Techniki wielodostępu. Paweł Kułakowski

Transkrypt

1 Techniki wielodosępu Paweł Kułakowski

2 Plan wykładu FDMA TDMA ransmisja pakieowa w sieciach LAN frequency hopping CDMA i odbiornik Rake SDMA OFDM

3 Wielodosęp w dziedzinie częsoliwości FDMA (Frequency Division Muliple Access) czas użykownik 2 użykownik 1 użykownik 3 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: filry o sromych zboczach (koszowne), pasma ochronne (spadek współczynnika wykorzysania pasma), kanały wąskopasmowe: zaniki wielodrogowe, brak frequency diversiy, zasosowanie raczej do sysemów szerokopasmowych

4 Wielodosęp w dziedzinie czasu TDMA (Time Division Muliple Access) czas każdy użykownik ma do dyspozycji szeroki kanał częsoliwościowy, ale ylko w ciągu krókiej szczeliny czasowej okresy ochronne oddzielające poszczególnych użykowników inerferencje ISI => konieczność sosowania korekcji adapacyjnej rudności związane z synchronizacją użykowników znajdujących się w różnych odległościach od sacji bazowej konieczność esymacji szerokiego kanału częsoliwościowego

5 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

6 Frequency hopping częsoliwość Zasosowania wojskowe: czas urudnienie namierzania nadajnika zabezpieczenie przed zakłócaniem ransmisji Unikanie zaników wielodrogowych wykorzysanie frequency diversiy Hedy Lamarr George Anheil

7 Wielodosęp kodowy CDMA (Code Division Muliple Access) częsoliwość ko od (widmowa gę ęsość mocy) czas użykownik 3 użykownik 2 użykownik 1 Ciągi biowe różnych użykowników są przemnażane (suma modulo 2) przez odmienne ciągi kodowe.

8 Rozpraszanie sygnału CDMA Dane użykownika: Zysk rozpraszania (Spreading facor) = 10 Ciąg rozpraszający: Transmiowany ciąg biów: = Rozproszenie sygnału w dziedzinie częsoliwości f f

9 Odbiór sygnału CDMA Poprawny odbiór sygnału : Odebrany ciąg symboli: Właściwy ciąg rozpraszający: Dane użykownika: =

10 Odbiór sygnału CDMA Odbiór z błędnym ciągiem rozpraszającym : Odebrany ciąg symboli: Błędny ciąg rozpraszający: Odebrane dane: =

11 Odbiór sygnału CDMA Odbiór z błędną synchronizacją : Odebrany ciąg symboli: Przesunięy ciąg rozpraszający: Odebrane dane: =

12 Odbiornik RAKE niwelacja niekorzysnych efeków propagacji wielodrogowej power delay profile Esymacja kanału radiowego i synchronizacja Osaeczna wersja sygnału MRC Kolejne repliki ransmiowanego sygnału CDMA Zsynchronizowane ciągi rozpraszające Maximal Raio Combining

13 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-far problem) elasyczna pojemność sieci z wielodosępem CDMA brak szywnego limiu użykowników breahing cells ransmisja srumieni biowych o różnych przepływnościach

14 Wielodosęp przesrzenny SDMA (Space Division Muliple Access) Podział sieci na komórki i jednoczesny dosęp wielu użykowników przy wykorzysaniu ych samych zasobów częsoliwościowych :

15 Wielodosęp przesrzenny SDMA II Sysem (Massive) MIMO (n,k): K użykowników Sacja bazowa n anen duża liczba anen sacji bazowej możliwość zdekodowania n srumieni danych niwelowanie inerferencji pochodzących od użykowników, kórych dane zosały już zdekodowane - Successive Inerference Cancellaion

16 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 beamforming : 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

17 Muliuser diversiy K użykowników Muliuser diversiy : Sacja bazowa z jedną aneną 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

18 OFDM (Orhogonal Frequency Division Muliplexing) sandardowa ransmisja szerokopasmowa OFDM f f

19 OFDM A pasmo użykowe f f 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; echnika skueczna przy propagacji wielodrogowej dobre własności widmowe: duża gęsość widmowa mocy w paśmie użykowym i niski poziom mocy poza ym pasmem frequency diversiy echnika przeznaczona raczej do szybkiej ransmisji danych jednego użykownika niż jako meoda wielodosępu (wielodosęp: SC-FDMA) zasosowania: downlink LTE, sandardy DVB, DAB, DRM, IEEE

20 OFDM eoria Srona nadawcza sysemu : j2f0 e KODOWANIE KONWERSJA SZEREGOWO-RÓWNO OLEGŁA 1 e j2f j2f N1 e +

21 OFDM eoria Srona odbiorcza sysemu : j2f0 e 1 e j 2 f j2 f N 1 e KONWERSJA RÓWNOLEGŁO-SZEREG GOWA DEKODOWANIE

22 OFDM prakyka Srona nadawcza sysemu : KODOWANIE KONWERSJA SZEREGOWO-RÓWNO OLEGŁA IFFT +

23 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 Tranform), b. cyfrową można uniknąć dużej liczby oscylaorów.

24 OFDM prakyka Srona odbiorcza sysemu : KONWERSJA SZEREGOWO-RÓWN NOLEGŁA FFT KONWERSJA RÓWNOLEGŁO-SZE EREGOWA DEKODOWAN NIE

25 Orogonalność nośnych w sysemie OFDM FDM odsęp ochronny między kolejnymi pasmami częsoliwości f 0 f 1 f 2... OFDM częsoliwości nośne : f n = n f 0 f f dla k l : lub : T 0 sin Częsoliwości nośne w sysemie OFDM są względem siebie orogonalne! T 0 e j2f T = 1/f 0 > okres rwania jednego symbolu k e j2f l d 0 2f sin2f d 0 k k l l

26 Wpływ propagacji wielodrogowej power delay profile zaburzenia sygnału Transmisja pojedynczej nośnej OFDM : T = 1/f 0 > okres rwania jednego symbolu PREFIKS CYKLICZNY T = 1/f 0 > okres rwania jednego symbolu

27 Zaniki selekywne FDM wzros BER, konieczność sosowania korekorów adapacyjnych f ransmiancja kanału radiowego OFDM f f Zaniki doyczą jedynie kilku nośnych. Rozwiązania: kody korekcyjne wyłączenie ransmisji na ych nośnych, waerfilling

28 Waerfilling (waerpouring) H -> moc nadajnika P zosaje nierównomiernie rozdysponowana między N nośnych sysemu OFDM : P n 1 2 H n H n wzmocnienie n-ego kanału częsoliwościowego, () + - dodania część z wyrażenia (), - sała normalizacyjna, dobrana ak aby spełnić warunek : N ransmiancja kanału radiowego: i1 P i P 1 2 H n moc P n przydzielona do ransmisji na n-ej nośnej f f numer nośnej

29 Efek Dopplera Doppler specrum: OFDM Efeky: f 1. Zmiana częsoliwości nośnych => uraa orogonalności nośnych => iner carrier inerference ICI (zwłaszcza przy długim czasie rwania pojedynczego symbolu) 2. Niepożądana modulacja częsoliwościowa poszczególnych nośnych f Konieczna jes bardzo dokładna esymacja charakerysyki kanału radiowego.

30 Esymacja kanału radiowego w sysemie OFDM Przykład ransmisji danych i symboli reningowych: kolejne nośne OFDM symbol zawierający dane sekwencja reningowa czas

31 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 fazowe - korekcja funkcjami muliplikaywnymi lub addyywnymi - Single Carrier FDMA (sosowane w łączu uplink LTE)

32 Dziękuję za uwagę