Techniki wielodostępu

Transkrypt

1 Techniki wielodosępu Paweł Kułakowski Plan wykładu FDMA TDMA ransmisja pakieowa w sieciach LAN requency hopping CDMA i odbiornik Rake SDMA OFDM 1

2 Wielodosęp w dziedzinie częsoliwości FDMA (Frequency Division Muliple Access) częsoliwość użykownik 2 użykownik 1 użykownik 3 czas najprossza echnika wielodosępu, ransmisja prowadzona jes cały czas w ym samym paśmie częsoliwości, rudności związane ze sabilnością częsoliwości nośnej, konieczność separacji użykowników w dziedzinie częsoliwości: ilry o sromych zboczach (koszowne), okresy ochronne (spadek współczynnika wykorzysania pasma), kanały wąskopasmowe: zaniki wielodrogowe, brak requency diversiy, zasosowanie raczej do sysemów szerokopasmowych Wielodosęp w dziedzinie czasu TDMA (Time Division Muliple Access) częsoliwość użykownik 1 użykownik 2 użykownik 3 czas każdy użykownik ma do dyspozycji szeroki kanał częsoliwościowy, ale ylko w ciągu krókiej szczeliny czasowej okresy ochronne oddzielające poszczególnych użykowników inererencje ISI => konieczność sosowania korekcji adapacyjnej rudności związane z synchronizacją użykowników znajdujących się w różnych odległościach od sacji bazowej konieczność esymacji szerokiego kanału częsoliwościowego 2

3 Transmisja pakieowa w sieciach LAN 1. Prookoły opierające się na rywalizacji o kanał ransmisyjny i nasłuchiwaniu, kiedy medium jes wolne: ALOHA Sloed ALOHA CSMA/CD (Carrier Sense Muliple Access / Collision Deecion) -> nie sosowany w ransmisji radiowej CSMA/CA (Carrier Sense Muliple Access / Collision Avoidance) -> m.in. IEEE użykownik 1 użykownik 2 czas kolizja pakieów 2. Prookoły bazujące na rezerwacji zasobów radiowych: Packe Reservaion Muliple Access (PRMA), polling sysems, m.in. IEEE e Frequency hopping częsoliwość czas Zasosowania wojskowe: urudnienie namierzania nadajnika zabezpieczenie przed zakłócaniem ransmisji Hedy Lamarr Unikanie zaników wielodrogowych wykorzysanie requency diversiy 3

4 Wielodosęp kodowy CDMA (Code Division Muliple Access) częsoliwość kod (widmowa gęsość mocy) czas użykownik 3 użykownik 2 użykownik 1 Ciągi biowe różnych użykowników są przemnażane (suma modulo 2) przez odmienne ciągi kodowe. Rozpraszanie sygnału CDMA Dane użykownika: Zysk rozpraszania (Spreading acor) = 10 Ciąg rozpraszający: Transmiowany ciąg biów: = Rozproszenie sygnału w dziedzinie częsoliwości 4

5 Odbiór sygnału CDMA Poprawny odbiór sygnału : Odebrany ciąg symboli: Właściwy ciąg rozpraszający: Dane użykownika: = Odbiór sygnału CDMA Odbiór z błędnym ciągiem rozpraszającym : Odebrany ciąg symboli: Błędny ciąg rozpraszający: Odebrane dane: = 5

6 Odbiór sygnału CDMA Odbiór z błędną synchronizacją : Odebrany ciąg symboli: Przesunięy ciąg rozpraszający: Odebrane dane: = Odbiornik RAKE niwelacja niekorzysnych eeków propagacji wielodrogowej power delay proile Esymacja kanału radiowego i synchronizacja Osaeczna wersja sygnału MRC Kolejne repliki ransmiowanego sygnału CDMA Zsynchronizowane ciągi rozpraszające Maximal Raio Combining 6

7 Wielodosęp kodowy CDMA ukrycie ransmisji widmowa gęsość mocy sygnału może być mniejsza od widmowej gęsości mocy szumu zabezpieczenie przed niepożądanym odbiorem sygnału konieczność znajomości ciągu rozpraszającego konieczność dokładnej synchronizacji nadajnik-odbiornik problemy z orogonalnością ciągów rozpraszających wymagane mechanizmy serowanie mocą (near-ar problem) elasyczna pojemność sieci z wielodosępem CDMA brak szywnego limiu użykowników breahing cells ransmisja srumieni biowych o różnych przepływnościach Wielodosęp przesrzenny SDMA (Space Division Muliple Access) Podział sieci na komórki i jednoczesny dosęp wielu użykowników przy wykorzysaniu ych samych zasobów częsoliwościowych : 7

8 Wielodosęp przesrzenny SDMA II Sysem MIMO (K,n) K użykowników Sacja bazowa n anen ylko kanał uplink możliwość zdekodowania n srumieni danych niwelowanie inererencji pochodzących od użykowników, kórych dane zosały już zdekodowane - Successive Inererence Cancellaion Wielodosęp przesrzenny SDMA III Zgodnie z eorią budowy anen: Charakerysykę aneny o n elemenach można zaprojekować w aki sposób, aby miała n-1 zer na dowolnie wybranych kierunkach. Technika orhogonal beamorming : ransmisja sygnału danego użykownika z charakerysyką anenową posiadającą zera na kierunkach, gdzie znajdują się pozosali użykownicy jednoczesna łączność z n użykownikami warunek: komplena CSI na sacji bazowej charakerysyki anenowe w łączności z rzema użykownikami 8

9 Muliuser diversiy K użykowników Sacja bazowa z jedną aneną Muliuser diversiy : urzymywanie łączności z użykownikiem o największej warości SNR w kanale radiowym Fair scheduling (queueing) : urzymywanie łączności z użykownikiem, kórego SNR jes największy w porównaniu z osiąganą przez niego średnią Sacja bazowa z n anenami : łączność z n użykownikami o najlepszych warościach SNR OFDM (Orhogonal Frequency Division Muliplexing) sandardowa ransmisja szerokopasmowa OFDM 9

10 OFDM A pasmo użykowe rozwiązanie zaproponowane przez R.W. Changa w roku 1966 jednoczesna ransmisja na bardzo dużej liczbie (nawe 8000) nośnych szerokopasmowy kanał radiowy z zanikami selekywnymi jes dzielony na kanały wąskopasmowe o płaskich charakerysykach częsoliwościowych dobre własności widmowe: duża gęsość widmowa mocy w paśmie użykowym i niski poziom mocy poza ym pasmem requency diversiy echnika przeznaczona raczej do szybkiej ransmisji danych jednego użykownika niż jako meoda wielodosępu zasosowania: sandardy DVB, DAB, DRM, IEEE OFDM eoria Srona nadawcza sysemu : e 0 j2π KODOWANIE KONWERSJA SZEREGOWO-RÓWNOLEGŁA e 1 j2π M j 2π N 1 e + 10

11 OFDM eoria Srona odbiorcza sysemu : e 0 j2π e 1 j 2π M j2 N 1 e π KONWERSJA RÓWNOLEGŁO-SZEREGOWA DEKODOWANIE OFDM prakyka Srona nadawcza sysemu : KODOWANIE KONWERSJA SZEREGOWO-RÓWNOLEGŁA IFFT KONWERSJA RÓWNOLEGŁO-SZEREGOWA 11

12 Dlaczego IFFT? 1. sygnały przed blokiem IFFT są rakowane ak jakby były o warości widma ego sygnału. 2. IFFT jes operacją : a. szybką (FAST Fourier Tranorm), b. cyrową można uniknąć dużej liczby oscylaorów. OFDM prakyka Srona odbiorcza sysemu : KONWERSJA SZEREGOWO-RÓWNOLEGŁA FFT KONWERSJA RÓWNOLEGŁO-SZEREGOWA DEKODOWANIE

13 Orogonalność nośnych w sysemie OFDM FDM odsęp ochronny między kolejnymi pasmami częsoliwości OFDM... częsoliwości nośne : n = n 0 T = 1/ 0 Częsoliwości nośne w sysemie OFDM są względem siebie orogonalne! dla k l : lub : T 0 sin T 0 e j2π k e j2π l d = 0 ( 2π + ϕ ) sin( 2π + ϕ ) d = 0 > okres rwania jednego symbolu k k l l Wpływ propagacji wielodrogowej power delay proile zaburzenia sygnału Transmisja pojedynczej nośnej OFDM : T = 1/ 0 > okres rwania jednego symbolu PREFIKS CYKLICZNY T = 1/ 0 > okres rwania jednego symbolu 13

14 Zaniki selekywne FDM wzros BER, konieczność sosowania korekorów adapacyjnych ransmiancja kanału radiowego OFDM Zaniki doyczą jedynie kilku nośnych. Rozwiązania: kody korekcyjne wyłączenie ransmisji na ych nośnych, waerilling Waerilling (waerpouring) -> moc nadajnika P zosaje nierównomiernie rozdysponowana między N nośnych sysemu OFDM : ransmiancja kanału radiowego 1 P n µ H = 2 n H n wzmocnienie n-ego kanału częsoliwościowego, ( ) + - dodania część z wyrażenia ( ), µ - sała normalizacyjna, dobrana ak aby spełnić warunek : N P i = P i= H n moc P n przydzielona do ransmisji na n-ej nośnej numer nośnej 14

15 Eek Dopplera Doppler specrum OFDM Eeky: 1. Niepożądana modulacja częsoliwościowa poszczególnych nośnych 2. Zmiana częsoliwości nośnych => uraa orogonalności nośnych => iner carrier inererence ICI (zwłaszcza przy długim czasie rwania pojedynczego symbolu) Konieczna jes bardzo dokładna esymacja charakerysyki kanału radiowego. Esymacja kanału radiowego w sysemie OFDM Przykład ransmisji danych i symboli reningowych: kolejne nośne OFDM symbol zawierający dane sekwencja reningowa czas 15

16 Peak o Average Power Raio (PAPR, PAR) Sygnał OFDM : -> suma sygnałów nadawanych na kolejnych nośnych -> duże warości PAPR Problem : liniowość wzmacniacza wysoka sprawność ampliuda numer próbki sygnału Techniki niwelujące wysokie warości PAPR : - wybór określonych ciągów kodowych - dopasowanie azowe - korekcja unkcjami muliplikaywnymi lub addyywnymi Brak dobrych rozwiązań problemu PAPR Dziękuję za uwagę 16