UNIVERZITET U NIŠU

ELEKTRONSKI FAKULTET

Obrazovni profil: ELEKTROENERGETIKA

Predmet: Telekomunikacije u elektroenergetici

TEMA:

NAPREDNA OBRADA SIGNALA ZA KOMUNIKACIJU KROZ KABLE ZA NAPAJANJE

Student: Begović Petar Profesor: Nikolić Zorica

broj indeksa: 12849

Niš - oktobar 2015.

KRATAK SADRŽAJ

U ovom članku se obrađuje tema tehnike obrade signala u nepovoljnim sredinama pri komunikaciji kroz kabl za napajanje,tj. dalekovoda, kako bi se omoguco pouzdani prenos podataka prilikom velikih brzina preko niskonaponskih distributivnih mreža i umrežavanje računara u kuci ili na poslu. Ustanovljeno je se multicarrier code-division, multiple access, multiuser detection, i turbo decoding, pokazavši svoje granice približivši se kapacitetu DSL i bežičnih komunikacionih sistema, da se lako primenjuju komunikaciji kroz dalekovod.Konkretno , tvrdi se da ove metode mogu uspešno ublažiti uticaj od glavnih problema u PLC kanalima: time-varying channel attenuation, multipath frequency-selective fading, multiple access interference i pozadinskog šuma . Strategije se razmatraju za najnepovoljne izvore šuma, impuls šuma.

UVOD

Povecanje sveprisutnosti Interneta je stvorila brzi rast potražnje za vecim propusnim opsegom u domovima. Trenutno uskopojasni pristup mreži sa optičke mrežne jedinice ili iz centralne kancelarije do kupca, tzv poslednjeg kilometra, je “usko grlo” za internet saobracaj. Veca potražnja za domove/kancelarije dalje iziskuje fleksibilan pristup širokopojasne mreže. Trenutno, između ostalog, postoje dva glavna pristupa velikom brzinom prenosa podataka. Jedan je digitalni prenos preko telefonske linije putem digitalne pretplatničke linije (DSL tehnologija) ili preko kablovske mreže preko kabla i modema (CATV). Drugi je bežični pristup na primeru bežične lokalne petlje (VLL) ili bežične lokalne mreže (bežični LAN). Električni vodovi, koji se mogu naci u suštini u svim zgradama i kucama, pokazuju potencijal kao pogodana i jeftina komunikaciona alternativa. Takođe, u ruralnim područjima gde usluge telefonskih kompanija ili kablovskih kompanija nisu dostupne i gde je radiopokrivenost loša ili veoma skupa kroz satelitski pristup, komunikacija putem dalekovoda može biti jedino izvodljivo rešenje. Što se tiče kucnog umrežavanja, dalekovod je inherentno najatraktivniji posrednik zbog univerzalnog postojanja u domovima, sveprisutnost od medijuma i jednostavnost utikača.U poređenju, telefonska linija/kabl pati od premalo priključnih tačaka, a bežični signal se remeti i meša sa nelicenciranim pojasnim opsezima. Iako je komunikacija preko dalekovoda - Power Line Communications (PLC-a) atraktivna alternativa za širokopojasni Internet pristup za “poslednji kilometar” i za umrežavanje po kucama/kancelarijama, mnoge teškoce i izazovi postoje. Karakteristike dalekovoda koje treba utvrditi su vremensko promenljiva frekvencija, zavisno podešavanje kanala do 60dB, refleksije sa neprekinutih tačaka rezultiraju u višestruko opadanje i raznih vrsta šuma [1, 2]. Prvobitni dizajniran za isporuku električne energije, a ne prenos signala, dalekovod ima manje nego idealne karakteristike kao komunikacijski medij. Razna opterecenja povezana i često isključena sa dalekovoda nasumično menjaju stanje na vec nepredvidljivom vodu. Refleksije su uzrokovane neusklađenosti impedansa na tačkama gde je oprema povezana na mrežu. Za razliku od mnogih drugih komunikacionih kanala, šum na dalekovodu ne može biti opisan aditivnim belim šumom (Gausov šum) - (AWGN) model. Prema [1], pet vrste šuma može se naci na dalekovodima, među kojima je možda najnepovoljniji asinhroni impuls šuma, izazvan prelaskom tranzijenti u mreži. Ovi impulsi imaju trajanja od nekih mikrosekundi do nekoliko milisekundi sa slučajnim pojavama. Spektralna gustina snage (PSD) ove vrste šuma može dostici vrednosti više od 50 dB iznad pozadinskog šuma, a može izazvati “bit” ili “burst” grešake, posebno pri velikim brzinama transmisije podataka.Pored toga, samo niska gustina snage prenosa ce biti moguca za buduce širokopojasne komunikacije preko dalekovoda (PLC), usled strogih propisa za emisije elektromagnetne (EM) kompatibilnosti . Dakle, odnos signal-šum (SNR) na prijemniku može biti veoma nizak ako predajnik je daleko, dok je veliki izvor šuma u blizini. Osim toga, višestruki pristup mešanja signala je još jedan važan izvor degradacije performansi zbog “urođene prirode” višekorisničke komunikacije preko niskog napona (NN) distributivne mreže, sa početkom na stubu ili trafo-stanici i završavajuci se na povezanim rezidencijama, konfiguracija posebnog interesovanja danas za pimenu pretplatničkog pristupa. Mreža topologije je takva da završetak

linije (LT) je instaliran na svakom distributivnom transformatoru, koji služi za povezivanje na široko-prostornu mrežu (WAN), preko vlakana, fiksne bežične ili javne telefonske mreže (PSTN). Mrežni završeci (NTs), kao i korisnički modemi, se nalaze na povezanim rezidencijama i povezani na završetak linije (LT) preko distributivnih kablova u topologiju zvezde ili magistrale. “Downlink” (telekomunikacioni link za signale koji dolaze na Zemlju sa svemirske letelice, satelita ili aviona.) se odnosi na prenos iz završetka linije (LT) do mrežnih završetka (NTs), a “uplink” obrnuto. Da bi se olakšala pouzdana komunikacija velike brzine preko distributivne NN mreže, teži se naprednim tehnikama obrade signala u gore opisanim nepovoljnim sredinama. Poželjno je da se obrada signala realizuje na strani prijemnika, pošto povratni kanal na predajniku nije izvodljiv zbog vremensko promenljive prirode kanala ili nije prikladan za aplikacije koje zahtevaju kratko vreme reakcije. Pored toga, obrada signala na strani predajnika ima ograničenje za emitovanje / grupno adresiranje (npr., domacinstvo / kancelarija) umrežavanje, pošto karakteristike kanala se u velikoj meri razlikuju za različite kablove, prenosne dužine, mrežne strukture i lokacije. Ovaj članak govori o tehnikama obrade signala koji su od interesa u ovom kontekstu.

PROBLEMI I ODGOVARAJUĆE TEHNIKE U ADSL I BEŽIČNIM KOMUNIKACIJAMA

Kao što je rečeno u prethodnom delu, dominantni izvori pogoršanja za komunikaciju kroz dalekovod (PLC)su vremensko promenljiva slabljenja kanala, višestruko selektivno frekvencijsko slabljenje, smetnje pri višestrukom pristupu i šum impulsa. Ovi fenomeni naravno da nas podsecaju na slična oštecenja i na odgovarajuce olakšavajuce tehnike koje se koriste u ADSL i bežičnim komunikacijama. U ovom odeljku opisujemo ove poslednje teme.

Šeme modulacije za višestruko slabljenje kanala

Za uskopojase primene na dalekovodima, single-carrier modulation je usvojena zbog njene jednostavnost, koristeci digitalnu frekvencijsku modulaciju (FSK), kvadratnu faznu modulaciju (KPSK) ili druge metode modulacije [3]. Međutim, u širokopojasnim primenama na kanalima na dalekovodu, ove tehnike su se pokazale neadekvatnim za komunikaciju velike brzine. Glavni problem je selektivno frekvencijsko slabljenje, koji stavlja duboke ureze na odziv frekvencije, čije lokacije variraju od kabla do kabla, s vremena na vreme i od mesta na mesto. Ako opseg signalizacije sadrži takav nepovoljan urez, mogu biti očekivane veoma loše performanse sistema. Drugi problem nastaje pri pokušaju korišcenja ostatka spektra: obično, slabljenje kanala raste sa frekvencijom, a vecina opsega nisu dovoljno ravni da prime visoke stope komunikacije sa uskopojasnom modulacijom. Takodje, signal se lako lokalizuje u frekvenciji i takođe se lako remeti [4]. Slična razmatranja u bežičnim komunikacijama i DSL su dali povoda za dve tehnike za rešenje protiv višestrukog slabljenja i Intersymbol interferencije (ISI): širenje spektra i multicarrier modulacija (MCM). Kao širokopojasni pristup modulacije, tehnike širenja spektra mogu iskoristiti spektralne raznolikost (npr. kroz RAKE prijemnik za direktnu Sequence Spread Spectrum) da se efikasno bore protiv refleksija iščezavanja, što dovodi do njegove široke upotrebe u mobilnim radio komunikacijama. Pored toga, prošireni spektar je dobro poznat po svojoj sposobnosti da suzbija efekte uskopojasnih i drugih vrsti smetnji. Naravno, širi spektar dolazi u nekoliko varijanti: direktne sekvence, frekvencijskog preskakanja, vremenskog preskakanja, cvrkutni (chirp) i hibridnih metoda. Direktna sekvenca (DS) tehnike proširenog spektra imaju sposobnost da ostvare višestruki pristup strukturi jednostavnim načinom i to izborom odgovarajucih sekvenca širenja, to je code-division multiple access (CDMA) i stoga je široko korišcen u praktičnim sistemima komunikacije. Multicarrier modulacija (MCM), prateci Šenonove sugestije za optimalni prenos, postiže najbolje performanse u kanalima sa frequency-selective fading i opširnim ISI [5]. Obrazloženje MCM-a leži u osnovi “podeli i osvoji”: kanal je podeljen na mnoge nezavisne podkanale koji nemaju ISI u frekvencijskom domenu, i snaga i bitovi se adaptivno dodeljuju prema karakteristici

kanala. Prednosti korišcenja MCM za komunikaciju preko frequency-selective fading i ISI kanala obuhvataju optimalnost za prenos podataka, prilagođenost za promenu okruženja, kao i fleksibilnost u upravljanju propusnog opsega. Pored toga demodulacioni i modulacioni procesi imaju veoma nisku složenost kada se primene Fast Fourier transformacija (FFT) i inverzna Fast Fourier transformacija (IFFT). Postoji mnogo različitih naziva za ovu tehniku. U DSL aplikacijama ona se često naziva discrete multitone (DMT), dok je u bežičnim aplikacijama poznatija kao ortogonalno frekvencijsko multipleksiranje (OFDM). Generalno performansa MCM sistema ograničena je potkanalima sa najgorim SNRs u frequency-selective fading kanalima, i adaptivno bitno (bit) učitavanje i raspodela snaga je skoro neophodnost za efikasno funkcionisanje MCM prenosa u praksi. Međutim, ova adaptacija je komplikacija u prenosnom protokolu i ponekad nije odgovarajuca (kao u primeni emitovanja tačka-više tačaka ili vremenski promenljivim mobilnim kanalima). Česti pristup MCM-u preko nepoznatih kanala, poput bežičnih kanala (videti, npr., IEEE 802.11a bežični LAN standard), je da koristite istu raspodelu na svim frekvencijama i koriste napredne obrade signala za poboljšanje performansi na frekvencijama koje su utvrđene na prijemniku. MCM je takođe robustan za uskopojasne smetnje i impulsni šum. Postoji nekoliko pristupa za višestruki pristup koristeci MCM. Jedna takva tehnika je dodeliti različite grupe subcarriers različitim korisnicima. Nedostatak ove šeme je da neki korisnici mogu da se u spektru zaglave u nuli i na taj način ostvariti veoma loše performanse. Ovaj problem može se prevazici frekvencijskim preskakanjem carrier-a, na troškove povecanja složenosti predajnika i prijemnika. Efikasnija šema za višestruki pristup za MCM je da se kombinuju MCM i CDMA i da se formira multicarrier CDMA (MC-CDMA) sistem. Postoji nekoliko oblika MC-CDMA, među kojima cemo se ovde fokusirati na oblik u kome se podaci svakog korisnika prošire nad svim subcarriers kroz jedinstveni kod širenja, sa modulacijom svakog subcarrier jednim čipom [6]. Može se videti da je MC-CDMA frekvencijski domen dvojni od DS-CDMA, koji ce biti dodatno objasniti u sledecem odeljku [7].

NAPREDNA OBRADA SIGNALA NA PRIJEMNIKU

Multiuser detekcija (MUD) je dobro poznata kao efikasna tehnika za suočavanje problema smetnji prilikom višestrukom pristupu (multiple access)[8]. Ona iskorišcava dobro definisanu strukturu višekorisničkih smetnji, koje se razlikuju od ambijentalnog šuma, kako bi se poboljšale performanse sistema. MUD mogu biti primenjene prirodno u CDMA sistemima koji koriste neortogonalne kodove širenje. To takođe može biti upošljeno u bežičnim time-division multiple access (TDMA) ili frequency-division multiple access (FDMA) sistemima sa ciljem poboljšanja efekta neidelanog kanalisanja ili multipath ili za borbu protiv ko-kanalne interferencije iz susednih celija. MUD tehnike uključuju optimalno maksimalne verodostojnosti (ML), zajedničke detekcije i razne pod optimalne linearne i nelinearne metode. Linearne MUD metode, uključujuci nekorelaciju (zero-forcing) MUD-a i minimalnu srednju kvadratnu grešku (MMSE) MUD, su relativno jednostavne i efikasane, ali njihov učinak je ograničen u preoterecenim (više korisnika nego stepeni slobode) sistemima. Nelinearne MUD metode, kao što su povratne odluke (DF) MUD i sukcesivno otkazivanje smetnji (IC) MUD, često obezbeđuje povoljan kompromis između performansi i složenosti. Kodiranje kontrola greške je uobičajen način približavanju kapaciteta komunikacije kanala i jeste osnovni element u dizajnu savremenih digitalnih komunikacionih sistema. Najnoviji trendovi u kodiranju favorizuju paralelno i/ili serijski spojeno kodiranje i tehnike dekodiranja iteracijom verovatnoce mekih-odluka (turbo-stil), koji pokazuju preformanse u granici Shannon sa razumnim složenostima u mnogim slučajevima [9]. Ova tehnika, turbo dekodiranje, je od značajnog interesa za komunikacione aplikacije koji zahtevaju umerene stope grešaka i može da toleriše određenu količinu odlaganja dekodiranja.Kao specifične primene turbo principa, uvođenjem interleaver između kodiranja i modulacije formira se serijski spojeni sistem kodiranja u predajniku i udruženo turbo dekodiranje između višekorisničkog detektora i kanalnog dekodera na prijemniku, gde jedan ima turbo MUD, koji je nedavno privukao mnogo pažnje [10]. Turbo MUD je pokazala svoju granicu kapaciteta približeci se ADSL-u [11] i bežičnim [12] komunikacionim sistemima sa Gausovim šumovima u pozadini.

SUZBIJANJE IMPULSNOG ŠUMA

Kao u komunikaciji kroz dalekovod (PLC), kratkotrajani i jaki impulsni šumovi preko bakarnih parica ili kanala za bežičnu komunikaciju potencijalno mogu biti ograničavajuce oštecenje na performanse u mnogim aplikacijama prenosa podataka velike. Dok su prošireni spektri i MCM inherentno više robustni na ovaj oblik pogoršanja u smislu da imaju viši prag grešaka od single-carrier sistema, efikasna šema kontrola greška i dalje u obavezi da obezbedi pouzdan sistem performanse. Impulsni šum se tipično suzbija sa prenjem ispravljanjem greške (FEC) [12]. Da bi se omogucila ispravka grešaka dugim naletima, preplitanje se može koristiti za proširenje naleta preko mnogi kodnih reči. Primenjena FEC šema može biti efikasnija ako je stanje kanala dostupno na dekoderu. Onda tehniku erasure decodiranja možemo koristiti za ublažavanje uticaja impulsnog šuma. Erasure dekodiranje je prilično lako implementirati za MCM sisteme, gde se pojedini tonovi mogu nulirati bez uticaja na druge tonove [11]. S obzirom na sličnosti između ADSL, bežičnih i PL kanala, tehnike razvijene za prva dva tipa kanala su prirodni kandidati za primenu u komunikaciji kroz dalekovod (PLC). U ovoj studiji mi razmatramo takve primene. Usvajamo DS-CDMA i MCCDMA kao modulacije i metode višestrukog pristupa, na osnovu toga koji su komunikacioni modeli dalekovoda pod razmatranje. Formiranjem serijski spojenih sistema na predajniku kroz uvođenje prepetala između kodiranja i modula modulacije, MUD i turbo dekodiranje se koriste u prijemniku za detekciju podataka i dekodiranje. Neki numerički rezultati su dati da pokazu performanse predloženih tehnika obrade signala u poređenju sa tradicionalnim. Konačno, možemo zaključiti ovaj članak i nastaviti dalje diskuskutovati o zanimljivim obradama signala koje su nastale iz ovog.

MODULI KOMUNIKACIJE NA DALEKOVODIMA

Kako je komunikacija kroz dalekovod još uvek prilično nova oblast, nekoliko standarda je uspostavljeno, posebno za širokopojasne primene. Evropski standard EN 50065 specificira frekvencijski opseg od 3-148.5 kHz za niskonaponsku mrežnu signalizaciju, koja je očigledno nedovoljana za Internet velike brzine.Kao i sa svojim dvojnikom, telefonska parica, velike brzine komunikacije preko dalekovoda zahteva mnogo veci propusni opseg od njihove normalne upotrebe, koji treba da bude dobro odvojen od nižeg frekventnog opsega gde se pruža normalna usluga. Da podrži predviđene usluge kao što su video na zahtev, audio ili video streaming, multimedijske komunikacije sa različitim kvalitetom zahteva održavanja (QoS), i velike brzine pristupa internetu, prenos podataka od 1-10 Mb/s je potrebno, koji mogu da zahtevaju upotrebu od nekoliko desetina megaherca propusnog opsega. Pravilnik FCC, deo 15 ograničava komunikaciju kroz dalekovod (PLC) u AM frekvencijski opseg (535-1705 kHz), razuman opseg frekvencije za širokopojasne aplikacije na dalekovodima bi bio od 2 do 30 MHz, ili čak do 60 MHz, u zavisnosti od prirode specifičnih NN distributivnih mreža i zahtevima potencijalnih usluga. Ali jedno treba imati u vidu, da se slabljenje na dalekovodima značajno povecava sa povecanjem frekvencije. Matematički višestrukturni propagacioni model za transfer funkcije kanala dalekovoda je predložen u [2]:

Ovaj model je zasnovan na fizičkom efektu propagacije signala u mrežama, uključujuci brojne grane i impedanse neusaglašenosti. Osim višestruke propagacije koju prati frequency selective fading, slabljenje signala u tipičnim energetskim kablovima sa povecanjem dužine i frekvencije se uzima u obzir. Glavna prednost ovog modela je relativno mali skup potrebnih parametra. To su: faktor težine gi, dužina di

staze/puta i sa ukupnim brojem staza/puteva NP, i opštih parametara a0, al, i k za slabljenje signala u odnosu na dužinu i frekvenciju. Brzina prostiranja, VP, je konstanta u zavisnosti od materijala izolacije

kabla. Verifikovano je da ovaj model omogucava precizno reprodukovanje ponašanja dalekovodnih kanala i ovde ce se koristiti kao osnova za emulaciju kanala [14].

Na slici 1, simulirani frekventni odgovori kanala četiri korisnika su prikazani, gde zavisnost slabljenja frekvencije i frequency selective fading se može lako videti. Razmotrite direktno sekventni CDMA komunikacioni sistem K korisnika, upošljavajuci normalizovano širenje talasnih oblika S1, ... Sk sa spreading gain N. Korisnik k (za 1 ≤ k ≤ K) prenosi okvir od M nezavisni podjednako verovatnim binarnim faznim pomakom (BPSK), bk (i) ∈ {+1, -1}, 0 ≤ i ≤ M - 1; i simbolne sekvence različitih korisnika se pretpostavlja da su međusobno nezavisne. k-ti korisnički signal xk (t) rasprostire se kroz višestruki kanal sa impulsnim odzivom hk (t), čija je funkcija prenosa Hk (f) u obliku jednačine 1. Signal na prijemniku je superpozicija K korisnika signala plus ambijentalni šum. Obično je zgodno da se radi discrete-time sufficient statistikom, koja je dobijena tako što puštamo primljeni signala r (t) kroz chipmatched filter i zatim samplovanjem na stopu čipa. Za takav asinhroni višekorisnički višekanalni kanal, vektor r koji sadrži dovoljni broj uzoraka treba da se prikupi bez nastanka gubitka informacija, koji se posle neke analiza može izraziti u sažetom obliku,

r = Fb + n, ( 2 )

gde su b i n odgovarajuci podaci i šum vektora, respektivno, a F je matrica koja pikazuje poprečne korelacije između različitih simbola i različitih korisnika.MC - CDMA sistemi su domena frekvencija duala DS - CDMA sistema, u kojima se širinje sprovodi u frekvencijski domen umesto vremenski domen. Efekti frequency-selective kanala se mogu analizirati u frekvencijskom domenu tako sto je skup zamenjen množenjem. Pretpostavimo zarad jednostavnosti da jeukupni propusni opseg podeljen u N podkanala gde je centralna frekvencija svakog podkanala:

gde je kao pre N processing gain, T je simbolni interval, TC je nominalno trajanje čipa , i BT je ukupan propusni opseg. Svaki korisnik preuzima prenosi signal u obliku analognog ka DSCDMA, ali u frekventnom domenu. Pretpostavimo da je podkanalni propusni opseg manji od kanalne koherentnosti tako da svaki podkanal doživljava ravno opadanje frekvencije predstavljeno kao odgovarajuci gain . To jednostavno pokazuje da je primljeni signal u frekvencijskom domenu dat u istoj formi kao i jednačina 2, gde r dobija diskretni spektar u N subcarriers, b i n su opet odgovarajuci podaci i vektor šuma, respektivno, i F prikazuje jedinjenje karakteristike kanala u frekvencijskom domenu. Primljeni signali u DS - CDMA i MC - CDMA mogu se izraziti u istom obliku, prijemnik obrade signala dole opisan može se primeniti na oba sistema. Shodno tome, zbog jednostavnosti, mi cemo ilustrovati samo MC - CDMA sisteme.

TURBO VIŠEKORISNIČKA DETEKCIJA ZA KOMUNIKACIJU KROZ DALEKOVODE

Na slici 2 je prikazan sažeti kodirani višekorisnicki MC-CDMA sistem.

Za svakog korisnika k, l ≤ k ≤ K, informacioni delovi {dk} su prvo kodirani u kodirane bitove sa

standardnim binarno sažetim enkoderom sa stopom kodiranja R. Bitno kodno prepetalo se koristi za dekodiranje šuma na kodiranim bitovima na ulazu kanala dekodera. Prepletani kodni bitovi {Bk} su

prošireni preko N potkanala imapirani da kvadriraju amplitudu modulacije(KAM) signala. Onda konjugat-simetricnog vektora dužine N = 2N je transformisan koristeci IFFT da bi se dobio vektor vremenskog domena. Nakon paralelno-serijskih i digitalno-analognih konverzija, signal k-tog korisnika je xk (t) se prenosi u kanalu, gde je oštecen od aditiva više pristupnih signala i pozadinskog šuma. Na kraju prijemnika, posle analogno-digitalne i serijski-paralelne konverzije, primljeni signal se pretvara nazad u domen frekvencije korišcenjem FFT, gde može biti napisan kao u jednačini 2.

Slika 3 prikazuje strukturu turbo za turbo MUD i dekodiranje.

Sastoji se od iteracije izmedu dve faze: meki metricki kalkulator (demodulacija faza) i meki-ulaz meki-izlaz (SISO) kanal dekodera (faza dekodiranja). Dva faze su razdvojene prepetalom i deprapetalom. Kanalni log-likelihood odnosa (LLR) za prepetani kodirani deo k-tog korisnika se izračunava na sledeci nacin:

gde drugi izraz predstavlja prethodni LLR isporučen iz faze za dekodiranje u prethodnoj iteraciji. Za prvu iteraciju, ovaj termin je podešen na nulu ako pretpostavimo jednako verovatno kodiran bit. Prvi

termin λ1( bk ) , koji označava spoljašnje informacije dobijene od demodulacione faze o bitu bk, onda je rasplepetan i poslat na kanal dekodera jer je to prethodna informacija. Slično tome, SISO kanal dekoder izracunava zadnje delove LLR svakog kodiranog bita i onda isključuje uticaj prethodnog znanja da bi dobio spoljašnje informacije iz faze za dekodiranje o bitu bk kao

gde raspletana verzija verzija bk, alternativno, kodirani bitovi pred prepletanje u sl. 1.Ponovo, ova spoljašnja informacija je isprepletena i vraca se u demodulacionu fazu kao prethodno znanje za sledecu iteraciju. U poslednjoj iteraciji, SISO dekoder takođe izračunava zadnje delove LLRs za

informacione bitove , koji se koriste za pravljenje konačne odluke. U demodulacijonoj fazi, bilo optimalno ML MUD ili podoptimalno MMSE paralelno ukidanje smetnje (PIC) se može koristiti. Mi cemo pokazati kasnije da ove dve šeme postižu iste performanse, zbog turbo obrade.Za SISO dekodiranja, ili optimalni maksimum a posteriori algoritma verovatnoca (MAP) ili podoptimalni Max-log-MAP ili SOVA algoritmi se mogu koristiti. Čitalac se upucuje na [12,15 ] za detalje.

NUMERICKI REZULTATI

U ovom odeljku cemo simulirati višestruki pristup velike brzine komunikacije kroz dalekovod (PLC) sa K = 4 korisnika, sa kojim je predložena obrada signala napredne tehnike testirana i upoređena sa nekim tradicionalnim tehnikama za detekciju. Korisnici su poređani na osnovu svojih udaljenosti od linije raskida, gde je 1. korisnik najbliži. Za svakog korisnika, višestruke višestruki odlučujuci faktori su nezavisne normalizovane kompleksne Gausove slučajne promenljive, i duž staze su ravnomerno raspoređeni u određenom opsegu. Simulirane reakcije frekvencija kanala su prikazane na slici 1.

Prvo, ispitujemo otpornost single-carrier i MC-CDMA sistema do frequency selective

fading i impulsnog šuma. Single-carrier sistem koristi frekvenciju carrier od 3,5 MHz, sa protokom od 0,5 MHz, sa BPSK modulacijom. MC-CDMA sistem zauzima od 2 do 16 MHz sa N = 28 podkanala, gde su centralne frekvencije (MHz) koje su date od strane fn = 2 + 0.5 (n - 1), 1 = n = 28. Za svaki podkanal, BPSK modulacija se koristi za jednostavnost. Radi lakšeg poređenja, pretpostavljamo da je sistem kodiran za jednog korisnika. Korisnik od interesa je korisnik 1. Da simulira uticaj impulsa šuma, usvojimo najcešce korišcen two-term Gaussian mixture kao što je predloženo u [16, 17]. Funkcija gustine verovatnoce ovog modela šuma ima oblik (1 - ) N (0, s) + N (0,k s) sa s> 0, 0 ≤ ≤ 1, i k ≥ 1.Ovde, N (0, s) izraz predstavlja nominalni pozadinski šum (Gausova sa nultom srednjom vrednošcu i varijanse s), i N (0, ks) termin predstavlja impuls komponenta (Gausova sa nultom srednjom vrednošcu i varijanse s), sa predstavlja verovatnocu da impulsi pojave. U našoj simulaciji biramo = 0.01, što znaci da se impulsi javljaju sa 1 posto poremecaja odnosa [1]. Prema posmatranju u [1], kada dođe impuls, šum PSD je obojen i opšti nivo snage se podiže. Obično spektralna snaga impulsa šuma je koncentrovana u konkretnim frekvencijama opsega, zbog oscilatornog ponašanja impulsa šuma. U našoj simulaciji, povecavamo šum PSD do 20 dB višim za frekvenciju opsega 3-6 MHz kada se javlja impuls, i postavljamo širinu impulsa da bude 100 µs, to traje 50 simbola intervala.

Sa sl. 4, vidimo da sa Gausovom pozadinskom bukom, MC - CDMA nudi gotovo 10dB dobitak preko jedinstvenog sistema nosača na stopu bit-error (BER) od 10-6. Mi smo normalizovali prenose snaga paralelnih podkanala od MC-CDMA sistema, tako da su odnosi za isti Eb/N0 . Sa sl. 3 mi vidimo da je išcezavanje ureza u opsegu od 3.5 MHz za korisnika 1, što dovodi do siromašne performanse single-carrier sistema, dok inherentna spektralna raznolikost MC-CDMA sistema značajno poboljšava sistemske performanse. MC-CDMA sistem je takode više podležan uticaju impulsnog šuma, kao što možemo videti sa sl. 4, iz istih razloga. Osim toga, za MC-CDMA sistem, inficirani tonovi se mogu lako anulirati, rezultirajuci gotovo bez gubitka u performansama sistema u prisustvu impulsnog šuma. Glavni izazov od tone zeroing je u pronalaženju praktičnih metoda dobijanja prilično pouzdane informacije o stanju kanala. Može se tvrditi da sistem single-carrier može izabrati povoljan opseg za komunikaciju podataka, ali to ce dodati složenošcu predajnika i protokola, pa čak može i nije moguce zbog prirode brzih vremenskih promenljiva u dalekovodima.

Na slici. 5, naše predloženi turbo višekorisnički detektori su testirani sa kodiranom višekorisničkim MCCDMA sistemima kao što je prikazano na sl. 2, sa Gausovom pozadinskom bukom.

Stopa 1/2 sažetog koda sa ograničenošcu dužine 5 i generatora polinoma [23, 35] 8 se koristi za kodiranje kanala.

Broj informacionih bita u bloku po korisniku je postavljen kao 996. Svaki korisnik koristi drugačiji slučajno prepetalo dužine 2000 za prepletanje i rasplepetanje. Radi jednostavnosti, spreading gain podešena kao N = 8, i podkanali su {2, 3.5, 5, 6.5, 8, 9,5, 11.. 12.5} MHz. Kod širenja broj za svakog korisnika je nezavisno i nasumično generisan. Odgovori kanala za četiri korisnika su dati u slici. 1. Korisnik od interesa je korisnik 4, najslabiji.Postoji šest detektora od interesa u sl. 5. IC-MUD + MAP i ML-MUD + MAP su naši predloženi turbo višekorisnički prijemnici, sa MMSE paralelno otkazivanje smetnje ili maksimum verovatnoce demodulacije faze, respektivno, a MAP dekodiranje faza. IC-MUD + VA i MLMUD + VA su njihove “kolege” neiterativne: posle MUD, teške odluke se donose na kodirane bitove; onda Viterbijev algoritam (VA) se koristi za dekodiranje. Takode, prikazan na slici je tradicionalni metod detekcije, SUD + VA, koji ignoriše smetnje višestrukog pristupa i koristi klasične single carrier detektore (SUD), zatim od strane VA, i single carrier bound, koji ne preuzima nikakvu smetnje višestrukog pristupa. Sa sl. 5 vidimo da postoji značajni jaz između performansi tradicionalnog single carrier detektora i single carrier bound. Optimalni ML MUD značajno sužava ovaj jaz do 3 dB na BER od 10-6, ali pati od

složenosti eksponencijalnog rasta sa brojem korisnika. Podoptimalni metod otkazivanja smetnje, iako dobar kompromis izmeđđu performansi i složenosti, trpi dodatni 7 dB gubitka. Oba naša predložena turbo višekorisnička prijemnika, po preformansima prilaze single carrier bound. Važno je napomenuti da IC-MUD + MAP postiže odličan performans sa razumnom računarskom složenošcu, što ga čini veoma privlačnim za praktične sisteme. Kada se ista postavka impulsa šuma koristi u sl. 4, performanse ICMUD + MAP propadaju za oko 5 dB na BER od 10-6 , koji se lako vracaju pomocu tone zeroing ili erasure dekodiranjem, kao što se vidi na sl. 6.

ZAKLJUČCI I RASPRAVE

U ovom članku napredne tehnike obrade signala prethodno razvijene za ADSL i bežicne komunikacije se primenjuju na velike brzine komunikacije dalekovodom i postižu zadovoljavajuce rezultate u njemu. Da budemo precizni, kodirani MC-CDMA sistemi su iskorišceni za prenos podataka, dekodiranje, višekorisničku detekciju i detekciju podataka. Predloženi komunikacioni sistemi postižu očiglednu prednosti nad single-carrier sistemima u odnosu na time-varying channel attenuation, multipath frequency selective fading i impulsni šum. Predloženi turbo višekorisnički prijemnici efikasno ublažavaju smetnje višestrukog pristupa i pristupaju single user bound. Štetni efekti impulsnog šuma predloženoj šemi se otklanjaju kroz erasure tehnike dekodiranje. Iako smo usvojili identične šeme prenosa za sve subcarriers na MCM sistemima u našoj studiji, iz razloga datih ranije, adaptivna tehnike prenosa su takođe od velikog interesa u praksi. Za odgovarajuce okruženje i aplikacije, prilagođavanje stopa kodiranja, snaga, ili konstelacija veličina u različitim uslovima podkanala predviđeno je da značajno poboljšavaju sistemske performanse. Takođe je navedeno da je predloženi turbo višekorisnički prijemnici mogu i dalje da se ispostavi kao previše složeni za neke aplikacije. Na primer, ako neki dalekovodi pokazuju sasvim dobre uslove (recimo, kratko rastojanje veza sa nekoliko grana), podoptimalni ili čak tradicionalni prijemnik može biti dovoljan sa jednostavnijom strukturom i nižom cenom. Namera ove studije je da pokaže kako napredne obrade signala potencijalno mogu poboljšati kvalitet komunikacije za takav “neprijateljski” kanal. U ovoj studiji, mi smo pretpostavili da prijemnik ima znanje o kanalu. U praksi je međutim potrebna kanalna identifikacija i procene efekta kanala grešaka treba uzeti u obzir. Problem otkrivanja pozicije impulsa takođe zaslužuje dalje proučavanje (za svrhe erasure dekodiranja), kako u vremenu tako i frekvenciji. Kao završni komentar napominjemo da, pored tehnike erasure dekodiranja razmatrane u ovom članku, postoji još jedna efikasana šema za borbu protiv impulsnog šuma u vezi sa MUD, na osnovu metoda M-procena za robustne regresije. Za beli Gausov šum, maksimalna detekcija verovatnoca je isti kao najmanjih kvadrata (LS) regresija. Poznato je iz klasičnih radova Tukey-a da najmanje procene kvadrata su veoma osetljive na rep ponašanja verovatnoce gustina merenja grešaka (predstavljeni ovde šumom aditiva). Njegov učinak značajno zavisi od Gausovog pretpostavljajuci, pa čak i blago odstupanje od šuma gustina od Gausove raspodele može, u principu prouzrokovati znatnu degradaciju LS proceni. Procena LS može biti više robustna pomocu klase M-procenitelja predloženih od Huber-a. Citalac se upucuje na primenu ove tehnike da uzdruženo savlada impulsne šumove i smetnje prilikom višestrukog pristupa u ADSL i bežičnim komunikacijama.