar je skup i ograničen resurs i već
se, sa postojećim načinom dodele spektra, naziru problemi
alokacije frekvencijskog opsega dovoljne širine koji bi omogućio prenos u proširenom opsegu (KR argumenti!)!
Visoki protok u proširenom opsegu
2.
Prenos u širokom spektru ima veliki uticaj na kompleksnost predajnika i prijemnika (kompleksnost opreme i na strani baznih stanica i na strani mobilnih terminala):
–
Na primer, širok prenosni opseg ima direktan uticaj na učestanost odabiranja i na predajniku i na prijemniku, a time i na
složenost i potrošnju digitalno-analognih (D/A) i analogno-
digitalnih konvertora(A/D) kao i samu digitalnu obradu signala.
–
Takođe, radio komponente je generalno teže projektovati
a i mnogo su skuplje sa povećanjem radnog frekvencijskog opsega.
Visoki protok u proširenom opsegu3.
Ipak, jedan od ključnih tehničkih problema kada je u pitanju prenos u širokom opsegu je izobličenje signala usled vremenske disperzije radio kanala.
–
Vremenska disperzija: nastaje kao posledica višestruke propagacije, tj. činjenice da signali dolaze do prijemnika sa različitim kašnjenima u vremenu.
–
U frekvencijskom domenu, ova pojava odgovara tome da frekvencijski odziv kanala nije konstantan → kanal je frekvencijski selektivan: kanal ne utiče na isti način na sve frekvencijske komponente signala (izobličenje signala).
TX RX
A2x(t-t 2)
A1x(t-t 1)x(t)
r(t) = x(t) + A1x(t-t 1) + A2x(t-t 2) + ...
Visoki protok u proširenom opsegu
a)
višestruka propagacija, vremenski domen –
vremenska disperzijab)
višestruka propagacija, frekvencijski domen –
frekvencijska selektivnost radio kanala
Visoki protok u proširenom opsegu
• Frekvencijska selektivnost dovodi do izobličenja signala, odnosno, povećava verovatnoću greške za dati odnos S/N.
• Frekvencijska selektivnost, barem do neke mere, utiče na svaki radio kanal.
• Ipak, uticaj frekvencijske selektivnosti (vremenske disperzije)
zavisi
od:
1.
prenosnog opsega: veći opseg → veći i uticaj2.
okruženja:•
ćelije manjih dimenzija
(manja
vremenska
disperzija)
→ uticaj frekvencijske selektivnosti manji,
•
okruženja sa manjim brojem prepreka (ruralna okruženja) →
uticaj frekvencijske selektivnosti manji.
Visoki protok u proširenom opsegu•
Napomenimo i to da je na prikazanoj slici sa
slajda
broj
12 (slučaj b -
višestruka propagacija, frekvencijski domen) dat trenutni frekvencijski odziv kanala (tzv. “snapshot”).
•
Kako se predajnik/prijemnik kreće kroz okruženje, detaljna struktura višestruke propagacije pa tako i frekvencijskog odziva kanala varira u vremenu.
•
Ova pojava
se zove frekvencijska disperzija i nastaje kao posledica Doppler-ovog efekta. U vremenskom domenu ova pojava odgovara tome da je kanal
vremenski selektivan.
•
Brzina varijacije frekvencijskog odziva kanala odnosi se na Doppler-ovo širenje kanala (maksimalni Dopplerov pomeraj), fD
:
CD fcvf =v
–
brzina kretanja predajnika/prijemnikafC
– učestanost nosioca (npr. 2GHz kod UMTS)c
–
brzina svetlosti
Visoki protok u proširenom opsegu
•
Kao što smo rekli, frekvencijska selektivnost dovodi do izobličenja signala, i što je prenosni opseg veći, izobličenja signala usled frekvencijske selektivnosti su veća.
•
Istorijski posmatrano, jedan od najpoznatijih načina da se reši problem izobličenja signala usled frekvencijske selektivnosti radio kanala je ekvalizacija na strani prijemnika.
•
Cilj evalizacije je da kompenzuje frekvencijsku selektivnost kanala i, bar do neke mere, rekonstruiše originalni signal.
Visoki protok u proširenom opsegu
•
Ekvalizacija je i omogućila da se obezbede zadovoljavajuće performanse uz prihvatljivu kompleksnost u nekim poznatim sistemima, kakav je i UMTS (dakle, u opsegu širine od oko 5MHz).
•
Ipak, ako bismo i dalje povećavali prenosni opseg (npr. 20MHz u slučaju LTE –
Long Term Evolution), kompleksnost
ovakvih ekvalizatora bi postala vrlo veliki problem.
•
Jedan od načina je da se primeni nepotpuna (tj. neoptimalna) ekvalizacija, gde bismo (do neke mere) računali na izobličenje signala usled frekvencijske selektivnosti koja bi se desila u tom
slučaju.
Visoki protok u proširenom opsegu
• Alternativni način je da se razmotre novi načini prenosa signala koji bi omogućili da dobre performanse i u slučaju znatne frekvencijske selektivnosti, a bez zahteva za preterano kompleksnim prijemnikom:
1.
Multi-carrier transmission, odnosno, prenos u širokom opsegu primenom većeg broja uskopojasnih nosilaca. Najpozantiji predstavnik ovakvog pristupa je OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex).
2.
Drugi način je primena specifične single-carrier
transmisije, posebno namenjene da obezbedi efikasnu, ali i prihvatljivo složenu ekvalizaciju.
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission
-
•
Dakle, kao što je rečeno, jedan od načina da se poveća prenosni opseg a da se smanje izobličenja signala usled frekvencijske selektivnosti kanala jeste primena multi-carrier transmission
tehnike (MC).
•
Ovo je vrsta prenosa u kojoj se, umesto prenosa jednog signala širokog opsega, vrši prenos više uskopojasnih signala (subcarriers
-
podnosioci).
•
Ovi signali se frekvencijski multipleksiraju i zajedno prenose preko istog radio linka do istog prijemnika.
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission
-
•Multicarrier
transmisija
–
ideja: širokopojasni kanal širine B → N uskopojasnih kanala (podkanala, podnosilaca) širine Δf=B/N
u opsegu podnosioca
Δf
frekvencijski neselektivan(ravan)
kanal
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission
-
•
Paralelnim prenosom M signala preko istog radio linka, ukupni protok se može povećati do M puta.
•
Istovremeno, uticaj frekvencijske selektivnosti kanala zavisi od opsega podnosioca.
•
Dakle, uticaj frekvencijske selektivnosti kanala je ista kao u slučaju da prenosimo uskopojasni signal čija je širina opsega jednaka opsegu podnosioca –
ostvarili široki opseg a
značajno smanjili izobličenja koja nastaju usled frekvencijske selektivnosti
(koja je, kao što znamo, veća što je opseg veći).
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)
-
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)
-
•
Nedostatak multi-carrier transmisije u postojećim tehnologijama kakva je UMTS (WCDMA)
jeste da spektar svakog podnosioca
takav da ne omogućava “gusto pakovanje”
podnosilaca.
•
U primeru sa slike, to je prikazano “udubljenjima”
u ukupnom multi- carrier
spektru, što loše utiče na ukupnu efikasnost opsega
ovakvog tipa multi-carrier transmisije.
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)
-
•
Primer: WCDMA (UMTS) multi-carrier evolucija: Brzina generisanja čipova, chip-rate: fCR
=3.84Mchips/s
Ipak, zbog oblikovanja spektra, čak i teorijski WCDMA spektar značajno nadmašuje 3.84MHz. Preciznije, teorijski WCDMA spektar ima oblik podignutog kosinusa (raised-
cosine), roll-off
faktorom od α=0.22. Kao posledica toga, WCDMA spektar ima širinu od oko 4.7MHz (kao što znamo, obično se uzima 5MHz).
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)
-
•
Dakle, podnosioci u slučaju multi-carrier WCDMA moraju biti međusobno razmaknuti oko 4.7MHz, kako bi se izbegla interferencija između podnosilaca.
•
Osim nemogućnosti “gustog pakovanja”, drugi nedostatak multi- carrier
transmisije jesu velike varijacije trenutne snage predajnika,
isto kao i u slučaju modulacija višeg reda.
•
Dakle, multi-carrier
transmisija ima negativan uticaj na efikasnost pojačavača snage u izlaznom stepenu predajnika, što povećava potrošnju i cenu pojačavača snage.
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)
-
•
Kao i u slučaju modulacija višeg reda, za
smanjenje problema
usled
varijacija
izlaznog
signala
može se ići na
smanjivanje srednje snage predajnika, čime svesno smanjujemo domet za dati protok (smanjen domet nekog servisa).
•
Iz tog razloga, slično kao i kod modulacija višeg reda, multi- carrier
transmisija je mnogo pogodnija za primenu na
downlinku
(na strani transmisije baznih stanica) nego na uplinku, zbog znatno strožijeg zahteva za efikasnost pojačavača snage na strani mobilnih terminala (mala potrošnja i niska cena).
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)
-
•
Osnovna prednost pomenutog multi-carrier
pristupa je da on predstavlja postepenu evoluciju (i u pogledu radio opreme i u pogledu spektra) postojećih tehnologija pristupnih radio mreža ka korišćenju širih opsega a u skladu sa tim i većih protoka, posebno na downlinku.
•
U suštini, ovaj tip multi-carrier
transmisije može se realizovati tako da za terminale koji nemaju mogućnost multi-carrier
prijema svaki
downlink podnosilac predstavlja zapravo originalni nosilac (opsega širine podnosioca, npr. 5MHz u slučaju WCDMA), dok za terminale koji imaju mogućnost multi-carrier
prijema tzv. multi-carrier-capable
terminale, mreža može iskoristiti čitav multi-cerrier
opseg (opseg širine svih podnosilaca, npr. 20MHz) u cilju većeg protoka.
Visoki protok u proširenom opsegu -
Multi-carrier transmission OFDM
-
• OFDM je poseban tip
multi-carrier
transmisije
koja
se primenjuje
kod
sistema
kao
što su LTE, WiMAX, DVB.
• U odnosu na prethodno opisani multi-carrier pristup, OFDM se razlikuje
u sledećem:
1.
OFDM koristi znatno veći broj podnosilaca
u odnosu na prethodno opisan pristup koji se sastoji od svega nekoliko podnosilaca relativno širokog opsega. Npr. WCDMA multi-carrier
proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega 4 podnosioca, svaki širine od po 5MHz. Za razliku od ovoga, OFDM može imati i do nekoliko stotina podnosilaca.
2.
Podnosioci su uobličeni pravougaonim impulsom
(odgovarajuća predstava u spektralnom domenu je oblika kvadratne sinc
funkcije).
3.
Razmak između podnosilaca
u frekvencijskom domenu iznosi Δf=1/TU
, gde je TU
trajanje pravougaonog impulsa.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
razmak podnosilaca u OFDM
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Ilustrativni primer OFDM modulatora:–
Sastoji
se od banke
od
ukupno
Nc
modulatora
pri
čemu
svaki
odgovara
jednom
OFDM podnosiocu.
OFDM signal
•
OFDM signal x(t) u toku
vremenskog
intervala
može
biti
predstavljen
na
sledeći način:
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
ftkjNc
k
mk
Nc
kk eatxtx Δ
−
=
−
=∑∑ == π2
1
0
)(1
0)()(
uu TmtmT )1( +<≤
•
gde
je xk
(t)
k-ti
podnosilac
frekvencije
fK
=kΔf
i •
modulacioni
simbol
primenjen
na
k-ti
podnosilac
za
vreme
intervala
m-tog OFDM simbola, tj. u intervalu
)(mka
uu T)m(tmT 1+<≤
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Naglasimo
da
termin
Orthogonal
Frequency Division Multiplex
potiče od toga što su modulisani OFDM podnosioci međusobno ortogonalni u toku vremenskog intervala
uu TmtmT )1( +<≤
•
U tom smislu
na
OFDM prenos
se može
gledati
kao
na
modulaciju
skupa
ortogonalnih
funkcija φk
(t), pri
čemu
je
⎩⎨⎧ <≤
=Δ
ostalo,Tt,e
)t( uftkj
k 002π
ϕ
•
Podsećanje: dve funkcije f(x) i g(x) su ortogonalne na intervalu [a, b], ako
je:
( ) ( ) 0=∫b
a
dxxgxf
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
OFDM –
vremensko-frekvencijska predstava:–
svaka
,,kolona”
odgovara
jednom
(m-tom) OFDM simbolu,
a svaki
,,red”
jednom
(k-tom) OFDM podnosiocu.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Ovim
je takođe
ukazano
na
to da
je OFDM prenos
u osnovi
blokovski jer
se za
vreme
svakog
od
pomenutih
OFDM intervala,
Nc
modulacionih
simbola
paralelno
prenose.
•
Ovde
je naročito
potrebno
skrenuti
pažnju
na
mogućnost
nezavisne
primene
modulacionog
postupka
(tipično
QPSK, 16QAM ili
64QAM) za
svaki
podnosilac.
•
Broj
podnosioca
se kreće
u rasponu
od
manje
od
stotinu
do nekoliko
hiljada, pri
čemu
je mogući razmak između
njih tipično
od
nekoliko
stotina
kHz do svega
nekoliko
kHz.
•
Podsetimo
se, recimo, da
je u okviru
3GPP LTE sistema
predviđeni
razmak
između
nosilaca
15 kHz što
aproksimativno
podrazumeva
oko 600 nosilaca
u frekvencijskom
opsegu
od
10 MHz.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
Šema OFDM predajnika sa modulatorima
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Prikazana blok
šema
OFDM predajnika
predstavlja više ilustrativni primer principa rada OFDM predajnika koji nije pogodan za praktičnu implementaciju.
•
Problem sa
navedenim
pristupkom
je to što
je potreban
veliki
broj međusobno
zavisnih
lokalnih
oscilatora.
•
Naime, neophodno
je obezbediti, sa
visokim
stepenom
tačnosti, da frekvencija
svakog
od
njih
bude
odgovarajući
celobrojni
umnožak
inverzne
vrednosti
trajanja
,,pulse shape”
simbola, TU
.
•
Ovakvo
rešenje
je dosta
kompleksno
i veoma
skupo, a takođe ukazuje
i na
veliku
osetljivost
OFDM sistema
na
frekvencijsku
sinhronizaciju
kao
ozbiljan
nedostatak.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Umesto
toga, predloženo
je da
se za
modulisanje
podnosilaca
na predaji, a u cilju
generisanja
ortogonalnih
signala, koristi
inverzna
DFT (IDFT), dok
se na
prijemnoj
strani
koristi
DFT.
•
Tačnije, koriste
se algoritmi
za
brzo
računanje
istog
poznati
kao brza
Furijeova
transformacija
(FFT) na
strani
prijemnika, odnosno
IFFT na
strani
predajnika.
•
Upotrebom
ovih
algoritama
omogućena
je realizacija
OFDM sistema
sa
velikim
brojem
podnosilaca, a opet
sa
malom
kompleksnošću
sistema.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
U tom cilju, posmatrajmo
jedan
vremenski
diskretizovan
OFDM signal (npr. generisan
predajnikom
–
slajd
28).
•
Pri
tome pretpostavimo
da
je odabiranje
izvršeno
učestanošću
fs
koja
je jednaka
celobrojnom
umnošku
rastojanja
između
susednih
podnosilaca, Δf, tj.
fNT
fs
s Δ⋅==1
•
Pri
ovome
treba
voditi
računa
o odabiru
parametra
N
kako
bi bila
zadovoljena
teorema
o odabiranju.
•
Ako
sa
Nc
označimo
raspoloživi
broj
podnosilaca
jasno
je da
je
nominalni
opseg
OFDM signala
Nc
Δf, kao i da je N>Nc
.
( ) ( ) ns xnTxtx =→
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Ovako
odabran
OFDM signal može
biti
predstavljen
na
sledeći način*:
NknjN
kk
NknjNc
kk
fnTkjNc
kksn eaeaeanTxx s /2
1
0
'/21
0
21
0
)( πππ ∑∑∑−
=
−
=
Δ−
=
====
gde
je
⎩⎨⎧
<≤<≤
=NkN,Nk,a
ac
ck'k 0
0
* oznaka m-tog OFDM simbola je izostavljena ali se podrazumeva
NN--size IDFTsize IDFT
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Dakle, sekvenca
xn
, tj.
odabrani
OFDM signal je inverzna
diskretna Furijeova
transformacija
(IDFT) dužine
N, niza
modulacionih
simbola
produženog
nultim
elementima
do dužine N.
1210 ,...,,, −Ncaaaa
•
Znači, OFDM modulator
se može implementirati kao IDFT procesiranje i digitalno-analogna konverzija.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
Šema OFDM predajnika gore: sa modulatorima
dole: praktična realizacija
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
Specijalno, birajući
dužinu
IDFT transformacije, N,
tako
da bude
jednaka
stepenu
broja
dva
omogućeno
je
implementiranje
OFDM modulacije
kroz
još
efikasniji algoritam, IFFT, koji
znatno
redukuje
broj
potrebnih
operacija
prilikom
izračunavanja.
•
Napomenimo da izbor implementacije OFDM modulatora (kao IDFT rešenje ili kao rešenje u vidu paralelnih modulatora) nije predmet tehničkih specifikacija već
jednostavno pitanje izbora implementcije predajnika.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
•
OFDM demodulator
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
OFDM komunikacioni sistem
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
-
fc
Δf fc
fcΔf
WIDEBAND SINGLE-CARRIER
WIDEBAND MULTI-CARRIER
WIDEBAND MULTI-CARRIEROFDM
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
U dizajnu OFDM (odabiru bitnih parametara), bitno je razmotriti dva efekta u radio kanalu:
1.
višestruka (multipath) propagacija2.
mobilnost.
ViViššestruka propagacijaestruka propagacija
•
Glavni efekti višestruke propagacije su frekvencijska selektivnost (f-domen) i ISI (Inter Symbol Interference) (t-domen).
•
Kao što smo rekli, frekvencijska selektivnost (frequency selective fading) se manifestuje tako da kanal ne tretira isto sve frekvencijske komponente signala pa kao posledicu imamo izobličenja signala. • ISI se manifestuje kao interferencija između uzastopnih OFDM simbola (usled propagacije po više putanja, na prijemu se pojavljuje više kopija istog signala sa različitim kašnjenjem, pa deo energije jednog simbola “curi”
u naredni simbol).
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
Što se tiče frekvencijske selektivnosti, rekli smo da:–
se manifestuje tako što kanal ne tretira isto sve komponente signala (frekvencijski je selektivan)
–
i da je njen uticaj veći što je opseg veći.
•
Kao što je poznato, u vezi sa tim definiše se tzv. opseg koherencije (coherence bandwidth), Bcoh
, kao opseg u okviru kojeg možemo smatrati da je kanal frekvencijski neselektivan (frekvencijski ravan).
•
Ako kod OFDM izaberemo dovoljan broj podnosilaca, možemo podesiti da je širina svakog od njih manja od opsega koherencije kanala, Bcohčime rešavamo problem frekvencijske selektivnosti kod OFDM.
•
Podsetimo se da je ovo i bila inicijalna kapisla za nastanak OFDM čime smo obezbedili veliki opseg, rešili problem frekvencijske neselektivnosti i izbegli primenu kompleksnih ekvalizatora.
cohBf <Δ
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
single-carrier OFDM
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
Što se tiče drugog efekta višestruke propagacije, ISI, rekli smo da se manifestuje kao interferencija između uzastopnih OFDM simbola (usled propagacije po više putanja, na prijemu se pojavljuje više kopija istog signala sa različitim kašnjenjem).
•
Ipak, kao
posledica
vremenski
disperzivnog
kanala
ne javlja
se samo
intersimbolska
interferencija
ISI
u okviru
svakog
podnosioca
ponaosob
već
i interferencija
između
samih
podnosilaca
(Inter Carrier Interference, ICI) u smislu
narušavanja
njihove
međusobne
ortogonalnosti.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
Podsetimo se da se princip
ortogonalnosti
zasniva
na
pravilno odabranom
rastojanju
između
spektara
podnosilaca, kao i na
specifičnom
obliku
spektralne
predstave
svakog
podnosioca (oblikovanje spektra, mi smo pominjali samo pravougaoni impuls).
•
Prema
tome, iako
je kanal
frekvencijski
neselektivan
(ravan)
u opsegu
koji
odgovara
glavnom
lobu
jednog
OFDM podnosioca,
njegova
selektivnost
van tog opsega
(bočni lobovi)
mogu izazvati ICI što za posledicu ima narušavanje ortogonalnosti između podnosilaca.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
Na slici
je
prikazana
sekvenca
simbola
koji
se prenose
preko
istog
podnosioca
(k-tog), a koja
stiže
do prijemnika
različitim
putanjama.
•
Interval integracije
prilikom
demodulacije
u prijemniku
je trajanja
TU
tj. inverzna
vrednost
razmaka
susednih
podnosilaca, Δf.
•
Kao što
vidimo
u okviru
intervala
integracije
TU
za
jednu
putanju
ne ulaze
simboli
primljeni
drugom
putanjom
celim
svojim
trajanjem
jer
sekvence
nisu
vremenski
poravnate, što
uzrokuje ICI i ISI.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
Rešenje ovih problema moglo bi biti povećanje trajanja simbola, tačnije, ubacivanje zaštitnog intervala koji bi obezbedio da za vreme trajanja tekućeg simbola nestanu sve replike prethodnog simbola (pre početka prijema informativnog dela tekućeg simbola).
•
Naime, ako bi se odredilo kašnjenje između prve i poslednje pristigle komponente višestruke propagacije, (multipath spread of the channel), onda bi trajanje simbola trebalo produžiti bar za tu vrendost kako bi se izbegli pomenuti problemi.
•
Taj zaštitni vremenski interval zove se ciklični prefiks (cyclic prefix), CP.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
Unošenje
cikličnog
prefiksa
podrazumeva
da
se zadnji deo OFDM simbola kopira i ubacuje na početak istog.
•
Na taj
način
se produžava
trajanje
simbola
sa
TU
na
TU
+TCP
, gde
je TCP
trajanje
cikličnog
prefiksa, ali
se povećava
otpornost
na
višestruku
propagaciju
i stvaraju
bolji
uslovi
za
sinhronizaciju.
•
Na prijemu će se sada za isti interval integracije
prilikom
demodulacije
TU
ortogonalnost
biti
očuvana
i u slučaju
kanala
sa
vremenskom
disperzijom
sve
dok
je kašnjenje
uneto
njim
kraće
u odnosu
na
trajanje
cikličnog
prefiksa.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
U praktičnoj realizaciji OFDM modulatora, unošenje
CP-a se sprovodi
nakon
(IDFT) IFFT modulacije.
•
U tom slučaju
se govori
o cikličnom
prefiksu
kao
nizu
od
NCP
odbiraka.
•
To je poslednjih
NCP
odbiraka
od
ukupno
N sa
izlaza
IFFT bloka
unetih
neposredno
pre tih
istih
N.
•
Na prijemnoj
strani
ti
odbirci
se odbacuju
pre sprovođenja
postupka
OFDM demodulacije
kroz
DFT/FFT procesiranje.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
OFDM komunikacioni sistem sa cikličnim prefiksom
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
•
Ubacivanje cikličnog prefiksa,čini OFDM signal otporan na vremensku disperziju, tj. višestruku propagaciju (naravno, kada je izabrano tako da je veće maksimalnog kašnjenja višestruke propagacije -
multipath spread of the channel).
•
Međutim
CP ne nosi
informaciju, tj. smanjuje
se efektivna
simbolska
brzina
i javljaju
se gubici
u emitovanoj
snazi.
•
Naime, samo deo snage na prijemu:
• Stoga
je sa
stanovišta
protoka
i snage poželjno
da
CP bude
što
kraći.
•
Znači
smanjujemo
prisutnu
interferenciju
na
račun
smanjenja
efikasnosti
emitovanja
–
komprimis!
se koristi za demodulaciju, a ostatak se gubi. ( )CPU
U
TTT+
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
i efekti u kanalu -
MobilnostMobilnost•
Drugi efekat u kanalu koji treba razmotriti pri dizajnu OFDM je mobilnost.
•
Bilo da se kreće predajnik/prijemnik ili oba, posledica je da kanal varira u vremenu –
vremenska selektivnost kanala (posledica je brzi (fast) feding na prijemu).
•
Sličnim razmišljanjem kao kod frekvencijske selektivnosti, ako za slučaj vremenske selektivnosti definišemo vreme koherencije, tcoh
(kanal se ne menja u toku tog vremena)
i biramo da OFDM simbol traje kraće od ovog vremena tcoh
, izbeći ćemo efekte brzog fedinga.
•
U frekvencijskom domenu, mobilnost rezultuje u frekvencijskom širenju signala koje zavisi od radne učestanosti i relativne brzine između predajnika i prijemnika (Doppler-ovo širenje).
•
Doppler-ovo širenje ima za posledicu Inter-Carrier Interference (ICI), koja se može izbeći povećanjem razmaka između podnosilaca (Δf).
cohu TT <
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
↓⇒↑ gubiciTU ↓⇒↓ fadingfastTU
↓↑⇒Δ ICIf ↓↓⇒Δ stselektivnoskafrekvencijf
ali
ali
kompromis!
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
• U dizajnu OFDM, bitan je izbor sledećih parametara:
1.
razmak između nosilaca, Δf
2.
broj podnosilaca, NC
(zajedno sa razmakom između ponosilaca, ovim se definiše ukupni prenosni opseg OFDM)
3.
dužina cikličnog prefiksa, TCP
(zajedno sa razmakom između nosilaca, Δf=1/TU
, ovim se definiše ukupna dužina trajanja OFDM simbola T=TU
+TCP
, odnosno, brzina simbola).
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
Razmak između nosilacaRazmak između nosilaca, , ΔΔff•
mali razmak između nosilaca, ΔΔf (f (ΔΔf=1/Tf=1/TUU
):):––
dobar zbog frekvencijske selektivnosti kanala (ravan feding) dobar zbog frekvencijske selektivnosti kanala (ravan feding) ––
manja manja izobliizobliččenjaenja
––
dobar zbog manjih gubitaka pri demodulacijidobar zbog manjih gubitaka pri demodulaciji
( )CPU
U
TTT+ TU
veće, odnos ≈
1, manji gubici!
•
veliki razmak između nosilaca, ΔΔf (f (ΔΔf=1/Tf=1/TUU
):):––
dobar zbog vremenske selektivnosti kanala (brzi feding) (dobar zbog vremenske selektivnosti kanala (brzi feding) (ΔΔff--vevećće, Te, TUU
--
manje) manje)
––
dobar zbog otpornosti na Dopplerdobar zbog otpornosti na Doppler--ovo ovo šširenje, tj. ICI irenje, tj. ICI ččime je oime je oččuvana uvana ortogonalnost podnosilacaortogonalnost podnosilaca
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
Interferencija podnosilaca u funkciji normalizovanog Dopplerov-og širenja(slika se odnosi samo na interferenciju između dva susedna podnosioca)
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
•
U praksi, prihvatljivi nivo interferencije podnosilaca, ICI, dosta zavisi od konkretnog servisa, kao i toga koliko je signal već
izložen uticaju šuma u kanalu.
•
Npr. na ivici velikih ćelija, odnos S/(N+I) će ionako biti relativno loš, pa se samim tim tu ni ne mogu očekivati veliki protoci. U tom slučaju dodatna interferencija usled Doppler-ovog širenja je manje-više zanemarljiva.
•
Sa druge strane, u scenaiju kada imamo veliki odnos S/(N+I) (npr. male ćelije ili zone bliske baznim stanicama) kada se mogu obezbediti i veliki protoci, uticaj ICI usled Doppler-ovog širenja ima ogroman negativan uticaj.
•
Imajući u vidu sve što smo rekli, izbor Δf je stvar kompromisa.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
Broj podnosilaca, Broj podnosilaca, NNCC•
Jednom
kada
je procenjen
razmak
između
podnosilaca
Δf zavisno
od
okruženja
sistema, očekivanog
Doplerovog
širenja
i vremenske
disperzije
njihov
broj
se određuje
na
osnovu
širine
raspoloživog
opsega
za
prenos
i prihvatljivog nivoa tzv. “out-of-band”
emisije
(oblika spektra podnosioca).
•
Ukupan
zauzeti
opseg
pri
prenosu
OFDM signala
je jednak
proizvodu
broja
podnosilaca
NC
i njihovog
spektralnog
razmaka, Δf.
•
Ipak, spektar
OFDM signala
opada
veoma
sporo
izvan
osnovnog
OFDM opsega
što
je označeno
kao
“out-of-band” emisija.
•
Ovo
naročito
dolazi
do izražaja
ako
se uporedi
sa
WCDMA prenosom
za
isti
zauzeti
ospeg.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
Poređenje
5MHz spektara
OFDM i WCDMA signala
out-of-bandout-of-band
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
•
Razlog
za
veliku “out-of-band”
emisiju je to je što
se pri
formiranju
osnovnog
OFDM signala
koristi
uobličavanje
pravougaonim
impulsom
(slajd
27), što
vodi
ka tome da
nivoi
bočnih
lobova
u spektrima
podnosilaca
opadaju
relativno
sporo
(slika na sledećem slajdu).
•
Zbog
ovoga
se u praksi
koriste
razni
filtri
za
oblikovanje
kao
što
je podignuti
kosinus
(engl. ,,raised cosine”) sa
odgovarajućim
roll-off
faktorom. Ipak
treba
biti
obazriv
jer
ovakvo
uobličavanje
može
smanjiti protok
(širenje signala u vremenu u cilju očuvanja ortogonalnosti).
•
Tipično
se uzima
da
je zaštitni
opseg
10% od
celokupnog
koji
zauzima
spektar
OFDM signala
tako
da
se za
alocirani
spektar
od
5 MHz bazični
OFDM opseg
zauzima
4.5 MHz.
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDM
izbor parametara -
Trajanje cikliTrajanje cikliččnog prefiksa, nog prefiksa, TTCPCP•
Trajanje cikličnog prefiksa smo već
komentarisali i zaključak je sa:
–
Duži ciklični prefiks je dobar jer čini OFDM signal otporan na vremensku disperziju, tj. višestruku propagaciju.
–
Sa druge strane, duži ciklični prefiks je loš
zbog većih gubitaka snage prilikom demodulacije i neefikasnijeg korišćenja spektra (CP ne nosi nikakvu informaciju).
•
Radi optimizovanja performansi sistema za različita okruženja, rešenje je da se ide na promenljivu dužinu cikličnog prefiksa:–
kraći CP u okruženjima sa manjom vremenskom disperzijom –
slučaj manjih ćelija
–
duži CP u okruženjima velikih ćelija gde je i vremenska disperzija veća.
Visoki protok u proširenom opsegu -
primena
OFDM
u LTE (downlink) -
Struktura LTE frejma
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDMA
-
•
Dosadašnja diskusija na temu OFDM je podrazumevala scenario u kojem se svi OFDM podnosioci prenose sa istog predajnika do određenog prijemnika, tj:–
downlink: svi OFDM podnosioci ka jednom mobilnom terminalu–
uplink: svi OFDM podnosioci sa jednog mobilnog terminala.
•
Ipak, OFDM se takođe može koristiti i kao šema višestrukog pristupa, što znači da se različiti podnosioci istovremeno mogu koristiti za prenos od više mobilnih terminala kao i ka više mobilnih terminala. –
downlink: različiti skupovi OFDM podnosilaca ka različitim mobilnom terminalim
–
uplink: različiti skupovi OFDM ponosilaca sa različitih mobilnih terminala.
•
Ovaj drugi slučaj je poznat kao OFDMA (Orthogonal Frequency Division MultipleAccess).
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDMA
-
uplinkdownlink
a) Lokalizovana OFDMA
b) Distribuirana OFDMA (prenos u širem opsegu)
uplinkdownlink
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDMA, sinhronizacija
-
•
Naglasimo i to da kada je u pitanju uplink
OFDMA višestruki pristup (OFDM podnosioci sa različitih mobilnih terminala), vrlo je bitno da signali sa različitih mobilnih terminala stižu vremenski “poravnjani”
do prijemnika (tj. baznih stanica).
•
Zbog različitih rastojanja od bazne stanice, odnosno, različitih vremena propagacije, neophodna je vremenska kontrola uplink
transmisije.
•
Njen zadatak je da obezbedi da u takvim uslovima, uključujući i mobilnost terminala, signali sa različitih mobilnih terminala stignu usklađeni do bazne stanice (slično kao TA u GSM!).
Visoki protok u proširenom opsegu -
OFDMA, kontrola
snage
-
•
Takođe, kada je u pitanju OFDMA uplink, zbog različitih rastojanja od bazne stanice, različita su i propagaciona slabljenja za signale sa različitih terminala.
•
Ako su snage predajnika mobilnih terminala iste, nivo signala na prijemu usled velikih razlika u propagaciji može biti vrlo različit, što
može imati za posledicu da jači signali predstvaljaju jaku interferenciju slabim signalalima, i pored ortogonalnosti podnosilaca (koja usled propagacije više neće biti savršena).
•
Zbog toga se na uplink
smeru primenjuje neka vrsta kontrole snage koja bi smanjila snagu terminalima koji su bliži baznoj stanici i time omogućila da svi signali na prijemu budu približno istog nivoa.
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Iako smo primenom OFDM rešili neke nedostatke klasične multi- carrier transmisije, problem velikih varijacija izlazne snage ostao je
prisutan i kod OFDM
(tzv. loš, odnosno, visok PAPR
–
Peak-to- Average-Power-Ratio
–
kao
kod
modulacija
višeg reda).
•
To je ujedno i osnovni nedostatak multi-carrier
transmisije u odnosu na single-carrier transmisiju.
•
Naime, za vreme
trajanja
jednog
OFDM simbola, TU
(koje odgovara
trajanju
pravougaonog
ili
već
izabranog
impulsa
za
uobličavanje), gledano
u vremenskom
domenu, superponira
se veliki
broj
prostoperiodičnih
signala
pa u zavisnosti
od
trenutnih
amplituda
nivo
ukupnog
signala
može
jako
da
varira.
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Baš
kao i kod modulacija višeg reda, velike varijacije izlaznog signala predstavljaju veliki problem.
•
Naime, zbog bojazni od ulaska u nelinearni deo karakteristike izlaznog pojačavača predajnika, pojačavači moraju biti predimenzionisani.
•
To
ima
za posledicu
smanjenu efikasnost pojačavača što dovodi do povećane potrošnje a negativno utiče i na cenu.
OFDM signal
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Ovo je posebno veliki problem na uplink
smeru zbog zahteva za malom potrošnjom i niskom cenom terminala.
•
Postoji nekoliko načina za rešavanje ovog problema kod OFDM od kojih se jedan od poznatijih (tzv. tone reservation) zasniva na tome da se određeni
OFDM podnosioci
ne koriste
za
prenos
podataka.
•
Naime, oni
su
modulisani
na
takav
način
da
su
najveći pikovi
OFDM signala
potisnuti
smanjujući
tako velike varijacije izlazne snage.
•
Mana ovakov postupka je što smanjuje
opseg
namenjen
realnom
prenosu
podataka.
Tone reservationuticaj
na
smanjenje
PAPR (tj. velikih
varijacija
izlazne
snage)
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
I druge slične metode smanjenja varijacija izlazne snage daju ograničeni uspeh, po cenu smanjenih performansi linka i/ili velike kompleksnosti.
•
Bez obzira na delimičan uspeh, sva ova rešenja i dalje su neprihvatljiva za uplink
iz pomenutih zahteva za malom potrošnjom
i niskom cenom terminala.
•
To je dovelo do ponovnog razmatranja sinle-carrier
pristupa na uplinku koji nema problema sa varijacijom izlazne snage, ali, kao što smo rekli, ima sa izobličenjem usled frekvencijske selektivnosti kanala (koja je veća ako je prenosni opseg veći).
•
Kao što je rečeno, ovaj problem se donekle može rešiti primenom ekvalizacije, ali tada bi se ušlo u novi problem –
velika
kompleksnost ekvalizatora.
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Sa druge strane, dodela celog opsega (reč
je o uplinku) jednom mobilnom terminalu može dovesti do neefikasnog korišćenja spektra.
•
Naime, uslovi u kanalu mogu biti takvi da dodela celog opsega jednom mobilnom terminalu neće doprineti proporcionalnom povećanju protoka.
•
U tom slučaju, bilo bi mnogo efikasnije jednom terminalu dodeliti manji opseg, a ostatak istog bi mogli koristiti ostali mobilni terminali za svoju uplink
transmisiju.
•
Dakle, uplink
transmisija bi trebala imati fleksibilnu dodelu spektra.
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Da
nema
problem sa
izlaznom
snagom, fleksibilnu dodelu spektra moguće bi bilo
realizovati primenom OFDM na uplinku, tako što će
se, u zavisnosti od trenutnih uslova u kanalu, različit broj podnosilaca dodeljivati različitim mobilnom terminalima.
•
Da bi se iskoristile ove dobre strane OFDM a istovremeno rešio problem velikih varijacija izlazne snage koje su karakteristične za multi-carrier
transmisiju kakva je OFDM, nastala je nova tehnika
DFTS-OFDM (DFT-Spread
OFDM).
•
Ova metoda je poznatija pod nazivom SC-FDMA
(Single-Carrier FDMA).
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
• SC-FDMA je tehnika višestrukog pristupa koja kombinuje dobre karakterstike prethodno analiziranih rešenja:
1.
male varijacije izlazne snage predajnika, tj. bolji (manji) PAPR (osobina karakteristična za single-carrier
tehnike)
2.
mogućnost dobre ekvalizacije (smanjenje izobličenja zbog frekv. selektivnosti) male kompleksnosti ekvalizatora
3.
mogućnost fleksibilne
dodele
spektra (OFDM-based
pristup).
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
SC-FDMA predajnik:
•
Vidi se da je SC-FDMA predajnik jako sličan OFDM predajniku – jedina razlika je DFT blok
koji prethodni IDFT bloku.
•
Otuda i alternativni naziv ove metode DFTS-OFDM (DFT spread- OFDM).
OFDM
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Upravo ovaj detalj čini da je SC-FDMA u osnovi single-carrier metoda (koju karakteriše mala varijacija izlazne snage), za razliku od OFDM.
•
Naime, ako bi u prikazanoj šemi SC-FDMA predajnika bilo M=N, blokovi DFT i IDFT bi se međusobno poništili.
•
Ipak, ako je M<N
i preostali ulazi u IDFT se popune nulama, izlazni signal iz IDFT postaje signal single-carrier
tipa.
•
Suštinski, ovo znači sledeće:–
u standardnoj OFDM, svaki simbol se prenosi preko jednog podnosioca
–
u slučaju SC-FDMA, svaki simbol se prenosi preko više podnosilaca, pa se ta grupa podnosilaca ustvari ponaša kao jedan frekvencijski opseg (single-carrier) gde se podaci prenose slično kao u FDMA (otuda i naziv SC-FDMA).
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Napomenimo još
i to kako SC-FDMA ostvaruje fleksibilnu dodelu spektra: –
Ako je učestanost odabiranja na izlazu iz IDFT fs
, nominalni opseg prenošenog signala iznosi:
sfNMB =
•
Dakle, variranjem parametra M, variramo i prenosni opseg i na taj način se ostvaruje fleksibilna dodela spektra.
Visoki protok u proširenom opsegu
M N
NM
M < N
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Slično kao i kod OFDMA, postoje dva tipa SC-FDMA:–
lokalizovana–
distribuirana.
•
Lokalizovana SC-FDMA odnosi se na slučaj kada se izlaz DFT mapira na uzastopne ulaze IDFT, dok se distribuirana odnosi na slučaj kada se izlaz DFT mapira na ekvidistantne ulaze IDFT sa nulama ubačenim između.
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Na slici je prikazan spektar u slučaju lokalizovane i u slučaju distribuirane SC-FDMA.
•
U oba slučaja u pitanju je single-carrier prenos, s’tim što u slučaju distribuirane SC-FDMA to možda nije očigledno!
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Kao i u slučaju OFDMA, SC-FDMA se može koristiti kao šema višestrukog pristupa.
•
Kao što je rečeno, dinamičkim podešavanjem veličine DFT na predajniku (parametra M), moguće je dinamički podešavati i nominalni opseg.
•
Dodatno, pomerajući IDFT ulaze na koje se mapiraju DFT izlazi, moguće tačno podesiti “poziciju”
signala u frekvencijskom domenu.
•
Na ovaj način SC-FDMA ustvari postaje uplink
FDMA sa fleksibilnom dodelom spektra.
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
Slika a) pokazuje slučaj multipleksiranja dva mobilna terminala sa jednakim dodeljenim opsegom, a slika b) slučaj kada su dodeljeni opsezi različiti.
Visoki protok u proširenom opsegu -
SC-FDMA
-
•
I SC-FDMA višestruki pristup postoji u dve verzije: lokalizovani i distribuirani (prikazano na slici).
Visoki protok u proširenom opsegu
•
Napomenimo
na
kraju
da
je OFDM standardizovana
modulaciona šema za LTELTE
sistem na downlinku, dok je SC-FDMA
standardizovana
modulaciona
šema za LTE sistem na uplinku.
Visoki protok u proširenom opsegu
•
U zaključku možemo konstatovati da se OFDM-based
transmisione tehnike odlikuje:
–
mogućnost prilagođavanja veličine opsega–
mogućnost fleksibilne dodele spektra
–
mogućnost oblikovanja spektra–
mogućnost izbora modulacionih postupaka (po podnosiocima)
–
mogućnost izbora parametara u zavisnosti od okruženja,...
prilagođenost okruženju!
Visoki protok u proširenom opsegu
•
mogućnost prilagođavanja okruženju•
mogućnost dinamičkog podešavanja radio parametara
•
visoka fleksibilnost•
jednostavna praktična implementacija
OFDM-based
transmisione tehnike kandidatza fizički sloj u KOGNITIVNOM RADIJU???
top related