Kognitivni radio - University of Belgradetelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_1.pdfdostupan frekvencijski opseg, B. • U cilju detaljnijeg razmatranja kada i na

Kognitivni

radioEvolucija

radio sistema

1

Doc. dr Mirjana Simić

Ciljevi...

•

Nove

generacije

radio sistema

usmerene

su ka zadovoljenju

narastajućih

zahteva

za

bežičnim

pristupom

visokog

protoka

kroz:–

unapređenje

tehnologija

prenosa

podataka

i

–

bolje

upravljanje

resursima.

•

Osnovni cilj je: preneti što veću količinu informacija u ograničenom opsegu (što veći protok u ograničenom opsegu)!

Visok protok, osnovna razmatranja...

•

Formulu na osnovu koje se može odrediti maksimalni protoka informacija (kapacitet kanala) u datom komunikacionom kanalu dao je Shannon.

•

Iako je relativno komplikovana u opštem slučaju, za poseban slučaj komunikaciju preko kanala (radio linka) u kojem je prisutan samo aditivni beli Gausov šum (AWGN), kapacitet kanala C je dat relativno jednostavnim izrazom:

1⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅=

NSlogBC 12


•

Već

na osnovu formule No1 može se zaključiti da dva faktora limitiraju ostvarive brzine prenosa podataka:

1.

snaga signala na prijemu (received signal power), ili generalnije gledano odnos signal-šum S/N, i

2.

dostupan frekvencijski opseg, B.

•

U cilju detaljnijeg razmatranja kada i na koji način ovi faktori limitiraju ostvarivi

protok, pretpostavimo komunikaciju sa

brzinom prenosa podataka R.


•

Snaga signala

na prijemu se tada može predstaviti kao:

RES b ⋅=gde je:-

Eb

energija signala na prijemu po bitu

[Ws/bit]-

R

brzina prenosa podataka, protok

[bit/s]

•

Snaga šuma

se može predstaviti kao:

BNN ⋅= 0

gde je:-

N0

spektralna gustina snage šuma [W/Hz]-

B

dostupan opseg

[Hz]

3

2


•

Po Shannon

formuli, praktično je interesantan samo slučaj kada je R≤C.

•

Za ovaj slučaj, kroz dati kanal je moguć

prenos informacija sa malom verovatnoćom greške i brzinom prenosa podataka koja je bliska kapacitetu kanala C [bit/s].

•

Za slučaj kada je R>C, verovatnoća greške

na

prijemu neograničeno

raste

sa

porastom

R, pa je praktično i

nemoguć

prenos

korisnih informacija.

CR ≤4


•

Dakle, ograničićemo se na slučaj R≤C, tj. da brzina prenosa podataka R

nikada ne može premašiti

kapacitet kanala C.

•

Na osnovu prethodne No4 formule, može se pisati:

5

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

+⋅=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅=≤

BNRElogB

NSlogBCR b

022 11


•

Uvedimo još

dve vrlo važne veličine:1)

Efikasnost snage

(power efficiency), ili efikasnost po

snazi

–

u literaturi se često naziva i efikasnost energije. Definiše se kao odnos energije signala po bitu, Eb

, i spektralne gustine snage šuma, N0

:

0NEb

P =η

• Efikasnost snage se posmatra se za određenu verovatnoću greške na prijemu.

• Efikasnost snage odražava sposobnost da se očuva verodostojnost signala pri malim vrednostima odnosa S/N.

6


• Druga važna veličina je:

2)

Efikasnost opsega

(bandwidth efficiency). Čest naziv je i spektralna efikasnost. Definiše se kao odnos brzine prenosa podataka (ekvivalentnog binarnog protoka), R, i dodeljenog opsega za prenos, B:

BR

B =η

• Efikasnost opsega pokazuje koliko efikasno se koristi dodeljeni frekvencijski opseg.

• Izražava se u [(bit/s)/Hz

].

7


•

Sada

se nejednakost

No5 može pisati:

( )BPb

B logBNRElog

NSlog ηηη +=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

+=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +≤ 111 2

022

•

Ova nejednakost se može pisati i u obliku koji daje zavisnost donje granice zahtevane energije po bitu normalizovane u odnosu na spektralnu gustinu snage šuma (efikasnost snage, ηP

), za datu efikasnost opsega, ηB

:

B

bbP

B

NEmin

NE

ηη

η 12

00

−=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

≥=

8

9


B

bbP

B

NEmin

NE

ηη

η 12

00

−=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

≥=

efikasnost opsega, ηB

min

imal

no z

ahte

vani

Eb/N

0(d

B)


•

Na osnovu slike, mogu se izvući sledeći zaključci:–

za vrednosti ηB

manje od 1

(što znači kada je brzina prenosa podataka R

manja od korišćenog opsega B), minimalno

zahtevani Eb

/N0 je relativno konstantan, bez obzira na vrednost ηB

;

–

To znači da, za datu vrednost N0

, svako povećanje brzine prenosa podataka, tj. protoka R,

zahteva slično

relativno

povećanje minimalne zahtevane snage signala na prijemu S=Eb

·R•

Primer: ako se za ηB

=0.1 protok R poveća 8 puta, zahtevana snaga na prijemu se poveća oko 10 puta!).


•

Sa druge strane:–

za vrednosti ηB

veće od 1

(što znači kada je brzina prenosa podataka R

veća od korišćenog opsega B), minimalno

zahtevani Eb

/N0

brzo raste sa povećanjem ηB

;

–

To znači da, za slučaj kada je brzina prenosa podataka R

veća od korišćenog/dodeljenog opsega, svako dalje povećanje brzine prenosa podataka

(bez odgovarajućeg povećanja

korišćenog opsega)

implicira znatno veće zahteve po pitanju minimalne zahtevane snage signala na prijemu S=Eb

·R

(tj. nesrazmerno veću snagu na prijemu).

•

Primer: ako se za ηB

=2 protok R poveća 4 puta, zahtevana snaga na prijemu se poveća oko 85 puta!).

Visoki protok u ograniVisoki protok u ograniččenom enom opseguopsegu

Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju

•

Cilj: bežični pristup visokog protoka (u ograničenom opsegu).

•

Razmatra se scenario 1: mogućnosti visokog protoka u okruženju kada je šum glavni uzrok grešaka na radio linku (noise-limited

scenario).

•

U skladu sa prethodnom diskusijom, za ovakav tip okruženja mogu se izvući osnovni zaključci...

•

Noise-limited

scenario, zaključci:

1.

Glavni faktor koji limitira brzinu prenosa podataka u ovakvom okruženju je snaga signala na prijemu (ili, u opštem slučaju, odnos signal-šum S/N na prijemu).

Štaviše, svako povećanje ostvarivog protoka u okvirima dodeljenog opsega zahteva barem isto relativno povećanje snage signala na prijemu.


• Noise-limited


2.

Za male vrednosti ηB

(brzina prenosa znatno

manja od dostupnog opsega), svako dalje povećanje protoka zahteva približno isto

relativno povećanje snage signala

na prijemu.

Ovo je tzv. power-limited slučaj obzirom da povećanje dostupnog opsega (ali i dalje u uslovima ηB<1) ne utiče bitno na to kolika je zahtevana snaga signala na prijemu za određenu brzinu prenosa podataka.


• Noise-limited


3.

Za velike vrednosti ηB

(brzina prenosa veća od dostupnog opsega), svako dalje povećanje brzine prenosa podataka zahteva znatno

relativno povećanje

snage signala na prijemu (osim ako ne dođe do povećanja i samog opsega proporcionalno brzini prenosa podataka).

Ovo je tzv. bandwidth-limited slučaj obzirom da povećanje dostupnog opsega (ali i dalje u uslovima ηB>1) značajno utiče na to kolika je zahtevana snaga signala na prijemu za određenu brzinu prenosa podataka (tj. promena opsega znatno utiče na zahtevanu snagu signala na prijemu za datu brzinu prenosa podataka).


•

Dakle, u cilju efikasnog korišćenja snage signala na prijemu, ili u opštem slučaju odnosa S/N, dostupan prenosni opseg trebao bi biti barem istog reda veličine kao zahtevana brzina prenosa podataka!



⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅=

NSlogBC 12

•

Postoje razni načini povećanja snage signala na prijemu, tj.odnosa

S/N1...

a)

Ako se pretpostavi konstantna snaga predajnika,

snaga signala na prijemu uvek se može povećati smanjenjem rastojanja između predajnika i prijemnika

(na taj način ustvari smanjujemo slabljenje propagacije)

Scenario 1: visoki protok u noise-limited

okruženju -

povećanje snage signala na prijemu: a)

smanjenjem d

-

( ) ( )n

dddPLdPL ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

00 ( ) ( )

n

RR dddPdP ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= 0

0 ( ) ( )↑↓⇒↓⇒ dPdPLd R

1

teorijski

možemo i povećati snagu na predaji da bismo povećali snagu na prijemu, ali tu imamo problem sa interferencijom i energetskom efikasnošću (kasnije...)

10

Primer:

PL –

slabljenje

propagacijePR

(S)

–

snaga

na

prijemud –

rastojanje

od

predajnikad0

–

referentno

rastojanjeN –

snaga šuma (=const.)

↑⇒↑⇒↓NSSd

a)

Dakle, u noise-limited

scenariju, uvek je moguće, barem teorijski posmatrano, povećati ostvarivi

protok

smanjenjem

rastojanja predajnik-prijemnik, odnosno, smanjenja dometa.

U mobilni telekomunikacionim sistemima ova opcija odgovara smanjenju veličine ćelije i u skladu sa tim potrebom za većim brojem sajtova kako bi se pokrila ista oblast.

Posebno, u slučaju kada je brzina prenosa podataka veća od raspoloživog opsega za prenos (ηB veliko), imamo zahtev za značajnim smanjenjem veličine ćelije.

Osim ovoga, moguća opcija može biti i to da su servisi visokog protoka dostupni samo u zoni na malom rastojanju od baznih stanica, tj. mobilnim terminalima koji se nalaze blizu centra ćelije.


okruženju - povećanje snage signala na prijemu: a)

smanjenjem d

-

b)

Drugi način povećanja snage signala na prijemu može biti primenom diversity

tehnika.

Diversity je tehnika kojom se informacija od predajnika do prijemnika prenosi različitim putevima, preko 2 ili više nezavisnih kanala.

Jedna od popularnih diversity tehnika je primena višestrukih antena na predaji/prijemu.

Nezavisnost kanala kojima se prenose informacije mogu se postići npr. dovoljnim fizičkim razmicanjem antena – prostorni diversity (signali na razdvojenim antenama su slabo korelisani u smislu fedinga).

Signali se na prijemu kombinuju sa ciljem da se u maksimalnoj meri istakne korisni signal a potisne feding.


okruženju - povećanje snage signala na prijemu: b) diversity

-



-

Alternativno, može se primeniti npr. polarizacijski diversity (nezavisni kanali se obezbeđuju korišćenjem ortogonalnih komponenti elektromagnetnog polja –različito polarisane antene) ili neke druge diversity tehnike.

Odgovarajućim kombinovanjem signala primljenih na različitim antenama, odnos S/N može se povećati i na taj način, za nepromenjeno rastojanje predajnik-prijemnik, možemo povećati brzinu prenosa podataka.

prostorni diversity



-

Primer: prostorni diversity na prijemu, kombinovanje po principumaksimalnog odnosa

• Ovom tehnikom se osvaruje maksimalna vrednost odnosa S/N za zbirni signal• NR

: broj antena na prijemu (nekorelisanih kanala)•

Wi

: težinski koeficijenti direktno proporcionalni intenzitetu signala a

obrnuto proporcionalni srednjim kvadratnim vrednostima šuma u i-tom kanalu • Odnos S/N zbirnog signala povećan je proporcionalno broju prijemnih antena, NR

nekorelisani kanali

šum

težinski koeficijenti

zbirni signal11

Višestruke antene moguće je primeniti i u cilju “oblikovanja”dijagrama zračenja na predaji - beamforming.

Na taj način, može se maksimizirati ukupan dobitak antene u pravcu ciljanog prijemnika.

Za razliku od diversity tehnike (kod koje su signali sa različitih antena nekorelisani), beamforming se može primeniti i u slučaju nekorelisanih i u slučaju korelisanih signala na različitim antenama.


okruženju - povećanje snage signala na prijemu: c) beamforming

-

c) Beamforming



-

Primer: beamforming

na predaji –

slučaj korelisanih

signala na antenama

(mala međuantenska rastojanja)

konfiguracija antena oblikovanje snopa

•

Usmeravanje dijagrama zračenja vrši se primenom različitih faznih pomeraja signala na različitim antenama.

•

Ovaj tip beamforminga (sa korelisanim signalima) često se zove klasičan beamforming.



-

•

Ovaj slučaj beamforminga, kao što se i sa slike može videti, je sličaj klasičnom beamformingu. Razlika je u drugačijim težinskima faktorima kojima se množe različite antene.

•

Težinski faktori su sada takvi da se ne utiče samo na fazu (usmerenje) već

i na amplitudu signala (preko različitih dobitaka) na različitim antenama, pa se obe mogu podešavati.

Primer: beamforming

na predaji –

slučaj nekorelisanih

(slabo korelisanih) signala na antenama

(veća međuantenska rastojanja)

12



-

•

U svakom slučaju, o kojem god beamforming-u je reč, on, kao i diversity, povećava odnos S/N na prijemu.

•

Ako je NT

broj antena na predaji, odnos S/N na prijemu, primenom tehnike beamforming-a, povećava se proporcionalno broju predajnih antena, NT

.

•

U slučaju diversity

tehnike rekli smo da ako je NR

broj antena na prijemu, odnos S/N na prijemu povećava se proporcionalno broju prijemnih antena, NR

.

NSN

NS

T→NSN

NS

R→


okruženju - povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO

-

•

Dakle, primenom višestrukih antena na predaji i/ili prijemu, povećavamo odnos S/N a time i ostvarivi protok.

•

U opštem slučaju, kada imamo NT

predajnih antena i NR

prijemnih, odnos signal šum S/N povećava se proporcionalno proizvodu NT

×NR

.

•

Ovo povećanje odnosa S/N naravno ima za posledicu povećanje ostvarivog protoka ali praktično samo do granice power-limited

regiona, jer nakon toga (u bandwidth-limited

regionu) ostvarivi protok ulazi u

zasićenje

(sem ako se ne poveća i dedeljeni opseg).



-

•

To se može videti i iz normalizovane formule za kapacitet kanala:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

NSlog

BC 12

•

Funkcija log2

(1+x) ≈

x, za male vrednosti x → dakle, za male vrednosti odnosa S/N, kapacitet raste linearno sa odnosom S/N!

•

Ali, funkcija za log2

(1+x) ≈

log2

(x)

velike vrednosti x → dakle, za velike vrednosti odnosa S/N, kapacitet raste samo logaritamski sa odnosom S/N!

•

Dakle, nakon ove granice, svako dalje povećanje broja antena na prijemu/predaji povećava odnos S/N (i dalje proporcionalno NT

×NR

), ali ne i protok!

13



-

log2

(1+x)

x



-

• Ovo zasićenje se može izbeći primenom višestrukih antena i na strani predajnika i na strani prijemnika i tehnikom prostornog multipleksiranja, poznatijom kao MIMO tehnika.

d) MIMO



-

•

Dakle, pod određenim uslovima, možemo ostvariti da kapacitet kanala i dalje raste linearno sa porastom broja antena na predaji i prijemu, izbegavajući pomenuto zasićenjenje.

•

Naime, u slučaju primene višestrukih antena na predaji i na prijemu, moguće je realizovati NL

=min(NT

, NR

) paralelnih kanala, svaki sa NL

puta manjim odnosom S/N (snaga signala se “deli” između kanala), gde je svaki kapaciteta:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

NS

NNlog

BC

L

R12

NR

: broj antena na prijemu,NT

: broj antena na predajiNL

: broj paralelnih signala koji se mogu prostorno multipleksirati

14



-

•

Dakle, ako postoji NL

paralelnih kanala i gde je svaki pomenutog kapaciteta (prethodna formula), ukupni kapacitet za ovakav tip višeantenske konfiguracije dat je izrazom:

{ } { } ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅=

NS

N,NminNlogN,Nmin

NS

NNlogN

BC

RT

RRT

L

RL 11 22

•

Postignuto je da kapacitet kanala i dalje raste linearno sa porastom broja antena, izbegavajući pomenuto zasićenjenje ostvarivih brzina prenosa podataka.

15



-

2 ×

2 konfiguracija

•

Ovaj izraz za MIMO se može shvatiti i kao generalizacija izraza za diversity

(No11) na

slučaj višestrukih predajnih antena

i različitih signala sa različitih predajnih antena.

16



-

•

Na kraju treba naglasiti da u slučaju loših uslova u kanalu (loš

S/N), praktično nema dobitka od prostornog

multipleksiranja.

•

Tada kapacitet sistema ionako raste linearno sa odnosom S/N (za male vrednosti S/N).

•

U tom slučaju, višestruke antene na predaji i prijemu treba koristiti pre za beamforming

ili diversity nego za prostorno

multipleksiranje.


okruženju - povećanje snage signala na prijemu: e) smanjenje šuma

-

e)

Na kraju, alternativni način povećanja snage signala na prijemu odnosno odnosa S/N je smanjenje snage šuma, tačnije, spektralne gustine snage šuma na prijemniku.

Ovo se, do neke mere, može postići naprednijim tehnikama dizajna RF prijemnika, koje bi smanjile faktor šuma prijemika.

RES b ⋅=

BNN ⋅= 0BNRE

NS b

⋅⋅

=0

↑↓⇒NSN0

17

Scenario 2: visoki protok u interference-limited okruženju

•

Prethodna diskusija (Scenario 1) odnosila se na komunikaciju kada u kanalu postoji samo šum, odnosno, kada šum predstavlja glavni izvor problema u kanalu.

•

Ipak, u modernim mobilnim komunikacionim sistemima postoje i drugi faktori koji utiču na signal, a koji su često i dominantniji izvor grešaka nego šum. Jedna od takvih pojava je interferencija.

•

Najčešći izvor problema je tzv. interćelijska inteferencija (međućelijska interferencija), koja potiče od korisnika iz susednih ćelija. –

Ovaj tip interferencije karakterističan je u slučajevima primene malih ćelija i visokog saobraćaja.

•

Osim međućelijske, problem može predstavljati i interferencija koja potiče od korisnika unutar iste ćelije –

intraćelijska (unutarćelijska interferencija).


•

U mnogim aspektima uticaj interferencije je sličan kao i uticaj šuma.

•

Neki zaključci izvedeni za slučaj šuma, takođe važi i za slučaj kada u kanalu postoji i interferencija:

–

Glavni faktor koji limitira brzinu prenosa podataka u datom opsegu je odnos snaga signala/snaga interferencije (S/I) na prijemu.

–

Obezbeđivanje brzine prenosa podataka koja je veća od dodeljenog opsega (veliko ηB

) je skupo u smislu da zahteva nesrazmerno visok odnos signal/interferencija.

•

Takođe, slično noise-limited

scenariju, smanjenje dimenzija ćelije kao i primena višestrukih antenskih sistema neki

su

od

ključnih

načina

za povećanje brzine prenosa podataka i u interference-limited

scenariju:

–

Smanjivanjem dimenzija ćelije smanjuje se i broj korisnika, pa tako i ukupni saobraćaj po ćeliji. Ovo ima za posledicu smanjenje relativnog nivoa interferencije i na taj način povećanje protoka.

–

Isto kao u Scenariju 1, odgovarajuće kombinovanje signala sa više antena povećava odnos signal/interferencija.

–

Primena tehnike beamforming-a usmerava energiju sa predajnika u pravcu prijemnika, smanjujući na taj način interferenciju u ostalim pravcima, što dovodi do povećanja ukupnog odnosa signal/interferencija.



•

Bitna razlika u odnosu na noise-limited

scenario je da interferencija, za razliku od šuma, obično ima određenu strukturu što je, barem u izvesnoj meri, čini predvidljivom a time omogućava i njeno dalje potiskivanje ili čak uklanjanje. –

Primer: signal koji predstavlja dominantni izvor interferencije može dolaziti iz određenog pravca pa se primenom raznih tehnika na prijemu (spatial processing) takva interferencija može kompletno ukloniti.

•

Takođe, sve razlike u spektralnim karakteristikama između korisnog signala i interferencije mogu se iskoristiti za potiskivanje interfera a time i ukupnog nivoa interferencije.

Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda

•

Zaključak

iz prethodnih razmatranja (Scenario 1 i Scenario 2) je da:–

obezbeđivanje brzine prenosa podataka koja je veća od dodeljenog opsega (veliko ηB

) je skupo u smislu da zahteva nesrazmerno visok odnos signal-šum i signal-interferencija na ulazu u prijemnik.

•

Pravac povećanja protoka povećanjem opsega ubrzo dovodi do prepreke jer je spektar je ograničen i skup resurs.

•

Dakle, u savremenim mobilnim sistemima praktično uvek imamo problem ostvariti visok protok u ograničenom opsegu (dodeljenom delu spektra).


•

Sa pretpostavkom ograničenog opsega i želje za visokim protokom, pravolinijski način razmišljanja dovodi do korišćenja modulacija višeg reda (higher-order modulation).

•

Modulacije višeg reda omogućavaju prenos više informacionih bita po modulacionom simbolu.

•

Naime, modulacioni alfabet (skup modulacionih simbola) se proširuje dodatnim signalizacionim alternativama i na taj način omogućava prenos većeg broja informacionih bita po modulacionom simbolu (veće R).

•

Na ovaj način mi utičemo na efikasnost opsega ηB

.


•

Ipak, koji tip modulacije će se primeniti u konkretnom slučaju zavisi ne od jedne (pomenute efikasnosti opsega) već

tri veličine:

1.

efikasnost opsega (spektralna efikasnost), ηB

2.

efikasnost snage, ηP

3.

koliko je komplikovano realizovati predajnik i prijemnik–

odnosi se na broj elektronskih kola potrebnih za realizaciju sistema kao i složenost tehničke realizacije sistema. Npr. koherentni demodulator je složeniji od nekoherentnog jer zahteva rekonstrukciju nosioca.

•

U tom svetlu moramo posmatrati i naš

cilj –

veći protok u ograničenom opsegu.

•

U analizi ćemo se ograničiti na 3 najčešća modulaciona postupka, QPSK, 16QAM i 64QAM.


•

M-PSK signal, modulaciona jednačina

(polarna

forma):

( ) M...,,,iM

itfcosTEts c

si 10222

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

ππ

konstanta promena sa vremenom promena sa informacijom

•

Es

: energija po simbolu•

Ts

: trajanje simbola•

fc

: učestanost nosioca•

i: jedna od M signalizacionih akternativa (stanja signala)

•

ugao modulacije: θ=2πi/M

18


•

QPSK je tip MPSK modulacija, za

M=4:

•

U slučaju QPSK modulacije (3G -

WCDMA), modulacioni alfabet se sastoji od 4 različite signalizacione alternative (stanja signala, simbola).

( ) ( ) bScs

i TTt,,,,iitfcosTEts 204321

41222

=≤≤=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

ππ

19


•

Sa 4 faze (π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4),

QPSK modulacija omogućava prenos 2 bita po simbolu.


•

Sledeći primer je 16QAM modulacija –

hibridna modulacija: imamo i promenu faze i promenu amplitude.

•

16 različitih stanja (signalizacionih alternativa).

•

Omogućava prenos 4 informaciona bita po simbolu.

•

Primetimo da su energije po simbolu različite, kao i da su verovatnoće greške susednih simbola veće nego onih u krajnjim tačkama.


•

64QAM modulacija ima 64 različita stanja (signalizacione alternative) i tako omogućava prenos 6 bita po simbolu, tj. signalizacionom intervalu.


Tip modulacije Broj

simbola

M Širina opsega, B

Efikasnost opsega, ηB

((bit/s)/Hz)

QPSK 4 Vb 1

16-QAM 16 2

64-QAM 64 3( )MldVb2

( )MldVb2

BR

B =ηefikasnost opsega (spektralna efikasnost):R=Vb

•

Zaključujemo da 16QAM i 64QAM modulacije imaju 2, odnosno, 3 puta veću efikasnost opsega u odnosu na QPSK, respektivno.


•

Dakle, korišćenje modulacija višeg reda omogućava nam veći protok u datom ograničenom opsegu (R/B), odnosno, veće ηB

.

•

Ipak, veća efikasnost opsega dolazi po cenu smanjene otpornosti na šum i interferenciju (lošije ηP

)!

B-PSK Q-PSK 16-QAM


•

Naime, modulacije višeg reda kakve su 16QAM ili 64QAM, zahtevaju veći odnos Eb

/N0 na ulazu u prijemnik za istu verovatnoću greške!

•

Ovo je u skladu sa prethodnom diskusijom (Scenario 1 i Scenario 2), gde je zaključeno da visoka efikasnost opsega (visok protok unutar ograničenog opsega, R/B) generalno zahteva veće Eb

/N0

na ulazu u prijemik.

Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem

•

Jedna od pomoći za poboljšanje efikasnosti snage za modulacije višeg reda je primena kanalskog kodiranja.

01 0 1111 0

Transmitter Receiver1 1 0 1

00 0 1 111 1

Source

Channelencoder

Sink

ChanneldecoderChannel

1 1 0 1


•

Kanalsko kodiranje se zasniva na uvođenju redundanse na takav način da u prijemniku možemo korigovati greške ili izobličenja signala koje su nastale kao posledica sistema za prenos (kanala).

KODERk

simbola n=k+b

simbola

izvornom bloku podataka dužine k bita dodaje se b=n-k bita čime se povećava redundansa (za prenos k

simbola, koristimo kanal k+b

puta!)

k –

porukan –

kodna reč1<=

nkratecoding

20


•

Cilj kanalskog kodiranja je:–

smanjenje verovatnoće greške–

primenom kodova velike dužine mi se možemo približiti kapacitetu kanala, C.

•

Kodni dobitak–

Za datu verovatnoću greške, kodni dobitak se definiše kao smanjenje zahtevanog odnosa Eb

/N0 na ulazu u prijemnik koje se može ostvariti primenom kanalskog kodiranja

[ ] [ ] [ ]dBNEdB

NEdBG

c

b

ref

b⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

00

(Eb

/N0

)ref

–

zahtevani odnos Eb

/N0

u referentnom sistemu (bez kodiranja)

(Eb

/N0

)c

–

zahtevani odnos Eb

/N0

u sistemu sa kodiranjem

21


•

Podsetimo se da smo zaključili da modulacije višeg reda kakve su 16QAM ili 64QAM, zahtevaju veći odnos Eb

/N0 na ulazu u prijemnik za istu verovatnoću greške.

•

Sada vidimo da kanalsko kodiranje u nekim slučajevima otvara mogućnost da primenimo modulacije višeg reda, a da smanjimo zahtevani odnos Eb

/N0

(u odnosu na onaj bez primene kanalskog kodiranja).

•

Dakle, održavamo dobar ηB

a kanalskim kodiranje donekle popravljamo loš

ηP kod modulacija višeg reda!


•

To se dešava npr. kada je vrednost efikasnosti opsega ηB

takva da se u slučaju modulacije nižeg reda ne može primeniti dovoljno kanalsko kodiranje.

•

U tom slučaju, dodatno kanalsko kodiranje koje se može primeniti za modulacije višeg reda, npr. 16QAM, imaće za posledicu dobitak i u pogledu efikasnosti po snazi, u poređenju sa QPSK.

–

Primer 1: ako

se zahteva

iskorišćenost

opsega

od

oko 2 informaciona

bita

po

modulacionom

simbolu, QPSK modulacija omogućava vrlo ograničeno kanalsko kodiranje (coding rate≈1).

–

Sa druge strane, primena 16QAM omogućava kanalsko kodiranje sa coding rate ≈

½.


–

Primer 2: ako se zahteva iskorišćenost opsega od oko 4 informaciona bita po simbolu, primena 64QAM može biti efikasnija od 16QAM imajući u vidu manji coding rate

i u skladu sa tim dodatno kodni dobitak.

KODER bin→M[ ]s/bVb

[ ] bc Vkns/bV =

[ ]ldMVs/symV c

s =

s

b

VV

ldMnk 1=

22


•

Treba naglasiti da ovi zaključci u vezi kanalskog kodiranja nisu u suprotnosti sa zaključcima sa početka analize da je prenos u uslovima velike efikasnosti opsega (ηB

>1) loš

po

pitanju efikasnostii snage

(zahteva nesrazmerno veliku snagu na prijemu).

•

Konkretno, primena coding rate-a od ½

u primeru sa 16QAM smanjuje protok korisničkih informacija, a samim tim i efikasnost opsega, i to na isti nivo kao i QPSK bez kodiranja.

•

Konačno se može zaključiti da, za dati odnos signal/šum ili signal/interferencija, odgovarajuća kombinacija modulacionog postupka i faktora coding rate

je optimalna u smislu da može da obezbedi najveću efikasnost opsega (najveći protok u datom opsegu) za taj odnos signal/šum ili signal/interferencija.


–

varijacije

trenutne

snage

•

Za razliku od pomenutog nedostatka modulacija višeg reda a to je zahtev za većim odnosom S/N na prijemu koji se delom može rešiti primenom odgovarajućeg kanalskog kodiranja, kod ovih modulacija postoji ozbiljan problem koji praktično ne možemo rešiti.

•

Naime, ozbiljan nedostatak

modulacija

višeg reda kao što su 16QAM i 64QAM (gde imamo slučaj da je informacija utisnuta i u trenutne promene amplitude modulisanog signala) jeste da ovako modulisan signal ima velike varijacije trenutne snage.


–

varijacije

trenutne

snage

•

Na slici je prikazana raspodela trenutne snage, tačnije, verovatnoća da je trenutna snaga iznad određene vrednosti, za QPSK, 16QAM i 64QAM.

•

Kao sto se vidi, verovatnoća velikih vrednosti (pikova) trenutne snage je veća u slučaju modulacija višeg reda.

Raspodela trenutne snage za različitemodulacije. U svim slučajevima srednja snaga je ista.


–

varijacije

trenutne

snage

•

Velike varijacije trenutne snage kod modulacija višeg reda imaju velike posledice na pojačavače snage koji se koriste u izlaznim stepenima predajnika.

>vin voutvin

vout

+Vm maxzasićenje

-Vm max


–

varijacije

trenutne

snage

•

Najčešće korišćen pojačavač

je pojačavač

u klasi “A”:

1.

ima najmanja izobličenja –

jako dobra karakteristika

(samo zato se koristi)

2.

ima približno konstantnu potrošnju, Pin

→ nezavisnu od vout

i Pout

!!! –

jako loša karakteristika!

3.

koeficijent korisnog dejstva u “najboljem”

slučaju je η=0.5 (sinusoidalni signal maksimalne amplitude).

•

Dakle, kakva god bila snaga izlaznog signala, potrošnja ovog pojačavača je ista!


–

varijacije

trenutne

snage

•

Primer: pojačavamo sinusoidu, potrebna snaga na izlazu Pout

=100W. Obzirom na koeficijent korisnog dejstva od 0.5, pojačavač

snage u klasi A uzima najmanje Pin

=200W da bi na izlazu dao 100W (preostalih 100W se disipira Pd

=100W).

–

puna snaga (max amplituda M-QAM): Pout

=100W, Pin

=200W, η=0.5, Pd

=100W

–

prazan hod (amplituda = 0): Pout

=0W, Pin

=200W (pojačavač

u klasi A uvek vuče istu snagu!), η=0,

Pd

=200W (ogromna disipacija!)

–

između: Pout

=50W, Pin

=200W, η=0.25, Pd

=150W (predimenzionisan!)


–

varijacije

trenutne

snage

•

Velike varijacije (tačnije, velike vrednosti -

pikovi) trenutne snage prenošenog signala imaju za posledicu da pojačavači snage moraju biti predimenzionisani

kako bi se izbegla

izobličenja signala.

•

U suprotnom, pojačavač

bi mogao ući u nelinearan režim rada, što bi dovelo do pomenutih izobličenja signala (što nam naravno nije cilj).

•

Kao posledica toga, imamo smanjenu efikasnost pojačavača snage, što dalje dovodi do povećane potrošnje tih pojačavača.


–

varijacije

trenutne

snage

•

Naime, koeficijent korisnog dejstva η

u slučaju pojačavača klase “A”

(sinusoidalni signal na ulazu) ima sledeći oblik:

η

[%]

50%

10 Vm

/Vm max

2

50 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

maxm

m

VV%η

23


–

varijacije

trenutne

snage

•

Dakle, najčešće će naš

pojačavač

biti u režimu manjih izlaznih signala, što znači u režimu lošeg koeficijenta korisnog dejstva!

η

[%]

50%

10 Vm

/Vm max


–

varijacije

trenutne

snage

•

Za modulacije konstantne amplitude, pojačavač

ne bi morao biti predimenzionisan jer bismo ga birali po izlaznom naponu koji u ovom slučaju nema velike

varijacije.

•

Takav pojačavač

bi bio efikasniji jer bismo uvek radili u tački u kojoj je koeficijent korisnog dejstva η

maksimalan!

Vm

/Vm max

η

[%]

50%

10


–

varijacije

trenutne

snage

•

Dakle, velike

varijacije

trenutnog

napona

tj. snage

ima

za posledicu

smanjenu efikasnost pojačavača što dovodi do

povećane potrošnje tih pojačavača.

•

Dodatno, to ima negativan uticaj i na cenu pojačavača.

•

Alternativno, mora se smanjiti srednja snaga predajnika, što dovodi do smanjenja dometa za dati protok.


–

varijacije

trenutne

snage

•

Dobar koeficijent korisnog dejstva pojačavača jako je bitan za mobilne terminale (na uplink

smeru), zbog zahteva za malom

potrošnjom i niskom cenom terminala.

•

Na strani bazne stanice, efikasnost pojačavača izlaznog stepena jeste bitna ali u manjoj meri nego za slučaj terminala.

•

Usled toga, velike varijacije izlazne snage manji su problem na downlinku

nego na uplinku.

•

Dakle, zaključak je da su modulacije višeg reda pogodnije za downlink

nego za uplink.

Visoki protok u ograničenom opsegu

Smanjenje veličine ćelije

Diversity

MIMO

Smanjenje šuma

Beamforming

↑+ INS modulacije

višeg reda

bolja efikasnost opsega

kanalsko kodiranje

velike varijacije trenutne snage predajnika

loša efikasnost snage

HvalaHvala

na pana pažžnji!nji!

Documents

Kognitivni radio - University of Belgradetelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_1.pdfdostupan frekvencijski opseg, B. • U cilju detaljnijeg razmatranja kada i na