Εξομοίωση και μελέτη του φυσικού επιπέδου του 4G συστήματος LTE ΚΑΡΥΠΙΔΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ (ΑΜ:T02939)

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Εξομοίωση και μελέτη του φυσικού επιπέδου του 4G συστήματος LTE ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΡΥΠΙΔΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ (ΑΜ:T02939) Επιβλέπων: <Χαϊκάλης Κωνσταντίνος, Δρ, Καθηγητές Εφαρμογών> ΛΑΡΙΣΑ 2015

2

3 «Εγώ ο/η Καρυπίδης Βασίλειος, δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία με τίτλο Εξομοίωση και μελέτη του φυσικού επιπέδου του 4g συστήματος LTE είναι δική μου και βεβαιώνω ότι: Σε όσες περιπτώσεις έχω συμβουλευτεί δημοσιευμένη εργασία τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Σε όσες περιπτώσεις μεταφέρω λόγια τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Με εξαίρεση τέτοιες περιπτώσεις, το υπόλοιπο κείμενο της πτυχιακής αποτελεί δική μου δουλειά. Αναφέρω ρητά όλες τις πηγές βοήθειας που χρησιμοποίησα. Σε περιπτώσεις που τμήματα της παρούσας πτυχιακής έγιναν από κοινού με τρίτους, αναφέρω ρητά ποια είναι η δική μου συνεισφορά και ποια των τρίτων. Γνωρίζω πως η λογοκλοπή αποτελεί σοβαρότατο παράπτωμα και είμαι ενήμερος(-η) για την επέλευση των νομίμων συνεπειών» < Υπογραφή > < Ονοματεπώνυμο > -3-

4 Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή Τόπος: Ημερομηνία: ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

5 Περίληψη Τα συστήματα ΜΙΜΟ (Multiple Input Multiple Output) είναι ένα πεδίο των ψηφιακών ασύρματων επικοινωνιών το οποίο πρόσφατα άρχισε να αναπτύσσεται. Με την ενσωμάτωση ΜΙΜΟ συστημάτων στις ασύρματες ζεύξεις επιτυγχάνεται η βελτίωση της απόδοσης της ζεύξης σε σύγκριση με τα SISO (Single Input Single Output) κανάλια, μέσω της μείωσης του ποσοστού λανθασμένων συμβόλων. H βασική ιδέα των συστημάτων αυτών συνίσταται στην τοποθέτηση πολλαπλών κεραιών στα δυο άκρα του ασύρματου συνδέσμου, ώστε να δημιουργηθούν πολλαπλά ανεξάρτητα μονοπάτια μεταξύ πομπού και δέκτη. Δίκτυα τα οποία κάνουν χρήση ΜΙΜΟ τεχνικών, δίνουν τη δυνατότητα μετάδοσης με υψηλές ταχύτητες αλλά είναι εξαιρετικά ευάλωτα στα φαινόμενα διάδοσης του ασύρματου καναλιού. Η τεχνική Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) καταφέρνει να αντιμετωπίζει επιτυχώς μέρος των προβλημάτων που δημιουργούνται από το κανάλι όπως η δια-συμβολική παρεμβολή. Έτσι, η ενσωμάτωση σε MIMO συστήματα της OFDM τεχνικής αποτελεί την πλέον αποδοτική λύση για τα ασύρματα δίκτυα του κοντινού μέλλοντος. Αυτός είναι και ο λόγος που έχουν υιοθετηθεί από τα πρότυπα της 3GPP στο LTE και της ITU στο ΙΜΤ-Advanced. Στην παρούσα πτυχιακή εργασία μελετήθηκε ένα ολοκληρωμένο τηλεπικοινωνιακό σύστημα με βάση το πρότυπο του LTE και προσομοιώθηκε στο προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab. Αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή στα συστήματα κινητών επικοινωνιών. Έπειτα αναλύεται θεωρητικά η τεχνική OFDM ώστε να καταδειχθεί πώς η τεχνική αυτή καταστέλλει το φαινόμενο της πολυόδης διάδοσης. Ακολουθεί η θεωρητική προσέγγιση των συστημάτων MIMO ώστε να κατανοηθεί η λειτουργία τους. Στη συνέχεια, γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του προτύπου LTE και των απαιτήσεων αυτού. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του συστήματος που μελετήθηκε. -5-

6 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου Κ. Κωνσταντίνο Χαϊκάλη για τις πολύτιμες γνώσεις που μου χάρισε και για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα και για την ουσιαστική του βοήθεια και στήριξη για την περάτωση της εργασίας αυτής. Τέλος θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στους γονείς μου που όλα αυτά τα χρόνια μου συμπαραστέκονται ηθικά και οικονομικά για να εργαστώ και να αποκτήσω το πτυχίο μου. ΚΑΡΥΠΙΔΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ 22/5/

7 Πίνακας περιεχομένων ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Η 1η Γενιά Κινητών Δικτύων Η 2η Γενιά Κινητών Δικτύων Η Γενιά 2,5 Κινητών Δικτύων Η 3η Γενιά Κινητών Δικτύων Η Γενιά 3,5 Κινητών Δικτύων GPP Long Term Evolution ΨΗΦΙΑΚΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΠΛΟΚ ΚΩΔΙΚΕΣ (BLOCK CODES) Κώδικας Hamming ΣΥΝΕΛΙΚΤΙΚΟΙ ΚΩΔΙΚΕΣ (CONVOLUTIONAL CODES) Αναπαράσταση Καταστάσεων και Διάγραμμα Καταστάσεων (State Diagram) Διάγραμμα Trellis (Trellis Diagram) ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ VITERBI ΑΥΣΤΗΡΕΣ ΚΑΙ ΧΑΛΑΡΕΣ ΑΠΟΦΑΣΕΙΣ (HARD SOFT DECISIONS) ΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΜΙΚΤΗΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ (INTERLEAVING) ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΠΛΕΞΗΣ ΜΕ ΔΙΑΙΡΕΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ (OFDM) ΓΕΝΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΦΕΡΟΝΤΩΝ ΟΡΘΟΓΩΝΙΚΟΤΗΤΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ OFDM ΜΕ FDM OFDM ΣΥΜΒΟΛΟ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΣΕΙΡΙΑΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΕ ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ

8 3.7 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΠΟ ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΙΚΟΥ ΠΡΟΘΕΜΑΤΟΣ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ OFDM ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ MIMO ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ-ΛΗΨΗΣ SISO SIMO MISO Σχήμα 2 x 1 με γνώση του καναλιού από τον πομπό MIMO ΧΩΡΟΧΡΟΝΙΚΗ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ (STCODING) Σχήμα Alamouti Κωδικοποίηση και Μετάδοση Λήψη των Σημάτων στο Δέκτη Συνδυασμός των Λαμβανόμενων Σημάτων (Combiner) Κανόνας Απόφασης Μέγιστης Πιθανοφάνειας ΧΩΡΟΣΥΧΝΟΤΙΚΗ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ(SF CODING) ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ MIMO Η έννοια της διαφορισιμότητας - Χωρική, χρονική και συχνοτική διαφορισιμότητα Χωρική Πολυπλεξία Ο ΑΣΥΡΜΑΤΟΣ ΔΙΑΥΛΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ-ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΚΙΑΣΗΣ ΔΙΑΛΕΙΨΕΙΣ ΜΙΚΡΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ-ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ ΘΟΡΥΒΟΣ

9 5.6 ΚΑΝΑΛΙ ΜΙΜΟ LTE STANDARD ΓΕΝΙΚΑ LTE PHYSICAL LAYER Γενική Δομή Πλαισίων Downlink Uplink LTE ADVANCED ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΤΟ MATLAB ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 1 Εισαγωγή 1.1 Ιστορική αναδρομή Το πρώτο ασύρματο σύστημα μετάδοσης, ο τηλέγραφος, υλοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1897 από τον Marconi ο οποίος βασίστηκε στην θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell. Ο τηλέγραφος χρησιμοποιήθηκε για την επικοινωνία των πλοίων με την ακτή και με την πάροδο του χρόνου ο Marconi κατάφερε να μεταδώσει ασύρματα με τον εξελιγμένο πια τηλέγραφό του σε αποστάσεις αρκετών χιλιομέτρων[11]. Μέχρι το 1934 είχαν εγκατασταθεί αρκετά κινητά συστήματα επικοινωνίας στις ΗΠΑ από την αστυνομία της πόλης για την κάλυψη των αναγκών της τα οποία χρησιμοποιούσανε διαμόρφωση πλάτους (Amplitude Modulation - AM). Η παρουσίαση το 1935 της διαμόρφωσης συχνότητας (frequency modulation-fm) από τον Edwin Armstrong έδωσε νέα ώθηση στα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας. Στα τέλη της δεκαετίας του '30 η FM διαμόρφωση γίνεται η κύρια τεχνική διαμόρφωσης στα κινητά συστήματα επικοινωνίας στον κόσμο. Με τη χρήση της διαμόρφωσης FM το 1946 πραγματοποιούνται οι πρώτες μεταδόσεις και χρησιμοποιήθηκαν κανάλια φωνής εύρους 120 khz σε μορφή ημι-αμφίδρομη. Καθώς η ζήτηση για δημόσιες υπηρεσίες ασύρματων επικοινωνιών άρχισε να αυξάνεται η AT&T Bell Laboratories υλοποίησε το Improved Mobile Telephone Service (IMTS). Το IMTS ήταν το πρώτο σύστημα κινητών επικοινωνιών το οποίο συνδεόταν με το δίκτυο δημόσιας τηλεφωνίας και χρησιμοποιούσε πλήρως αμφίδρομες ζεύξεις (full duplex). Παρόλα αυτά, η χρήση πλήρως αμφίδρομων ζεύξεων σε συνδυασμό με το συνεχώς αυξανόμενο πλήθος χρηστών απαιτούσε μεγάλο εύρος ζώνης. Τη λύση στο συγκεκριμένο πρόβλημα έφεραν τα AT&T Bell Laboratories στις δεκαετίες του 1960 και 1970 όπου εισήγαγαν την έννοια του κυψελοειδούς. Η βασική ιδέα των κυψελωτών συστημάτων είναι η διαίρεση της περιοχής την οποία εξυπηρετεί ένα σύστημα σε μικρότερες κυψέλες κάθε μία από τις οποίες επαναχρησιμοποιεί διαύλους, ώστε να αυξηθεί η χωρητικότητα του συστήματος. Έτσι, άρχισαν να δημιουργούνται τα πρώτα κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών.[16] -10-

11 1.1.1 Η 1η Γενιά Κινητών Δικτύων Η πρώτη γενιά κινητών δικτύων χρησιμοποιούσε τεχνικές αναλογικής μετάδοσης για την κίνηση η οποία ήταν αποκλειστικά φωνή. Βασικά χαρακτηριστικά τους είναι η διαμόρφωση FM και η τεχνική Frequency Division Duplexing για την αμφιδρόμηση των καναλιών. Παρουσίαζαν σημαντικά μειονεκτήματα όπως η υποτυπώδης και προβληματική υποστήριξη της κινητικότητας των χρηστών, η χαμηλή χωρητικότητα, το υψηλό κόστος των τερματικών και της υποδομής των δικτύων και η ασυμβατότητα μεταξύ των διαφόρων αναλογικών δικτύων. Δεν υπήρξε κάποιο πρότυπο που να επικράτησε, αντίθετα υπήρξαν αρκετά πρότυπα όπως το Nordic Mobile Telephone (NMT), το Total Access Communication System (TACS) και το Advanced Mobile Phone Service (AMPS). Τα δύο πρώτα πρότυπα είχαν μία σχετική επιτυχία στις ευρωπαϊκές χώρες, ενώ το τρίτο ήταν το πιο διαδεδομένο στις Η.Π.Α. [16] Η 2η Γενιά Κινητών Δικτύων Η δεύτερη γενιά (2G) κινητών δικτύων επικοινωνιών χρησιμοποιεί ψηφιακή μετάδοση της κίνησης. Αυτή είναι και η κύρια διαφοροποίηση μεταξύ των κινητών συστημάτων πρώτης και δεύτερης γενιάς: ο διαχωρισμός αναλογικού - ψηφιακού. Τα δίκτυα δεύτερης γενιάς έχουν πολύ ευρύτερες δυνατότητες από αυτά της πρώτης γενιάς. Ένα κανάλι συχνοτήτων διαιρείται και μπορεί να χρησιμοποιηθεί από διαφορετικούς χρήστες (είτε με διαίρεση χρόνου είτε με διαίρεση κώδικα). Επιπλέον χρησιμοποιούνται ιεραρχικές δομές κυψελών, για την ακρίβεια η περιοχή κάλυψης διαιρείται σε macrocells (κυψέλες μεγάλης έκτασης), microcells (κυψέλες μικρής έκτασης) και picocells (κυψέλες περιορισμένης έκτασης κυρίως σε μεγάλα αστικά κέντρα), με αποτέλεσμα την περαιτέρω αύξηση των δυνατοτήτων των δικτύων. Υπάρχουν τέσσερα κύρια πρότυπα για τα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς: το Global System for Mobile (GSM) communications, το Digital AMPS (D-AMPS), το Code Division Multiple Access (CDMA) IS-95 καθώς και το Personal Digital Cellular (PDC). Στην Ευρώπη υλοποιήθηκε το σύστημα GSM και λειτούργησε στις συχνότητες / MHz. Σήμερα καλύπτει το 59% της αγοράς με 400 εκ. χρήστες. Υποστηρίζει τόσο υπηρεσίες φωνής με ταχύτητες της τάξης των 13 kbps όσο και -11-

12 δεδομένων 9,6 kbps. Στηρίζεται σε TDMA τεχνική, και χρησιμοποιεί την τεχνική ψηφιακής διαμόρφωσης GMSK με τελική ταχύτητα μετάδοσης τα 270,8 kbps. Στις ΗΠΑ αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικά συστήματα 2ης γενιάς, το IS-54 και το IS-95, τα οποία και σχεδιάστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι συμβατά με κυψελωτό σύστημα πρώτης γενιάς των ΗΠΑ το AMPS. Το IS-54 λειτουργεί στις ίδιες συχνότητες με το AMPS και είναι ικανό για ψηφιακή σηματοδοσία βασισμένη στο TDMA. Αργότερα υιοθετήθηκε το σύστημα IS-95, το οποίο βασίζεται στη τεχνική CDMA. Οι συχνότητες λειτουργίας του IS-95 είναι ίδιες με αυτές του AMPS και IS-54, αλλά έχουν αποδοθεί και επιπλέον συχνότητες στην περιοχή 1,5-2 GHz. Στην Ιαπωνία αναπτύχθηκε το 1989 το Personal Digital Cellular (PDC) το οποίο και στηρίχθηκε στις αρχές του IS-54. Το PDC χρησιμοποιεί την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης TDMA. [16] Η Γενιά 2,5 Κινητών Δικτύων Με τον όρο «γενιά 2,5 ή 2.5G» αναφερόμαστε στο ευρύτερο σύνολο των αναβαθμίσεων που έγιναν πάνω στα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς. Πολλές από αυτές τις αναβαθμίσεις παρέχουν σχεδόν τις ίδιες δυνατότητες με αυτές των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς. Παρόλο που η διαχωριστική γραμμή μεταξύ των κινητών δικτύων δεύτερης γενιάς και αυτών της γενιάς 2,5 είναι λεπτή, υπάρχουν ορισμένες τεχνολογίες οι οποίες χαρακτηρίζουν τη γενιά 2,5. Αυτές οι τεχνολογίες είναι: η High-Speed Circuit-Switched Data (HSCSD), η General Packet Radio Services (GPRS) και η Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE) [13]. Το μεγαλύτερο πρόβλημα που παρουσίασαν οι αρχικές μορφές του GSM ήταν οι χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης στον αέρα που περιορίζονταν στα 9,6 Kbps. Αργότερα, τέθηκαν οι προδιαγραφές για τα 14,4 Kbps παρόλο που δε χρησιμοποιήθηκαν ευρέως. Η λύση που προτάθηκε ήταν η τεχνολογία HSCSD. Μέσω αυτής της τεχνολογίας ένας χρήστης μπορεί να χρησιμοποιεί, αντί μίας, περισσότερων χρόνο-σχισμών (timeslots) για μία σύνδεση μεταφοράς δεδομένων. Συνεπώς, ο ρυθμός μετάδοσης για αυτόν το χρήστη είναι το γινόμενο των χρόνο-σχισμών επί το ρυθμό μετάδοσης για μία χρόνο-σχισμή. Η υλοποίηση της συγκεκριμένης τεχνολογίας είναι σχετικά απλή και φθηνή. Πρόσθετο λογισμικό χρειάζεται να υλοποιηθεί στα κέντρα καθώς και καινούριες φορητές συσκευές που θα υποστηρίζουν την τεχνολογία HSCSD. Το βασικότερο μειονέκτημα ήταν η χρήση μεταγωγής κυκλώματος. Αυτός ο τρόπος -12-

13 μεταγωγής είχε ως αποτέλεσμα τη σπατάλη πόρων του δικτύου αφού οι χρόνο-σχισμές δεσμεύονταν ακόμα και όταν η χωρητικότητά τους δεν χρησιμοποιούνταν. Η επόμενη λύση που προτάθηκε ήταν η τεχνολογία GPRS. Με αυτήν την τεχνολογία μπορούν να επιτευχθούν ρυθμοί μετάδοσης των 115 Kbps ή και ακόμα μεγαλύτεροι αν αγνοηθεί η διόρθωση σφαλμάτων. Αυτό που έχει μεγάλη σημασία είναι ότι η τεχνολογία GPRS χρησιμοποιεί τεχνολογία μεταγωγής πακέτου. Επομένως, δεσμεύει τους πόρους του δικτύου μόνο όταν υπάρχει ανάγκη για αποστολή/λήψη δεδομένων. Η υλοποίηση του GPRS είναι αρκετά πιο ακριβή από αυτή του HSCSD. Επίσης, το HSCSD συμπεριφέρεται με μεγαλύτερη συνέπεια σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Παρόλα αυτά, η τεχνολογία GPRS προσφέρει πολύ μεγαλύτερες δυνατότητες για την αποστολή δεδομένων μέσω των κινητών δικτύων. Είναι σίγουρο πλέον πως η αύξηση της κίνησης δεδομένων στα κινητά δίκτυα, καθιστά την GPRS τεχνολογία αναπόσπαστο στοιχείο ενός συστήματος κινητής τηλεφωνίας. Τέλος, η τρίτη και τελευταία βελτίωση του GSM προκειμένου να εξελιχθεί σε ένα δίκτυο γενιάς 2,5 είναι η EDGE. Η βασική ιδέα πίσω από το EDGE είναι μία τεχνική διαμόρφωσης που ονομάζεται Eight-Phase Shift Keying (8-PSK) [38]. Αυτή η τεχνική επηρεάζει μόνο το λογισμικό των σταθμών βάσης και προσφέρει έως και τριπλάσιο ρυθμό μετάδοσης από το βασικό ρυθμό μετάδοσης του GSM. Επιπλέον, μπορεί να συνυπάρξει με την τεχνική διαμόρφωσης Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) η οποία χρησιμοποιείται στη βασική μορφή του GSM. [16] Η 3η Γενιά Κινητών Δικτύων H 3 η γενιά κινητών δικτύων παρουσίασε την τεχνολογία Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) η οποία ήρθε να συμπληρώσει, να βελτιώσει και να επεκτείνει τις δυνατότητες επικοινωνίας των συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας. Άλλα συστήματα τρίτης γενιάς, είναι το WCDMA, το multicarrier-cdma ή cdma2000 και το EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Λόγω των ζωνών συχνοτήτων που είχαν καταλάβει τα συστήματα δεύτερης γενιάς σε κάθε περιοχή, αποδόθηκαν διαφορετικές συχνότητες σε κάθε περιοχή για τα συστήματα τρίτης γενιάς. Ο βασικός στόχος της ανάπτυξης των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς είναι η παροχή των κινητών υπηρεσιών «οπουδήποτε» και «κάθε στιγμή». Αυτό σημαίνει ότι ένας χρήστης δικτύων κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς μπορεί να μετακινείται οπουδήποτε και να εξυπηρετείται ακόμα και σε περιοχές όπου δεν υπάρχει κάλυψη από συστήματα -13-

14 τρίτης γενιάς αλλά υπάρχουν άλλου είδους ασύρματα δίκτυα. Για την ακρίβεια, ο χρήστης θα μπορεί να εξυπηρετείται από οικιακά ασύρματα συστήματα, από άλλα κυψελωτά κινητά δίκτυα καθώς και από δορυφορικά δίκτυα. Μερικές από τις βασικές απαιτήσεις που τίθενται από τα τρίτης γενιάς συστήματα είναι: Ρυθμοί μετάδοσης μέχρι και 2 Μbps Μεταβαλλόμενος ρυθμός μετάδοσης για δυνατότητα προσφοράς εύρους ζώνης κατά απαίτηση Συνύπαρξη 2ης και 3ης γενιάς συστημάτων Μεγάλη φασματική απόδοση Συνύπαρξη FDD και TDD συστημάτων Η Εικόνα 1 δείχνει σχηματικά την εξέλιξη των προτύπων για τα κυψελωτά κινητά δίκτυα μέχρι τρίτη γενιά. [16] Εικόνα 1:Η εξέλιξη των προτύπων για τα κυψελωτά κινητά δίκτυα έως το 3G Η Γενιά 3,5 Κινητών Δικτύων Η αδήριτη ανάγκη για ευρυζωνικές ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων. Με τον όρο «γενιά 3,5» αναφερόμαστε στη νέα γενιά κινητών δικτύων τα οποία εκτός από την τεχνολογία WCDMA έχουν ενσωματώσει την τεχνολογία High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). Η HSDPA αποτελεί μία νέα τεχνολογία η οποία σχεδιάστηκε προκειμένου να αυξήσει το εύρος ζώνης στους κινητούς χρήστες, να παρέχει αυξημένη χωρητικότητα για τους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους καθώς και υπηρεσίες και εφαρμογές αυξημένης διαδραστικότητας. Το -14-

15 γεγονός αυτό θεωρήθηκε απαραίτητο καθώς, στην πράξη, οι μέγιστοι ρυθμοί μετάδοσης για τα κινητά δίκτυα τρίτης γενιάς αποδείχθηκαν χαμηλοί για πολυμεσικές εφαρμογές. Η βασική ιδέα του HSDPA είναι η προσθήκη ενός νέου τύπου ευρυζωνικού καναλιού το οποίο θα είναι βελτιστοποιημένο για πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης GPP Long Term Evolution Παρά το γεγονός ότι οι παραπάνω τεχνολογίες αναμένονται να προσφέρουν τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3GPP ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται 3GPP Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. H φάση προτυποποίησης του LTE βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη και αποτελεί μέρος της έκδοσης 8 (Release 8) του 3GPP standard, του οποίου η αναλυτική περιγραφή θα γίνει σε επόμενο κεφάλαιο. Επίσης, πρέπει να αναφερθεί ότι το «αντίπαλο» πρότυπο που ανταγωνίζεται το LTE είναι το Mobile WiMAX. Συγκεντρωτικά, η χρονολογική εξέλιξη των 3GPP κυψελωτών προτύπων, ξεκινώντας από τα κινητά δίκτυα 3G έως και τα αντίστοιχα δίκτυα επόμενης γενιάς LTE, απεικονίζεται στην Εικόνα 2. Το πρότυπο 3G/UMTS υιοθετήθηκε αρχικά στην 3GPP Release '99 έκδοση, στην Release 5 πραγματοποιήθηκε η εισαγωγή του HSDPA, στην Release 6 η εισαγωγή του HSUPA, ενώ μέσω της Release 7 φθάνουμε στο LTE που περιγράφεται και αναλύεται στην Release 8 και 9 του 3GPP. -15-

16 Εικόνα 2:Χρονολογική εξέλιξη κινητών δικτύων επόμενης γενιάς από το 3G έως το LTE [10]. 1.2 Ψηφιακά Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Το θεμελιώδες πρόβλημα των επικοινωνιών είναι η αξιόπιστη αναπαραγωγή από ένα σημείο (είτε στο χώρο είτε στο χρόνο) σε ένα άλλο σημείο ενός μηνύματος πληροφορίας. Η μετάδοση πληροφοριών από την πηγή ως τον προορισμό πρέπει να πραγματοποιείται με τέτοιο τρόπο, ώστε η ποιότητα της λαμβανόμενης πληροφορίας να είναι όσο το δυνατόν πλησιέστερη στην ποιότητα της μεταδιδόμενης πληροφορίας. Για να γίνει αυτό εφικτό, η μετάδοση των πληροφοριακών μηνυμάτων γίνεται μέσα από ένα ψηφιακό σύστημα επικοινωνιών το οποίο είναι και πιο ανεκτικό στο θόρυβο από ότι είναι ένα αντίστοιχο αναλογικό. Τα μέρη από τα οποία αποτελείται ένα τυπικό ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα είναι τα εξής: Ψηφιακή πηγή (digital source) Κωδικοποιητής πηγής (source encoder) Κωδικοποιητής διαύλου (channel encoder) Διαμορφωτής (modulator) Δίαυλος (channel) Αποδιαμορφωτής (demodulator) Αποκωδικοποιητής διαύλου(channel decoder) Αποκωδικοποιητής πηγής (source decoder) -16-

17 Αποδέκτες πληροφορίας (digital sink) Η έξοδος της πηγής δεδομένων μπορεί να είναι είτε αναλογικό σήμα, όπως φωνή, εικόνα ή video, είτε ένα ψηφιακό σήμα, δηλαδή μια σειρά από σύμβολα. Σε ένα ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα τα παραγόμενα μηνύματα μετατρέπονται σε ακολουθίες δυαδικών ψηφίων (ή q-αδικών συμβόλων, όπου q=3,4,...,m). Η διαδικασία της αποτελεσματικής μετατροπής της εξόδου της αναλογικής ή ψηφιακής πηγής σε ακολουθία δυαδικών ψηφίων ονομάζεται κωδικοποίηση πηγής. Η ακολουθία των δυαδικών ψηφίων από τον κωδικοποιητή πηγής μεταβιβάζεται στον κωδικοποιητή διαύλου. Σκοπός ύπαρξης του τελευταίου είναι να εισάγει με ελεγχόμενο τρόπο κάποια πλεονάζοντα σύμβολα στην ακολουθία δυαδικής πληροφορίας έτσι ώστε τα δεδομένα να προφυλάσσονται κατά του θορύβου και κάθε άλλου είδους παρεμβολής που δημιουργούνται από τον τηλεπικοινωνιακό δίαυλο και που μπορεί να οδηγήσουν σε παρερμηνεία του μεταδιδόμενου μηνύματος στο στάδιο αποκωδικοποίησης. Οι δυαδικές κωδικές λέξεις μεταβιβάζονται στη συνέχεια στο ψηφιακό διαμορφωτή, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την αλληλεπίδραση με το φυσικό μέσο. Πρωταρχικός σκοπός του ψηφιακού διαμορφωτή είναι η αντιστοίχιση των δυαδικών κωδικών λέξεων σε ηλεκτρικές κυματομορφές, οι οποίες ονομάζονται διαμορφωμένα σήματα. Ο τηλεπικοινωνιακός δίαυλος είναι το φυσικό μέσο το οποίο χρησιμοποιείται για να σταλούν τα διαμορφωμένα σήματα από τον πομπό στο δέκτη. Στις ασύρματες τηλεπικοινωνίες είναι συνήθως η ατμόσφαιρα. Το μεταδιδόμενο σήμα μεταβάλλεται από μια ποικιλία διαφόρων μηχανισμών, όπως ο θερμικός θόρυβος από τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, ο ατμοσφαιρικός θόρυβος και άλλα είδη θορύβου. Εξαιτίας του θορύβου ο τηλεπικοινωνιακός δίαυλος παραμορφώνει το σήμα, πολλές φορές σε τέτοιο βαθμό, ώστε ο δέκτης να μη μπορεί να αναγνωρίσει το μεταδιδόμενο σήμα. Στην είσοδο του δέκτη ο ψηφιακός αποδιαμορφωτής επεξεργάζεται το λαμβανόμενο σήμα και προσπαθεί να αποφασίσει για τις τιμές των μεταδιδόμενων συμβόλων. Στη συνέχεια, ο αποκωδικοποιητής διαύλου προσπαθεί να ανακατασκευάσει την προσαγόμενη ακολουθία δυαδικών λέξεων στην σωστή ακολουθία λέξεων, βάσει της γνώσης που ήδη κατέχει για την χρησιμοποιούμενη τεχνική κωδικοποίησης. Τελικά ο αποκωδικοποιητής πηγής απαλείφει τα πλεονάζοντα δυαδικά ψηφία και παραδίδει τις λέξεις που αποτελούν το αρχικό μήνυμα πληροφορίας στον παραλήπτη ή τελικό χρήστη. [4] -17-

18 Εικόνα 3:Διάγραμμα ψηφιακού τηλεπικοινωνιακού συστήματος -18-

19 2 Κωδικοποίηση 2.1 Εισαγωγή Η θεωρία κωδικοποίησης καναλιού ασχολείται με τη μελέτη μεθόδων για την αποτελεσματική και ορθή μεταφορά των δεδομένων από την πηγή στον προορισμό. Ειδικότερα, η θεωρία κωδικοποίησης καναλιού ασχολείται με το πρόβλημα της ανίχνευσης και της διόρθωσης των σφαλμάτων μετάδοσης που προκαλούνται από τα εγγενή χαρακτηριστικά των επικοινωνιακών καναλιών, όπως ο θόρυβος και οι διαλείψεις, προκαλώντας αλλοίωση των δεδομένων. Σε περίπτωση εμφάνισης σφάλματος στο δέκτη, δύο διαφορετικές τεχνικές μπορούν να εφαρμοστούν για την αντιμετώπισή τους. Η πρώτη τεχνική καλείται Αυτόματη Αίτηση Επανεκπομπής (Automatic Repeat Request, ARQ). Σε ένα τέτοιο σύστημα ο δέκτης εκτελεί ανίχνευση των σφαλμάτων και απλά ζητά από τον πομπό επανεκπομπή των δεδομένων. Η συγκεκριμένη τεχνική συμβάλλει στην αξιοπιστία της λαμβανόμενης πληροφορίας, αν και έχει αυξημένη πολυπλοκότητα αφού απαιτεί την ύπαρξη ενός καναλιού ανάδρασης, το οποίο όμως δεν είναι πάντα διαθέσιμο, καθιστώντας την έτσι μη πρακτική για αρκετές εφαρμογές. Σύμφωνα με τη δεύτερη τεχνική, που ονομάζεται Μπροστινή Διόρθωση Λάθους (Forward Error Correction, FEC), ο δέκτης σε περίπτωση ανίχνευσης σφάλματος προβαίνει και στη διόρθωσή του σύμφωνα με τους κανόνες κωδικοποίησης. Βασική διαφορά των δύο τεχνικών αποτελεί η διόρθωση σφαλμάτων, διαδικασία που συμβαίνει μόνο στη FEC. Η τεχνική FECπεριλαμβάνει δύο μεγάλες κατηγορίες κωδίκων, τους κώδικες δομής (block codes) και τους συνελικτικούς κώδικες (convolutional codes) [3]. 2.2 Μπλοκ Κώδικες (Block Codes) Οι blockκώδικες ομαδοποιούν τη συνεχόμενη ακολουθία των bitsτης πληροφορίας, τα οποία εισέρχονται στον κωδικοποιητή, σε κομμάτια ή block-συμβόλων. Στη συνέχεια, λειτουργούν, ανάλογα με τον κώδικα, πάνω σε αυτά τα blockξεχωριστά. Σε κάθε πιθανό blockπληροφορίας k-συμβόλων αντιστοιχίζεται ένα blockτο οποίο αποτελείται από n κωδικά σύμβολα, όπου n>k. Το αποτέλεσμα, το οποίο από εδώ και -19-

20 στο εξής θα ονομάζεται κωδική λέξη, μεταδίδεται, μεταβάλλεται από τον θόρυβο και αποκωδικοποιείται στον δέκτη ανεξάρτητα από όλες τις άλλες κωδικές λέξεις. Το nονομάζεται μήκος του κώδικα ή αλλιώς block length. Οι πιο γνωστοί αλγεβρικοί κώδικες που χρησιμοποιούνται είναι οι κώδικες Hamming, οι κώδικες Reed-Muller, οι κώδικες Golay, οι κυκλικοί κώδικες BHCκαι οι κυκλικοί μη-δυαδικοί κώδικες Reed-Solomon. Το LTE σύστημα δεν χρησιμοποιεί block κώδικες, επομένως δε γίνεται αναλυτική παρουσίαση στην παρούσα πτυχιακή εργασία. Παρακάτω γίνεται μια αναφορά σε δύο blockκώδικες που θα αναφερθούν σε παρακάτω σχήμα. [2] Κώδικας Hamming Η απόσταση Hamming μεταξύ δύο κωδικό-λέξεων είναι ο αριθμός των συμβόλων στα οποία διαφέρουν. Η ελάχιστη απόσταση (minimum distance) dmin ενός κώδικα είναι η μικρότερη απόσταση Hamming μεταξύ οποιουδήποτε ζεύγους κωδικό-λέξεων του κώδικα και αποτελεί ένα μέτρο προσδιορισμού της ικανότητας διόρθωσης σφαλμάτων του κώδικα. Γενικώς, για έναν κώδικα με ελάχιστη απόσταση dmin μπορούν να εντοπιστούν t σφάλματα όταν ισχύει t<dmin (2.1) Για τη διόρθωση των σφαλμάτων ο αποκωδικοποιητής πρέπει να προσδιορίσει την πιθανότερη ακολουθία μετάδοσης. Συνεπώς, η αποκωδικοποίηση μπορεί να γίνει μόνο βάσει του ληφθέντος διανύσματος, επιλέγοντας την κωδικό-λέξη με την μικρότερη απόσταση Hamming. Όταν υπάρχουν περισσότερες της μιας κωδικό-λέξεις με την ίδια απόσταση Hamming τότε ο αποκωδικοποιητής επιλέγει τυχαία κάποια από αυτές. Ο αποκωδικοποιητής αυτού του είδους ονομάζεται αποκωδικοποιητής μέγιστης πιθανοφάνειας (maximum likelihoodml) διότι είναι βέβαιο πως θα επιστρέψει την πιο πιθανή κωδικό-λέξη. 2.3 Συνελικτικοί Κώδικες (Convolutional Codes) Οι συνελικτικοί κώδικες χρησιμοποιούνται κυρίως σε συστήματα τηλεπικοινωνιών όπως διαστημικές ζεύξεις και ασύρματες επικοινωνίες. Προσφέρουν μια εναλλακτική λύση από τους μπλοκ κώδικες για μετάδοση πάνω σε ένα θορυβώδες κανάλι. Μπορούν -20-

21 να εφαρμοστούν είτε σε ένα συνεχόμενα ρεύμα δεδομένων εισόδου είτε σε μπλοκ δεδομένων. Η υλοποίησή τους είναι σχετικά απλή και μπορεί να γίνει με έναν καταχωρητή ολίσθησης (shift register) και ένα δίκτυο λογικών πυλών αποκλειστικού-ή (XOR) όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Εικόνα 4:Ένας convolutional encoder [6] Ένας συνελικτικός κωδικοποιητής έχει μνήμη, με την έννοια ότι τα σύμβολα εξόδου δεν εξαρτώνται μόνο από τα σύμβολα εισόδου, αλλά και από προηγούμενες καταστάσεις εισροών ή εκροών. Με άλλα λόγια, ο κωδικοποιητής είναι ένα συνεχές κύκλωμα ή μια μηχανή πεπερασμένου αριθμού καταστάσεων. Ένας συνελικτικός κωδικοποιητής με ρυθμό k/n αποτελείται από k καταχωρητές μετάβασης, έναν για κάθε bit εισόδου πληροφορίας και n κωδικοποιημένα bit εξόδου ως γραμμικοί συνδυασμοί των περιεχομένων των καταχωρητών και των bit της πληροφορίας εισόδου. Το σχήμα 4 έχει ρυθμό κωδικοποίησης Ά που ισοδυναμεί με παραγωγή 2 bitεξόδου για κάθε bit εισόδου πληροφορίας. Οι έξοδοι του συστήματος δίνονται από τις συναρτήσεις : G0 (n) = x(n) + x(n - 1) + x(n - 2) (2.2) και G1 (n) = x(n) + x(n - 2) (2.3) -21-

22 Σε κάθε χρονική στιγμή, ένα δυαδικό ψηφίο εισόδου εισέρχεται στον καταχωρητή ολίσθησης και τα υπάρχοντα δυαδικά ψηφία ολισθαίνουν κατά μία θέση δεξιά. Στη συνέχεια, ο διακόπτης που βρίσκεται στην έξοδο δειγματοληπτεί τις τιμές εξόδου, G0(n) και G1(n), και σχηματίζεται το ζευγάρι συμβόλων της εξόδου του κώδικα, που αντιστοιχεί στο δυαδικό ψηφίο εισόδου. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλα τα διαθέσιμα δυαδικά ψηφία. Η επιλογή των συνδέσεων ανάμεσα στους αθροιστές και στα στάδια του καταχωρητή παρέχει μεγάλη ευελιξία και διαφορετικά χαρακτηριστικά στον κώδικα. Η παραμικρή αλλαγή στις συνδέσεις οδηγεί και σε διαφορετικό κώδικα. Οι συνδέσεις βέβαια δεν επιλέγονται στην τύχη. Το πρόβλημα της εύρεσης των κατάλληλων συνδέσεων που να οδηγεί σε κώδικες με μεγάλη απόσταση μεταξύ τους είναι πολύ σύνθετο και δεν έχει λυθεί στη γενική περίπτωση. Μερικοί από τους καλυτέρους κώδικες που έχουν βρεθεί για μικρά μήκη περιορισμού και μικρούς ρυθμούς κώδικα, όπως (1,2) φαίνονται στους πίνακες. Rate Constraint Length Code Vector (Octal) Code lector (Binary) Free Distance / / / / / / / / Πίνακας 1:Συνελικτικοί Κώδικες με τη μέγιστη απόσταση και ρυθμό κώδικα ½ [6] -22-

23 Υπάρχουν τρεις τρόποι με τους οποίους μπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά ένας συνελικτικός κώδικας. Αυτοί είναι το: Διάγραμμα Καταστάσεων Δεντρικό Διάγραμμα Διάγραμμα Trellis Αναπαράσταση Καταστάσεων και Διάγραμμα Καταστάσεων (State Diagram) Ένας συνελικτικός κωδικοποιητής ανήκει στην κατηγορία των Μηχανών Πεπερασμένων Καταστάσεων. Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει μηχανές οι οποίες μπορούν και αποθηκεύουν πληροφορία προηγούμενων χρονικών στιγμών. Το επίθετο πεπερασμένος αναφέρεται στο γεγονός ότι η μηχανή μπορεί να μεταβεί μόνο σε ένα συγκεκριμένο αριθμό μοναδικών καταστάσεων. Από την άλλη μεριά, η κατάσταση αποτελεί τη μικρότερη δυνατή πληροφορία, η οποία σε συνδυασμό με τα δυαδικά ψηφία εισόδου μπορεί να οδηγήσει σε ασφαλή πρόβλεψη της εξόδου του συστήματος. Η κατάσταση περιλαμβάνει κάποια γνώση της εισόδου των προηγούμενων χρονικών στιγμών και περιορίζει το σύνολο των δυνατών εξόδων του συστήματος στο μέλλον. Μία μελλοντική κατάσταση περιορίζεται από μία παρελθούσα κατάσταση. Η γνώση της παρούσης κατάστασης μαζί με τη γνώση της επόμενης εισόδου είναι αναγκαία και αρκετή για τον υπολογισμό της εξόδου του συστήματος. Το διάγραμμα καταστάσεων του κωδικοποιητή του σχήματος 2.1 φαίνεται στο σχήμα 2.2. Κάθε κύκλος συμβολίζει και μια κατάσταση. Σε οποιαδήποτε τυχαία χρονική στιγμή ο κωδικοποιητής βρίσκεται αναγκαστικά σε μία από αυτές τις καταστάσεις. Σε κάθε μετάβαση από μία κατάσταση στην επόμενη (βέλος) εικονίζονται δύο νούμερα. Το πρώτο συμβολίζει το δυαδικό ψηφίο εισόδου που χρειάζεται ο κωδικοποιητής για να μεταβεί σε επόμενη κατάσταση και το δεύτερο συμβολίζει την έξοδο που θα παραχθεί. Στο σχήμα, το κόκκινο χρώμα χρησιμοποιείται για να συμβολίσει μετάβαση από μια κατάσταση στην επόμενη που προκαλείται με δυαδικό ψηφίο εισόδου το 0 και το μπλε χρώμα για να συμβολίσει μετάβαση με δυαδικό ψηφίο εισόδου το 1. Πρέπει να επισημανθεί το γεγονός ότι δεν μπορεί να υπάρξει κατευθείαν μετάβαση από μία κατάσταση σε οποιαδήποτε από τις υπόλοιπες. Για παράδειγμα, αν ο κωδικοποιητής βρίσκεται την κατάσταση 00 μπορεί να μεταβεί μόνο στην κατάσταση 10 ή να παραμείνει στην ίδια κατάσταση 00. Δεν μπορεί να μεταβεί στις καταστάσεις -23-

24 01 και 11. Ένα βασικό μειονέκτημα του Διαγράμματος Καταστάσεων είναι ότι δεν απεικονίζει το χρόνο. Δεν υπάρχει δυνατότητα αποθήκευσης χρονικών στιγμών, έτσι ώστε να γίνεται γνωστό π.χ. τη χρονική στιγμή 5 σε ποια κατάσταση βρισκόταν ο κωδικοποιητής. Εικόνα 5:Διάγραμμα Καταστάσεων Διάγραμμα Trellis (Trellis Diagram) Για τη λύση του προβλήματος της μη αναπαράστασης του χρόνου από το Διάγραμμα Καταστάσεων, δημιουργήθηκε το διάγραμμα Trellis το οποίο προσθέτει την διάσταση του χρόνου. Τοποθετώντας τις δυνατές καταστάσεις του συστήματος τη μία κάτω από την άλλη, στον άξονα y, και τις διακριτές χρονικές στιγμές ξεκινώντας από το μηδέν, στον άξονα x, δημιουργείται το Διάγραμμα Trellis που φαίνεται στο σχήμα 2.4. Με το πέρασμα του χρόνου γίνεται μετακίνηση προς τα δεξιά στο διάγραμμα. Κάθε μετάβαση σημαίνει την έλευση και ενός καινούργιου δυαδικού ψηφίου. -24-

25 Με κόκκινο χρώμα συμβολίζεται η μετάβαση που προκαλείται από δυαδικό ψηφίο εισόδου μηδέν, ενώ με μπλε χρώμα συμβολίζεται η μετάβαση που προκαλείται από δυαδικό Εικόνα 6:Διάγραμμα Trellis ψηφίο εισόδου ένα. Επίσης, σε κάθε μετάβαση φαίνεται και η έξοδος του συστήματος. Θεωρείται ότι το σύστημα ξεκινάει από την κατάσταση 00 και με την έλευση ενός δυαδικού ψηφίου έχει μόνο δύο επιλογές για μετάβαση, τις καταστάσεις 00 και 10. Στη συνέχεια, υπάρχουν πάλι δύο επιλογές για μετάβαση ανάλογα με το δυαδικό ψηφίο εισόδου. Από τη χρονική στιγμή t = 3 και μετά γίνεται φανερό ότι το διάγραμμα Trellis επαναλαμβάνεται.[17] 2.4 Αλγόριθμος Viterbi Μια αποτελεσματική λύση στο πρόβλημα της αποκωδικοποίησης είναι ο δυναμικός προγραμματιστικός αλγόριθμος γνωστός ως Viterbi αλγόριθμος, ή ως αποκωδικοποιητής Viterbi (VD). Ο VD είναι ο αποκωδικοποιητής μέγιστης πιθανοφάνειας γιατί διαπιστώνει την πλησιέστερη κωδικοποιημένη ακολουθία μέσω της ληφθείσας ακολουθίας επεξεργαζόμενος bit-by-bit τους κλάδους της βασικής δομής trellis. Ο αλγόριθμος αυτός δεν κρατάει πιθανότητες για τις πιθανές λέξεις που μπορεί -25-

26 να έχουν κωδικοποιηθεί, αλλά ανιχνεύει τις καταστάσεις από το αντίστοιχο διάγραμμα [10]. 2.5 Αυστηρές και χαλαρές αποφάσεις (hard soft decisions) Το λαμβανόμενο σήμα θα αποδιαμορφωθεί είτε με χαλαρή είτε με αυστηρή απόφαση. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται το σχήμα της QAMδιαμόρφωσης και τα σύμβολα S0,S1,S2,S3 Εικόνα 7:Διάγραμμα αστερισμού μιας διαμόρφωσης QAM και ένα αλλοιωμένο σύμβολο r Αν κατά την αποδιαμόρφωση ληφθούν υπόψη μόνο οι δύο παραπάνω έλεγχοι (δεξιά - αριστερά και πάνω-κάτω των αξόνων), τότε κάθε σύμβολο αποδιαμορφώνεται σε ακριβώς 2 bits, όση δηλαδή και η πληροφορία που περιείχε όταν μεταδόθηκε. Σε αυτήν την περίπτωση λέμε ότι παίρνεται μια αυστηρή απόφαση. Όμως, λόγω του θορύβου στο κανάλι, πολλές φορές το σύμβολο που λαμβάνεται στο δέκτη δε θα συμπίπτει ακριβώς με κάποιο από τα 4 αναμενόμενα σύμβολα. Μπορεί π.χ. να βρίσκεται στη στάθμη rπου φαίνεται στο σχήμα. Σε αυτήν την περίπτωση μια -26-

27 αυστηρή απόφαση θα αντιστοίχιζε το λαμβανόμενο σήμα στο σύμβολο s0, ενώ είναι προφανές πως έχει υποστεί σημαντική αλλοίωση από το θόρυβο του καναλιού και είναι πιθανό να προέρχεται από την αποστολή κάποιου άλλου συμβόλου, π.χ. του s1.αν ο αποδιαμορφωτής δεν αποφάσιζε για την τιμή του κάθε bitμε βάση την σύγκριση με μία μόνο στάθμη, αλλά με περισσότερες τότε θα είχαμε λήψη χαλαρών αποφάσεων. Στο σχήμα 7 απεικονίζεται μια τέτοια περίπτωση με 3 στάθμες που δημιουργούν 4 επιλογές για την αποδιαμόρφωση του κάθε bit. Σε αυτήν την περίπτωση ο αποδιαμορφωτής δίνει 2 bitsπληροφορίας για κάθε 1 bitπου μεταδόθηκε ή αλλιώς, 4 bitsγια κάθε σύμβολο. Η αποκωδικοποίηση με χαλαρή απόφαση αποδίδει καλύτερα από πλευράς διορθωτικής ισχύος διότι χρησιμοποιεί περισσότερη πληροφορία του λαμβανόμενου σήματος σε σχέση με μια αυστηρή απόφαση. Ο συμβιβασμός που γίνεται είναι ότι αυξάνεται η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού, καθώς και ότι αυξάνονται οι ανάγκες σε υλικό (hardware). Γενικά, η χρήση αποκωδικοποίησης χαλαρής απόφασης οδηγεί σε αύξηση του κέρδους κωδικοποίησης κατά περίπου 2dB, σε σύγκριση με την αποκωδικοποίηση αυστηρής απόφασης [6]. 2.6 Τεχνική Ανάμικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας (Interleaving) Η τεχνική Ανάμικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας είναι μια αποδοτική μέθοδος για να έχουμε πλήρες διαφορικό κέρδος του κώδικα. Για να πραγματοποιηθεί αυτό τα εκπεμπόμενα bitπρέπει να επηρεάζονται από ασυσχέτιστη εξασθένιση. Με αυτό τον τρόπο δεν έχουμε ριπές λαθών και δεν χάνονται πολλά bitτα οποία συσχετίζονται στον κώδικα. Αυτή η συνθήκη εισάγεται εξαιτίας του γεγονότος ότι οι κώδικες μας συνήθως έχουν τη δυνατότητα να διορθώσουν μικρό αριθμό λαθών που εμφανίζονται σε συσχετισμένα bit. Εάν κάποια bitπληροφορία χαθούν στο κανάλι (στο χώρο, το χρόνο και τη συχνότητα) θα είναι μεμονωμένα και θα υπάρχει η δυνατότητα να διορθωθούν από τον κώδικα αναλόγως του πόσο ισχυρός είναι. Ανεξάρτητη ή ασυσχέτιστη εξασθένιση πλάτους πραγματοποιείται με φυσικό διαχωρισμό των τμημάτων του σήματος που αντιστοιχούν σε διαφορετικά bits. Παρακάτω φαίνεται ένας τέτοιος διαχωρισμός των bit ενός συμβόλου. -27-

28 Εικόνα 8: Τεχνική Ανάμικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας στο χρόνο και στη συχνότητα για ένα σύμβολο OFDM με διάρκεια T0 Fdm και παράθυρο Fourier Ts. Bits που σχετίζονται στον κώδικα δεν πρέπει να μεταδοθούν σε σχετικά κοντινές θέσεις στο δίαυλο. Για παράδειγμα σε ένα μπλοκ κώδικα τα bitτου κώδικα που συσχετίζονται είναι αυτά που ανήκουν στην ίδια κωδική-λέξη. Σε ένα συνελικτικό κώδικα τα bitsπου συσχετίζονται είναι αυτά που δεν απέχουν κατά πολλά περιοριστικά μήκη (constraint length) μεταξύ τους. Σε ένα κινούμενο πομπό (ή δέκτη) ο διαχωρισμός των συσχετισμένων bitsπραγματοποιείται στην διάσταση του χρόνου. Ο διαχωρισμός αυτός αποκαλείται τεχνική Ανάμεικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας στο χρόνο. Προφανώς θα πρέπει να υπάρξει κάποια καθυστέρηση ώστε να συγκεντρωθούν όλα τα συσχετισμένα bitsστο δέκτη και να αποκωδικοποιηθούν. Συνεπώς η τεχνική Ανάμεικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας στο χρόνο εισάγει μια καθυστέρηση αποκωδικοποίησης. Για μετάδοση πολλαπλών φερόντων, υπάρχει ένας επιπρόσθετος τρόπος για να υπάρξει διαχωρισμός και αυτός είναι στη διάσταση της συχνότητας. Αυτό αποκαλείται τεχνική Ανάμεικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας συχνότητας. Εάν επιπλέον διαθέτουμε πολλές κεραίες στον πομπό και στον δέκτη δηλαδή έχουμε παράλληλη μετάδοση ροών δεδομένων στο χώρο τότε μπορεί να υπάρξει -28-

29 διαχωρισμός της πληροφορίας και στο χώρο. Αυτό αποκαλείται τεχνική Ανάμεικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας στο χώρο. Συμπερασματικά έχουμε τρείς βαθμούς ελευθερίας για να διαχωρίσουμε την πληροφορία μας: στο χώρο, στο χρόνο και στη συχνότητα. Οι αιτίες που προκαλούν αποσυσχέτιση στο χώρο, στο χρόνο και στη συχνότητα είναι μεταξύ τους ανεξάρτητες γεγονός που καθιστά τη τεχνική Ανάμεικτης Κωδικοποιημένης Πληροφορίας πολύ ισχυρή τεχνική για συστήματα κινητών τηλεπικοινωνιών.[3] -29-

30 3 Το Σύστημα Ορθογωνικής Πολύπλεξης Με Διαίρεση Συχνότητας (OFDM). 3.1 Γενικά Η τεχνική ορθογωνικής πολυπλεξίας διαιρεμένης συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) που είναι ένας συνδυασμός πολυπλεξίας και διαμόρφωσης, είναι η πιο δημοφιλής τεχνολογία στον τομέα των τηλεπικοινωνιών την τελευταία δεκαετία σε συστήματα τηλεπικοινωνιών υψηλού ρυθμού, παρότι έχει τις ρίζες της στη δεκαετία του Σαν τεχνολογία απέκτησε δημοσιότητα με την ανάπτυξη της ψηφιακής ευρυεκπομπής ήχου (Digital Audio Broadcasting-DAB). H επίγεια ψηφιακή ευρυεκπομπή, (Terrestrial Digital Video Broadcasting - DVB-T) στην Ευρώπη είναι άλλη μια εφαρμογή της OFDM, πολύπλεξίας. Όμως, αυτά τα συστήματα εκπομπής δεν ήταν και πολύ ελπιδοφόρα για αμφίδρομες επικοινωνίες καθότι απαιτούσαν πολύ ακριβούς πομπούς. Η OFDM τεχνική χρησιμοποιεί τις αρχές της Frequency Division Multiplexing (FDM) για μετάδοση πολλαπλών σημάτων σε ένα κανάλι επικοινωνίας και πετυχαίνει μεγάλη φασματική απόδοση[13]. 3.2 Τεχνικές Πολλαπλών Φερόντων Στην περίπτωση που το εύρος ζώνης του συστήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης συνοχής του διαύλου, το σήμα που λαμβάνει ο δέκτης είναι παραμορφωμένο λόγω της διασυμβολικής παρεμβολής. Για την αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής χρησιμοποιούνται οι τεχνικές πολλαπλών φερόντων. Στις συγκεκριμένες τεχνικές το συνολικό εύρος ζώνης Wτου συστήματος διαιρείται σε Ν μη επικαλυπτόμενα φασματικά υπό-κανάλια ίσου εύρους ζώνης, το καθένα από τα οποία μεταδίδει ένα διαμορφωμένο σύμβολο πληροφορίας. -30-

31 Εικόνα 9: FDM Τεχνική - διαίρεση εύρους ζώνης 3.3 Ορθογωνικότητα Με την χρήση της παραπάνω τεχνικής δεν αξιοποιείται αποδοτικά το φάσμα του συστήματος. Τη λύση δίνει η διαμόρφωση OFDM, στην οποία το συνολικό εύρος ζώνης διαιρείται σε Ν αλληλεπικαλυπτόμενα υπό-κανάλια προκειμένου να εκμεταλλευτούμε το συνολικό εύρος ζώνης του συστήματος, υπό την προϋπόθεση ότι έχουμε τη δυνατότητα να λάβουμε τα subcarriers, χωρίς να παρεμβάλλει το ένα στο άλλο. Αυτό επιτυγχάνεται μόνο στην περίπτωση που τα subcarriersείναι μαθηματικά ορθογώνια μεταξύ τους. Δυο σήματα είναι ορθογωνικά εάν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους. Η ορθογωνικότητα είναι μια ιδιότητα που επιτρέπει πολλαπλά σήματα πληροφορίας να μεταδίδονται σε ένα κοινό κανάλι επικοινωνίας και να ανιχνεύονται χωρίς παρεμβολή. Η έλλειψη ορθογωνικότητας έχει ως αποτέλεσμα την επικάλυψη των σημάτων που περιέχουν την πληροφορία και την υποβάθμιση της ποιότητας της επικοινωνίας. -31-

32 Εικόνα 10: α) Διαμόρφωση απλού φέροντος με μη επικαλυπτόμενα ορθογώνια σήματα β) Τεχνική πολυπλεξίας επικαλυπτόμενων ορθογώνιων πολλαπλών φερόντων. 3.4 Σύγκριση OFDM με FDM Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η διαφορά μεταξύ του OFDMσυστήματος με το κλασικό FDMσύστημα. Ένα απλό παράδειγμα συστήματος FDMείναι η χρήση διαφορετικών συχνοτήτων από τους ραδιοφωνικούς σταθμούς των FM (Frequency Modulation). Όλοι οι σταθμοί εκπέμπουν την ίδια χρονική στιγμή αλλά δεν παρεμβάλουν μεταξύ τους επειδή χρησιμοποιούν για την μετάδοση διαφορετικές φέρουσες συχνότητες. Επιπλέον είναι περιορισμένου εύρους ζώνης και αρκετά απομακρυσμένοι στο πεδίο της συχνότητας έτσι ώστε τα εκπεμπόμενα σήματά τους να μην επικαλύπτονται συχνοτικά. Στο δέκτη, κάθε σήμα λαμβάνεται ανεξάρτητα χρησιμοποιώντας ζωνοπερατά φίλτρα για την απομάκρυνση όλων των άλλων σημάτων εκτός του σταθμού που μας ενδιαφέρει. Το φιλτραρισμένο αυτό σήμα μπορεί στη συνέχεια να αποδιαμορφωθεί και να ανακτήσουμε την αρχική μεταδιδόμενη πληροφορία. Το OFDMδιαφέρει από το FDMσε διάφορα σημεία. Στην κλασσική ραδιοφωνική εκ-πομπή σήματος, κάθε σταθμός εκπέμπει σε μια διαφορετική συχνότητα και χρησιμοποιεί αποτελεσματικά την τεχνική FDMγια να διατηρεί τις αποστάσεις μεταξύ των σταθμών. Δεν υπάρχει όμως κανένας συντονισμός ή συγχρονισμός μεταξύ των σταθμών. Σε μια μετάδοση που χρησιμοποιεί OFDM, τα σήματα από τους διάφορους σταθμούς που περιέχουν την πληροφορία συνδυάζονται και προκύπτει μια πολυπλεγμένη ακολουθία δεδομένων. Τα δεδομένα αυτά μεταδίδονται κατόπιν όλα -32-

33 μαζί διαμορφώνοντας ένα σύνολο από φέρουσες. Οι φέρουσες είναι χρονικά και συχνοτικά συγχρονισμένες μεταξύ τους αποτρέποντας την μεταξύ τους παρεμβολή. Έτσι, παρόλο που το φάσμα των φερουσών παρουσιάζει επικάλυψη, δεν προκαλείται διασυμβολική παρεμβολή εξαιτίας της ορθογωνικότητας της διαμόρφωσης. Αντίθετα, στο FDMτα μεταδιδόμενα σήματα πρέπει να έχουν μεγάλα διαστήματα ασφαλείας μεταξύ των καναλιών μετάδοσης για να αποτρέπεται η παρεμβολή, κάτι που μειώνει τη συνολική φασματική απόδοση. Ενώ στο OFDM, με την ορθογωνικότητα των φερουσών και την επικάλυψη, πετυχαίνουμε μείωση του μήκους των διαστημάτων ασφαλείας και βελτίωση της φασματικής απόδοσης. Στο παρακάτω σχήμα υπολογίζεται η φασματική πυκνότητα δύο συστημάτων κωδικοποιημένα με BPSK (BinaryPhaseShiftKeying) σε όλες τις υποφέρουσες. Εικόνα 11: Σύγκριση φάσματος OFDM και FDM Είναι προφανές ότι η διαμόρφωση OFDMαπαιτεί μικρότερο εύρος για τη μετάδοση ίδιου όγκου δεδομένων αυξανόμενου του πλήθους των υπό-καναλιών. -33-

34 3.5 OFDM Σύμβολο Έστω ότι έχουμε Ν σύμβολα πληροφορίας, τα οποία διαμορφώνουμε, χρησιμοποιώντας ένα δισδιάστατο αστερισμό. Συμβολίζοντας με c(i), την ακολουθία των μιγαδικών διαμορφωμένων συμβόλων, το προς μετάδοση OFDMσύμβολο στη βασική ζώνη, είναι: N 1 S(t) = c(i)e j2πit i=0 Tu, 0 t Tu (3.1) S(t) = 0,t> Tu (3.2),όπουTu είναι η διάρκεια του OFDM συμβόλου. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε το φάσμα ενός OFDM sub-channel και του συνολικού σήματος OFDM. Εικόνα 12: Φάσμα ενός φέροντος (συνάρτηση sinc) -34-

35 Εικόνα 13: Φάσμα των φερόντων ενός συμβόλου OFDM Αν στο δέκτη πολλαπλασιάσουμε το λαμβανόμενο σήμα με τον παλμό: g n (t) = e j2πnt Tu,n Z, 0 n N-1 (3.3) και ολοκληρώσουμε το προκύπτον σήμα στο χρόνο απόt=0 έως t=tu, τότε: S r = Tu e j2πnt t=0 N 1 N 1 Tu t=0 Tu c(i)e j2πit Tu i=0 dt = i=0 c(i) e j2π(i n)t Tu dt = c(n) (3.4) Αν τώρα το εκπεμπόμενο σήμα της εξίσωσης 3.1 το δειγματοληπτήσουμε με συχνότητα Fu=N/Tu, τότε στο πεδίο του χρόνου το σήμα γίνεται: N 1 S t (k) = c(i)e j2πik i=0 N, k = 0,1,2, N 1 (3.5) Το σήμα που περιγράφεται από τον παραπάνω τύπο είναι ο αντίστροφος μετασχηματισμός Fourier των προς μετάδοση διαμορφωμένων συμβόλων [8]. Αν τώρα χρησιμοποιήσουμε στο δέκτη τον ευθύ μετασχηματισμό Fourier, μπορούμε να πάρουμε τα μεταδιδόμενα subcarriers και να τα αποδιαμορφώσουμε ανεξάρτητα το ένα από το άλλο [6]. Αποτέλεσμα της χρήσης, στον πομπό και στο δέκτη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων IDFT και DFT, αντίστοιχα, είναι η μείωση της πολυπλοκότητας του πομπού και του δέκτη, αφού αντικαθιστούν τα φίλτρα για τον διαχωρισμό των υπόκαναλιών και τους διαμορφωτές και αποδιαμορφωτές παλμών. Προκειμένου να -35-

36 βελτιώσουμε περαιτέρω την ταχύτητα επεξεργασίας του σήματος τόσο στον πομπό όσο και στο δέκτη, χρησιμοποιούμε τα ολοκληρωμένα κυκλώματα IFFT και FFT, αντίστοιχα, αντί των κυκλωμάτων IDFT και DFT. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται το block διάγραμμα βασικής ζώνης OFDM πομπού και δέκτη. Εικόνα 14: : Block διάγραμμα OFDM διαμόρφωσης 3.6 Μετατροπή σειριακών δεδομένων σε παράλληλα Τα δεδομένα που θα μεταδοθούν είναι σε μορφή σειριακής ακολουθίας δεδομένων. Στο OFDM, κάθε ένα σύμβολο μεταφέρει bit, συνεπώς είναι απαραίτητος ένας μετατροπέας από σειριακά σε παράλληλα για να μετατρέψει τη σειριακή ακολουθία δεδομένων σε παράλληλα δεδομένα. Ο αριθμός των δεδομένων που μεταφέρει κάθε σύμβολο εξαρτάται από το είδος της διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται καθώς επίσης και από τον αριθμό των υποφερουσών. Για παράδειγμα, για μια διαμόρφωση 16-QAM κάθε υποφέρουσα μεταφέρει 4 bit δεδομένων κι έτσι για μια μετάδοση με 100 υποφέρουσες χειριζόμαστε 400 bit ανά μεταδιδόμενο σύμβολο. Στο δέκτη πραγματοποιείται η αντίστροφη διαδικασία, με την πληροφορία των υποφερουσών να μετατρέπεται σε σειριακή μορφή και να ανακατασκευάζεται η αρχική ακολουθία δεδομένων. 3.7 Μετατροπή από το πεδίο της συχνότητας στο πεδίο του χρόνου Κάθε υποφέρουσα έχει καθορισμένο πλάτος και φάση ανάλογα με την πληροφορία που μεταφέρει και τον τύπο της διαμόρφωσης. Το σύνολο των διαμορφωμένων υποφερουσών αποτελεί το σήμα OFDM στο πεδίο της συχνότητας. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται ο αντίστροφος γρήγορος μετασχηματισμός Fourier (IFFT, Inverse- FastFourierTransformation) για να μετατρέψει το σήμα στο πεδίο του χρόνου και να επιτρέψει τη μετάδοσή του. -36-

37 3.8 Εισαγωγή Κυκλικού Προθέματος Για συγκεκριμένο εύρος ζώνης, ο ρυθμός συμβόλου ενός σήματος OFDM είναι κατά πολύ μικρότερος από ότι σε ένα σύστημα μετάδοσης με μια μόνο φέρουσα. Για παράδειγμα, για μια μετάδοση που διαμορφώνει μια μόνο φέρουσα κατά BPSK, ο ρυθμός συμβόλου είναι Nc φορές μικρότερος από ότι σε μετάδοση με μια φέρουσα. Ο χαμηλός ρυθμός συμβόλου κάνει από τη φύση του ένα σύστημα OFDM πιο ανθεκτικό στη διασυμβολική παρεμβολή, ISI (Inter-SymbolInterference), που προκαλείται στην πολυόδη μετάδοση. Κατά τη μετάδοση ενός σήματος σε ένα κανάλι δημιουργείται το φαινόμενο της πολυόδης μετάδοσης λόγω της ανάκλασης του σήματος σε διάφορα αντικείμενα όπως τοίχους, κτίρια, βουνά, αυτοκίνητα κ.α. Εξαιτίας των διαφορετικών αποστάσεων φτάνουν στο δέκτη πολλαπλά αντίγραφα του εκπεμπόμενου σήματος και σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Για την αποφυγή τέτοιου είδους ανεπιθύμητων παρεμβολών, κρίθηκε αναγκαία η ύπαρξη ενός χρόνου ελέγχου (guardtime) ή η εισαγωγή κυκλικού προθέματος (cyclicprefix) στην αρχή του συμβόλου, το οποίο θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από τη μέγιστη τιμή εξάπλωσης καθυστέρησης του καναλιού, με σκοπό να μην παρεμβάλει στο πεδίο του χρόνου το ένα σύμβολο με το άλλο. Αφού εισαχθεί το CPτο σήμα διαδίδεται σειριακά. Εικόνα 15: Κυκλική επέκταση συμβόλου -37-

38 Στο σχήμα που ακολουθεί γίνεται σαφής η ανάγκη για εισαγωγή αυτού του προθέματος μεταξύ γειτονικών frames, ώστε να «απορροφηθεί» η καθυστέρηση του καναλιού και να ακυρώνονται οι παρεμβολές. Εικόνα16: Inter Frame Interference σε OFDM συστήματα Αν θεωρήσουμε ότι ο χρόνος των δεδομένων πληροφορίας είναι Tu και ο χρόνος που διαρκεί το CPείναι Tg, τότε ο συνολικός χρόνος συμβόλου γίνεται Ts=Tu+Tg. Επειδή, ο χρόνος της χρήσιμης για το δέκτη πληροφορίας είναι Tu και ο πομπός αποστέλλει OFDM σύμβολο διάρκειας Ts, η ενέργεια μετάδοσης τελικά μειώνεται ανάλογα με το μήκος του CP κατά έναν παράγοντα Tu/(Tg+Tu). Εικόνα 17: Κυκλικό πρόθεμα σε έναofdm σύμβολο -38-

39 3.9 Σχολιασμός OFDM τεχνικής Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω η OFDM τεχνική παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα αλλά και κάποια μειονεκτήματα. Τα βασικά πλεονεκτήματα της OFDM μετάδοσης είναι ότι: Κάνει αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης (με το να επιτρέπει την επικάλυψη των φασμάτων των υπό-καναλιών). Παρουσιάζει χαμηλή πολυπλοκότητα υλοποίησης μέσω της χρήσης (I)FFT. Είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητη στο φαινόμενο της επιλεκτικής εξασθένισης του καναλιού (frequency selective fading) σε σχέση με τα συστήματα μονής φέρουσας (single carrier). Εξαλείφει αποδοτικά τα φαινόμενα ISI και ICI με τη χρήση του χρόνου ελέγχου και την εισαγωγή κυκλικού προθέματος. Με τη χρήση επαρκών μεθόδων κωδικοποίησης και παρεμβολής (interleaving) καναλιού μπορεί να ανακτήσει σύμβολα που έχουν αλλοιωθεί εξαιτίας της μη ομοιογενούς συμπεριφοράς του καναλιού. Είναι υπολογιστικά αποδοτική ως προς τη διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση, κάνοντας χρήση του FFT/IFFT, ενώ είναι δυνατή η χρήση του ίδιου hardware σε πομπό και δέκτη για την υλοποίηση του FFT/IFFT. Είναι ανθεκτική σε φαινόμενα παρεμβολής μεταξύ γειτονικών ζωνών συχνότητας (narrow band interference), αφού επηρεάζεται μόνο ένα μικρό ποσοστό των φερουσών. Αντίθετα, σαν βασικά μειονεκτήματα μπορούν να αναφερθούν τα ακόλουθα: Είναι πιο επιρρεπής από τα συστήματα μονής φέρουσας σε αποκλίσεις συχνότητας και μετατοπίσεις φάσης. Παρουσιάζει σχετικά μεγάλο λόγο της μέγιστης ισχύος προς την μέση (peak-toaverage- power ratio). Το OFDM σήμα αποτελείται από Ν ανεξάρτητα διαμορφωμένα σήματα τα οποία, όταν προστίθενται με την ίδια φάση, έχουν ως αποτέλεσμα την δημιουργία ισχύος εξόδου Ν φορές μεγαλύτερη από τη μέση. Αυτές οι διακυμάνσεις του σήματος ισχύος αποτελούν σημαντικό πρόβλημα στον σχεδιασμό τόσο των RF ενισχυτών όσο και των AD/DA μετατροπέων [1]. -39-

40 4 Συστήματα MIMO 4.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι βασικές αρχές των συστημάτων πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (Multiple Input Multiple Output-MIMO). Ένα σύστημα ΜΙΜΟ μπορεί να οριστεί σαν ένα σύστημα όπου τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης είναι εξοπλισμένοι με πολλαπλές κεραίες σε αντίθεση με τα συστήματα μιας εισόδου-μιας εξόδου(single Input Single Output-SISO), η διαφορά των οποίων φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Εικόνα 18: Σύστημα Πολλαπλών Εισόδων Πολλαπλών Εξόδων Ανάμεσα στις δύο παραπάνω επιλογές, μπορούν να εμφανιστούν ενδιάμεσες αρχιτεκτονικές όπου μόνο ο πομπός ή μόνο ο δέκτης χρησιμοποιεί πολλαπλές κεραίες. Το σύστημα στην περίπτωση αυτή ονομάζεται MISO ή SIMO, αντίστοιχα. Τα συστήματα MISO και SIMO αποτελούν τις απλοποιημένες περιπτώσεις των -40-

41 συστημάτων MIMO, οπότε ο όρος MIMO συχνά εμπεριέχει και αυτές τις αρχιτεκτονικές. Η βασική ιδέα πίσω από τα συστήματα ΜΙΜΟ είναι ότι τα σήματα στις κεραίες του πομπού όσο και τα σήματα στις κεραίες του δέκτη συνδυάζονται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε η ποιότητα υπηρεσίας που εκφράζεται μέσω του ρυθμού λανθασμένων ψηφίων (Bit Error Rate, BER) να βελτιώνονται σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα επικοινωνιών. Η μελέτη των συστημάτων αυτών έχει αποκτήσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια μετά την πρωτοποριακή εργασία του Alamouti όπως θα δούμε και παρακάτω. Τα συστήματα ΜΙΜΟ χρησιμοποιούν τεχνικές χωροχρονικής κωδικοποίησης όπου το προς μετάδοση σήμα κωδικοποιείται τόσο στον χρόνο όσο και στον χώρο με την χρήση των πολλαπλών κεραιών.[5] 4.2 Αρχιτεκτονικές Εκπομπής-Λήψης SISO Στις τηλεπικοινωνιακές μεταδόσεις παραδοσιακά χρησιμοποιούνταν μία κεραία εκπομπής και μία κεραία λήψης (Single Input Single Output-SISO), που είναι και η πιο απλή αρχιτεκτονική διάταξη. Είναι εύκολο και οικονομικό στην εφαρμογή και χρησιμοποιήθηκε για πολλά χρόνια από τότε που εμφανίστηκαν οι ασύρματες επικοινωνίες. Παρ' όλα αυτά, είναι ευάλωτο στις διαλείψεις διότι δεν επιτυγχάνεται διαφορισμός [15] SIMO Το επόμενο στάδιο ήταν η ανάπτυξη των συστημάτων μίας κεραίας εκπομπής πολλαπλών κεραιών λήψης (Single Input Multiple Output-SIMO), τα οποία επιτυγχάνουν διαφορισμό στο δέκτη. Ένα τέτοιο σύστημα είναι κατάλληλο για περιπτώσεις άνω ζεύξης (uplink), αφού ο σταθμός βάσης έχει τη δυνατότητα να υποστηρίξει πολλαπλές κεραίες, ενώ στην κάτω ζεύξη (downlink) κάτι τέτοιο θα ήταν ούτε οικονομικό ούτε εύκολα εφικτό δεδομένου του μεγέθους του τερματικού. Έστω ότι έχουμε Nr κεραίες λήψης, κάθε μία λαμβάνει από ένα αντίγραφο του μεταδιδόμενου συμβόλου s, δηλαδή το λαμβανόμενο σήμα από κάθε κεραία είναι r i = h i s + n i, i = 1,2,., N r (4.1) -41-

42 όπουh i είναι ο συντελεστής των διαλείψεων που αντιστοιχεί στο κανάλι που συνδέει την κεραία εκπομπής με την i κεραία λήψης και n i είναι ο Λευκός Προσθετικός Γκαουσιανός Θόρυβος (AWGN). Στο δέκτη εφαρμόζεται κάποια τεχνική λήψης (combining), με αποτέλεσμα η ισχύς του σήματος να ενισχύεται από έναν παράγοντα, το λεγόμενο κέρδος διαφορισμού (diversity gain). Αυτό προφανώς αυξάνει τη στιγμιαία σηματοθορυβική σχέση και οδηγεί το σήμα ενισχυμένο στον ανιχνευτή (detector) MISO Τα συστήματα πολλαπλών κεραιών εκπομπής μίας κεραίας λήψης (Multiple Input Single Output-MISO) παρέχουν διαφορισμό στον πομπό, διανέμοντας ισομερώς την παρεχόμενη ισχύ στις κεραίες εκπομπής. Τέτοια συστήματα βρίσκουν εφαρμογή στην κάτω ζεύξη (downlink) των κινητών επικοινωνιών, όπου χώρος, ισχύς και δυνατότητα επεξεργασίας είναι διαθέσιμα στην πλευρά του πομπού (σταθμός βάσης). Δύο περιπτώσεις υπάρχουν που υποστηρίζουν διαφορισμό εκπομπής, η πρώτη προϋποθέτει γνώση του καναλιού από τον πομπό και περιγράφεται παρακάτω και η δεύτερη και πιο διαδεδομένη όχι και περιγράφεται στο υποκεφάλαιο Σχήμα 2 x 1 με γνώση του καναλιού από τον πομπό Στην πρώτη περίπτωση υποθέτουμε ότι έχουμεn t κεραίες εκπομπής και μία κεραία λήψης. Θεωρούμε ότι το κέρδος του i καναλιού είναι και είναι h i e iθi γνωστό από τον πομπό. Το εκπεμπόμενο σήμα s, που έχει συνολική ενέργειαe s, πολλαπλασιάζεται στον πομπό με το μιγαδικό συντελεστή a i e iθ, 0 a i 1, όπου η ποσότητα α ι είναι ανάλογη του κέρδους του καναλιού, και εκπέμπεται από την i κεραία. Εξαιτίας της Nt 2 συνολικής ενέργειας E s, τα βάρη πρέπει να ικανοποιούν τη σχέση i=1 a i = 1. Τα εκπεμπόμενα, από κάθε κεραία, σύμβολα προστίθεται μετά την εκπομπή τους και το σήμα στο δέκτη έχει τη μορφή: N r = t i=1 a i h i s (4.2) Αν η φασματική πυκνότητα ισχύος θορύβου στο δέκτη είναι N0, η προκύπτουσα σηματοθορυβική σχέση δίνεται ως: N t γ Σ = Ε s h N i 2 0 i=1 (4.3) -42-

43 Επομένως ο διαφορισμός εκπομπής όταν τα κέρδη των καναλιών είναι γνωστά στο πομπό, είναι πολύ κοντά στο διαφορισμό δέκτη που εφαρμόζει MRC, όπως θα δούμε στη συνέχεια MIMO Η γενίκευση των παραπάνω συστημάτων είναι τα συστήματα πολλαπλών κεραιών εκπομπής και λήψης (Multiple Input Multiple Output-MIMO). Οι πολλαπλές κεραίες μπορούν να αυξήσουν το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων μέσω της πολυπλεξίας ή να βελτιώσουν την απόδοση μέσω του διαφορισμού. Στα MIMO συστήματα μπορούν και οι κεραίες εκπομπής και οι λήψης να χρησιμοποιηθούν για διαφορισμό. Η πολυπλεξία επιτυγχάνεται καθώς εκμεταλλευόμαστε τη δομή του πίνακα των διαλείψεων ώστε να στείλουμε τα δεδομένα από ανεξάρτητα κανάλια. Αυτές οι μέθοδοι απαιτούν συνήθως ακριβή γνώση του καναλιού από το δέκτη και κάποιες φορές από τον πομπό [1]. Εικόνα 19: : Γενικό διάγραμμα πομπού δέκτη σε MIMO σύστημα Γενικά, ένα MIMO σύστημα με N t κεραίες εκπομπής και N r κεραίες λήψης μπορεί να αναπαρασταθεί από το παρακάτω μοντέλο. -43-

44 ή απλούστερα y = Hx + n, όπου y αναπαριστά τα λαμβανόμενα σήματα από τιςn r κεραίες λήψης, H είναι οn r N t πίνακας των κερδών καναλιούh ij, που αντιπροσωπεύουν τις διαλείψεις από την κεραία εκπομπήςj στην κεραία λήψης i,x είναι το διάνυσμα των σημάτων που εκπέμπονται από τιςn κεραίες καιn οι τιμές του θορύβου για κάθε κεραία λήψης. Τα συστήματα MIMO περιλαμβάνουν διάφορες τεχνικές μετάδοσης που εστιάζουν είτε στην αξιοπιστία των υπηρεσιών μετάδοσης, δηλαδή στην μείωση της πιθανότητας σφάλματος που επιτυγχάνεται με ενίσχυση της σηματοθορυβικής σχέσης, είτε στην αύξηση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, μέσω της ταυτόχρονης μετάδοσης πακέτων δεδομένων από διαφορετικές κεραίες. 4.3 Χωροχρονική Κωδικοποίηση (STCoding) Όπως υποδεικνύεται από την ονομασία, η χωροχρονική κωδικοποίηση (SpaceTimeCoding) είναι μια τεχνική κωδικοποίησης των συμβόλων πληροφορίας στο χώρο και στο χρόνο, η οποία έχει σχεδιαστεί ειδικά για ασύρματα συστήματα που διαθέτουν πολλαπλές κεραίες μετάδοσης και μία ή περισσότερες κεραίες λήψης. Βασικός στόχος της τεχνικής είναι η παροχή πολλαπλών αντιγράφων των μεταδιδόμενων δεδομένων στο δέκτη, ώστε να βελτιωθεί η αξιοπιστία του συστήματος υπό συνθήκες εξασθένισης, χωρίς όμως να αυξηθεί το απαιτούμενο εύρος ζώνης. Οι χωροχρονικοί κώδικες επιτυγχάνουν κέρδος διαφορετικότητας και (ίσως) κωδικοποίησης εισάγοντας χρονική και χωρική συσχέτιση στα σήματα που μεταδίδονται από τις κεραίες του πομπού. Η χωροχρονική δομή τους μπορεί, ακόμη, να αξιοποιηθεί για την περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων. Ο κωδικοποιητής επεξεργάζεται τα προς μετάδοση δεδομένα και σε κάθε περίοδο μετάδοσης παράγει σύμβολα κώδικα, ο αριθμός των οποίον ισούται με το πλήθος των κεραιών μετάδοσης. Κάθε ένα από τα σύμβολα αυτά ανατίθεται σε μια κεραία και μεταδίδεται ταυτόχρονα με τα υπόλοιπα. Εφαρμόζοντας την αντίστοιχη διαδικασία αποκωδικοποίησης στο δέκτη και κατάλληλες τεχνικές επεξεργασίας σήματος, διασφαλίζεται η μεγιστοποίηση του κέρδους διαφορετικότητας και κωδικοποίησης. Η εφαρμογή της χωροχρονικής κωδικοποίησης περιγράφεται από το σχήμα Alamouti χωρίς την ύπαρξη γνώσης του καναλιού στον πομπό. -44-

45 4.3.1 Σχήμα Alamouti Το σχήμα Alamouti αναπτύχθηκε από τον Alamouti και κέρδισε γρήγορα έδαφος στο πεδίο των ασύρματων επικοινωνιών καθώς συνδυάζει διαφορισμό χώρου και χρόνου. Η πιο απλή του μορφή φαίνεται παρακάτω [1]. Εικόνα 20: To 2x1 σύστημα του Alamouti Το σχήμα αυτό είναι σχεδιασμένο για δύο κεραίες εκπομπής και μία κεραία λήψης. Μπορούμε εύκολα να διακρίνουμε τις ακόλουθες λειτουργίες: Κωδικοποίηση και μετάδοση των συμβόλων πληροφορίας στον πομπό Συνδυασμός των λαμβανόμενων σημάτων στο δέκτη Εφαρμογή του κανόνα απόφασης για φώραση μέγιστης πιθανοφάνειας -45-

46 Κωδικοποίηση και Μετάδοση Τα προς μετάδοση σύμβολα διαιρούνται σε ομάδες των δύο συμβόλων και εισάγονται στον χωροχρονικό κωδικοποιητή. Αν υποθέσουμε ότι μια τυχαία ομάδα αποτελείται από τα σύμβολα S 1 και S 2 ο κωδικοποιητής παράγει την κωδικολέξη S=[ S 1 S 2 S 2 S 1 ] (4.4) Η εκπομπή διαρκεί δύο χρονικές περιόδους συμβόλου. Κατά την πρώτη περίοδο μεταδίδονται ταυτόχρονα τα σύμβολα S 1 και S 2, το καθένα με ενέργειαe S /2, από τις κεραίες 1 και 2 αντίστοιχα. Στη δεύτερη χρονική περίοδο μεταδίδονται το σύμβολο S 2 * από την πρώτη κεραία και το S 1 * από τη δεύτερη κεραία, το καθένα με ενέργειαe S /2. Επομένως, κάθε ομάδα χρειάζεται δυο διαδοχικές περιόδους συμβόλου για να ολοκληρώσει τη μετάδοση της και η ίδια ακριβώς διαδικασία ακολουθείται και για τις υπόλοιπες ομάδες συμβόλων. Παρατηρούμε ότι η κωδικοποίηση γίνεται στο χώρο και στο χρόνο (space-timecoding). Εναλλακτικά, θα μπορούσε να γίνει στο χώρο και στη συχνότητα (χωροσυχνοτική κωδικοποίηση) Λήψη των Σημάτων στο Δέκτη Επιπλέον, οι διαλείψεις μπορούν να παρασταθούν από τη μιγαδική τιμή hiγια το πρώτο κανάλι και h2 για το δεύτερο κανάλι και θεωρούνται σταθερές για τις δύο χρονικές περιόδους. Επομένως, το λαμβανόμενο σήμα μπορεί να εκφραστεί ως r 1 =h 1 s 1 + h 2 s 2 + n 1 (4.5) r 2 = h 1 s 2 +h 2 s 1 +n 2 (4.6) Οι μεταβλητές n 1 και n 2 αναπαριστούν το λευκό προσθετικό θόρυβο που αλλοιώνει το μεταδιδόμενο σήμα. Ο δέκτης υπολογίζει το συζυγές του σήματος που λαμβάνει κατά τη δεύτερη περίοδο συμβόλου r 2 = h 1 s 2 + h 2 s 1 + n 2 (4.7) Θεωρώντας το διάνυσμα λαμβανόμενων σημάτων R = [r 1 r 2 ] T, τον πίνακα του καναλιούh ν = [ h 1 h 2 ],, το διάνυσμα των μεταδιδόμενων σημάτωνs = h 2 h 1 [s 1 s 2] T και το διάνυσματου θορύβουn = [n 1 n 2 ] T, η διανυσματική μορφή των παραπάνω εξισώσεων για τα λαμβανόμενα σήματα είναι -46-

47 [ r 1 r2 ] = [ h 1 h 2 h 2 h 1 ] [s 1 s 2 ] + [ n 1 n 2 ] R = H νs + N (4.8) Συνδυασμός των Λαμβανόμενων Σημάτων (Combiner) Αν ο ανάστροφος συζυγής πίνακας του Hv είναι ο H ν H = [ h 1 h 2 h 2 h 1 ],τότε ισχύει η σχέσηh ν H H ν = ( h h 2 2 )I 2 (4.9) Πολλαπλασιάζοντας το διάνυσμα των λαμβανόμενων σημάτων με τον πίνακα H ν H Προκύπτει R = H ν H R (4.10) R = ( h h 2 2 )I 2 S + N (4.11) Όπου Ν = Η Η Ν. Συνεπώς, το κύκλωμα του συνδιαστή κατασκευάζει τα ακόλουθα συνδυασμένα σήματα z 1 = h 1 r 1 + h 2 r 2 = ( h h 2 2 )s 1 + h 1 n 1 + h 2 n 2 (4.12) z 2 = h 2 r 1 h 1 r 2 = ( h h 2 2 )s 2 h 1 n 2 +h 2 n 1 (4.13) Από τις τελευταίες σχέσεις διαπιστώνουμε ότι τα δυο μεταδιδόμενα σήματα έχουν διαχωριστεί, εφόσον κάθε συνδυασμένο σήμα περιλαμβάνει μόνο ένα πολλαπλάσιο του αντίστοιχου μεταδιδόμενου σήματος και θόρυβο. Στη συνέχεια τα συνδυασμένα σήματα προωθούνται στον ανιχνευτή μέγιστης πιθανοφάνειας (MaximumLikelihoodDetector), προκειμένου να αποφασιστεί σε ποιο σύμβολο πληροφορίας αντιστοιχεί το καθένα Κανόνας Απόφασης Μέγιστης Πιθανοφάνειας Έστω sτο σύνολο που περιέχει όλα τα πιθανά ζεύγη συμβόλων {s0,s1}. Υποθέτοντας ότι τα ζεύγη συμβόλων είναι ισοπίθανα ο βέλτιστος φωρατής μέγιστης πιθανοφάνειας δίνεται από τη σχέση s = arg min s S r H s 2 (4.14) Ο κανόνας μέγιστης πιθανοφάνειας μπορεί να απλοποιηθεί σημαντικά, χρησιμοποιώντας τα σήματα που εξάγονται από τον συνδυαστεί. Στην περίπτωση αυτή, η σχέση που ορίζει το βέλτιστο φωρατή γίνεται s = arg min s S z ( h h 2 2 )s 2 2 (4.15) -47-

48 Ο λόγος σήματος προς θόρυβο δίνεται από τη σχέση γ i = ( h h 2 2 )E s 2N 0 (4.16) όπου E s η ενέργεια ενός συμβόλου. Από τη σχέση αυτή επιβεβαιώνεται ότι το σχήμα Alamouti επιτυγχάνει κέρδος διαφορετικότητας ίσο με δύο, που είναι και το μέγιστο για τη συγκεκριμένη διάταξη κεραιών. Η χωροχρονική κωδικοποίηση έχει κερδίσει αρκετό ενδιαφέρον σε ακαδημαϊκό και εμπορικό επίπεδο, εξαιτίας των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει. Βελτιώνει την απόδοση στην κατερχόμενη ζεύξη, χωρίς να απαιτεί την ύπαρξη πολλαπλών κεραιών λήψης στους κινητούς σταθμούς. Συνδυάζεται εύκολα με κωδικοποίηση καναλιού, ώστε να επιτυγχάνεται κέρδος κωδικοποίησης, επιπρόσθετα του κέρδους διαφορετικότητας. Δεν απαιτεί την ύπαρξη πληροφορίας για την κατάσταση του καναλιού στον πομπό. Είναι ανθεκτική έναντι των μη ιδανικών καταστάσεων λειτουργίας όπως σφάλματα στην εκτίμηση του καναλιού στο δέκτη, φαινόμενο Doppler κ.α. Συγκρίνοντας τη χωροχρονική κωδικοποίηση με τη συμβατική κωδικοποίηση καναλιού, παρατηρούμε ότι και οι δύο μέθοδοι βασίζονται σε επεξεργασία των μεταδιδόμενων δεδομένων στο πεδίο του χρόνου. Ωστόσο, η πρόσθετη επεξεργασία που εκτελείται στο πεδίο του χώρου διαφοροποιεί ουσιαστικά τη χωροχρονική κωδικοποίηση: Η κωδικοποίηση καναλιού βελτιώνει την απόδοση εισάγοντας πλεονασμό στο πεδίο του χρόνου, με αποτέλεσμα να υπάρχει αναπόφευκτη απώλεια στην αποδοτικότητα του εύρους ζώνης. Αντίθετα, η χωροχρονική κωδικοποίηση όχι μόνο δεν σπαταλά εύρος ζώνης, αφού εισάγει τον απαραίτητο πλεονασμό στο πεδίο του χώρου, αλλά μπορεί και να αυξήσει αισθητά τη φασματική αποδοτικότητα. Η κωδικοποίηση καναλιού έχει σχεδιαστεί για κανάλια λευκού προσθετικού θορύβου κανονικής κατανομής. Για να είναι δυνατή η εφαρμογή της σε κανάλια εξασθένισης, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ανακατανομή συμβόλων, η οποία εισάγει ανεπιθύμητη καθυστέρηση στη διαδικασία αποκωδικοποίησης. Από την άλλη μεριά, η χωροχρονική κωδικοποίηση έχει σχεδιαστεί ειδικά για MIMO -48-

49 κανάλια εξασθένισης, ενώ δεν έχει καμία χρησιμότητα σε κανάλια AWGN. Επίσης, δεν εισάγει καθυστέρηση στην αποκωδικοποίηση και η μοναδική απαίτηση είναι ο επαρκής διαχωρισμός των κεραιών στο χώρο. Οι trellis κώδικες ήταν η βασική εφαρμογή της ιδέας αυτού του σχήματος κωδικοποίησης και ο αλγόριθμος Viterbi για την αποκωδικοποίηση. Η χωροχρονική κωδικοποίηση απογειώθηκε πραγματικά με την ανακάλυψη των Space Time Block Codes (STBC). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι χωροχρονικοί μπλοκ κώδικες έχουν πολύ μικρότερη πολυπλοκότητα στην αποκωδικοποίηση στο δέκτη, απαιτούν μια απλή γραμμική επεξεργασία σε αντίθεση με τους STTC (Space Time Trellis Codes), όπου η πολυπλοκότητα αποκωδικοποίησης αυξάνεται εκθετικά σαν συνάρτηση του επιπέδου διαφορισιμότητας και του ρυθμού μετάδοσης. Στην κατηγορία των STBC ανήκει και το σχήμα Alamouti που προτάθηκε το 1998 και που επιλύει ουσιαστικά το πρόβλημα. 4.4 Χωροσυχνοτική κωδικοποίηση(sf coding) Αυτή η στρατηγική κωδικοποίησης χρησιμοποιεί επίσης τις πολλαπλές κεραίες σε συνδυασμό όμως με τα κανάλια συχνοτήτων OFDM. Ένας τρόπος για να αντιληφθούμε την χωροσυχνοτική κωδικοποίηση είναι να επεκτείνουμε τον κώδικα Alamouti πάνω σε δύο κανάλια συχνοτήτων εντός ενός OFDM μπλοκ συμβόλων. Η διαφορά εδώ είναι ότι τα δύο σύμβολα s 1 και s 2 στέλνονται από δύο διαφορετικά κανάλια συχνοτήτων του ίδιου συμβόλου OFDM από την κεραία εκπομπής 1. Αντίστοιχα γίνεται για τα s 1 και s 2 πουεκπέμπει η κεραία 2. Ο διαχωρισμός δηλαδή στο πεδίο του χρόνου αντικαθίσταται στο πεδίο της συχνότητας. 4.5 Πλεονεκτήματα MIMO Η έννοια της διαφορισιμότητας - Χωρική, χρονική και συχνοτική διαφορισιμότητα Η έννοια της διαφορισιμότητας σχετίζεται άμεσα με τη χρήση των πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στο δέκτη ως βάση για να επιτύχουμε πιο αξιόπιστη μετάδοση και μεγαλύτερη απόδοση στους ασύρματους ράδιο-δίαυλους. Η διαφορισιμότητα χρησιμοποιείται στα ασύρματα συστήματα για να αντιμετωπίσει μικρής κλίμακας διαλείψεις που προκαλούνται από τις πολλαπλές διαδρομές του μέσου μετάδοσης. -49-

50 Η μετάδοση του σήματος στα ασύρματα ευρυζωνικά κανάλια πάντα υπόκεινται σε εξασθένιση λόγω της επίδρασης των διαλείψεων από την πολυδιαδρομική διάδοση και αυτό το μειονέκτημα υποβαθμίζει σημαντικά τη σωστή λήψη στο δέκτη. Στα ΜΙΜΟ, η ίδια πληροφορία μπορεί να μεταδοθεί και να ληφθεί ταυτόχρονα από πολλές κεραίες και επειδή συνήθως η εξασθένηση για κάθε ζεύξη ανάμεσα σε ένα ζεύγος κεραιών εκπομπής και λήψης μπορεί να θεωρηθεί ανεξάρτητη, η πιθανότητα σωστής επανάκτησης της πληροφορίας στο δέκτη αυξάνεται. Εάν δηλαδή λαμβάνονται αρκετά σήματα λόγω των πολλαπλών διαδρομών από ανεξάρτητες πολλαπλές κεραίες, τότε υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ένα από αυτά να μην έχει πάθει διάλειψη σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή. Είναι προφανές ότι η πιθανότητα αυτή αυξάνεται όταν αυξάνεται ο αριθμός των κεραιών. Εδώ υπεισέρχεται και η έννοια της χωρικής διαφορισιμότητας, δηλαδή η μετάδοση και η λήψη σημάτων πληροφορίας από κεραίες που είναι χωρισμένες ή διαφορετικά πολωμένες, δηλαδή που χωρίζονται περισσότερο από την απόσταση συνοχής. Η απόσταση συνοχής είναι η μικρότερη χωρική απόσταση των κεραιών για να λαμβάνουμε σήματα που έχουν ανεξάρτητες διαλείψεις. Η χωρική συσχέτιση των λαμβανόμενων σημάτων από διαφορετικά στοιχεία μιας κεραίας σχετίζεται με το γωνιακό εύρος των λαμβανόμενων σημάτων. Γενικά, όσο αυξάνεται η διασπορά γωνίας στο δέκτη και όσο πιο μεγάλο είναι το πηλίκο d, όπου d η λ απόσταση των στοιχείων και λ το μήκος κύματος της φέρουσας του λαμβανόμενου σήματος, τόσο πιο εξασθενημένο εμφανίζεται το φαινόμενο της χωρικής συσχέτισης. Πέρα από τη χωρική διαφορισιμότητα, υπάρχουν η χρονική διαφορισιμότητα και η συχνοτική διαφορισιμότητα. Η χρονική διαφορισιμότητα εκμεταλλεύεται τις χρονικές διαλείψεις σε ένα ασύρματο δίαυλο. Η προς μετάδοση πληροφορία καταλαμβάνει ένα κομμάτι του χρόνου που είναι μεγαλύτερο από το χρόνο συνοχής. Ο χρόνος συνοχής του καναλιού είναι ο μικρότερος χρόνος διαχωρισμού μεταξύ ανεξάρτητων διαλείψεων. Παρόμοια, η συχνοτική διαφορισιμότητα έχει αποτέλεσμα όταν υπάρχουν διαλείψεις στη συχνότητα. Η πληροφορία διανέμεται σε ένα φάσμα συχνοτήτων μεγαλύτερο από το εύρος συνοχής του καναλιού, που είναι η μικρότερη συχνότητα διαχωρισμού μεταξύ ανεξάρτητων διαλείψεων του καναλιού. -50-

51 4.5.2 Χωρική Πολυπλεξία Ενώ το κέρδος της χωρικής διαφορισιμότητας μπορεί να εξασφαλιστεί όταν υπάρχουν πολλαπλές κεραίες στον πομπό ή στο δέκτη, η χωρική πολυπλεξία απαιτεί πολλαπλές κεραίες τόσο στον πομπό όσο και στο δέκτη. Η ιδέα της χωρικής πολυπλεξίας είναι ότι η χρήση πολλαπλών κεραιών και στον πομπό και στο δέκτη σε συνδυασμό με ένα μέσο διάδοσης με πολλούς σκεδαστές κάνει τα πολλαπλά δεδομένα της ίδιας ζώνης συχνοτήτων να οδηγούν σε μια γραμμική (με τον αριθμό των κεραιών) αύξηση της χωρητικότητας. Η αύξηση της χωρητικότητας γίνεται χωρίς την αύξηση του εύρους ζώνης ή της ισχύος μετάδοσης και αυτό είναι πολύ σημαντικό. Η προς μετάδοση ροή δεδομένων διασπάται σε παράλληλες υπορροές δεδομένων που θα μεταδοθούν ταυτόχρονα και με το ίδιο εύρος συχνοτήτων από τις πολλαπλές κεραίες. Η χωρική πολυπλεξία από μόνη της επιτρέπει την πλήρη εκμετάλλευση των κεραιών αλλά δίνει περιορισμένο κέρδος διαφορισιμότητας και σπάνια είναι το καταλληλότερο σχήμα μετάδοσης για ένα δεδομένο επίπεδο BER. Η κωδικοποίηση των συμβόλων εντός ενός μπλοκ μπορεί να φέρει περισσότερο κέρδος διαφορισιμότητας και κωδικοποίησης, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση παρότι ο ρυθμός δεδομένων μένει στο ίδιο επίπεδο. Είναι επίσης δυνατό να θυσιάσουμε και μέρος του ρυθμού δεδομένων για περισσότερη διαφορισιμότητα. Στη συνέχεια, η βελτιωμένη απόδοση του ρυθμού σφαλμάτων θα δώσει έμμεσα καλύτερο ρυθμό δεδομένων, επιτρέποντας υψηλότερου επιπέδου διαμορφώσεις, όπως η 16-QAMαντί για την QPSKκοκ. -51-

52 5 Ο Ασύρματος Δίαυλος 5.1 Εισαγωγή Η διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά κανάλια πραγματοποιείται σύμφωνα με τρεις μηχανισμούς : α) την ανάκλαση, B) την περίθλαση και γ) τη σκέδαση. Η ανάκλαση εμφανίζεται όταν τα μεταδιδόμενα κύματα προσπίπτουν σε επιφάνειες με διαστάσεις πολύ μεγαλύτερες σε σχέση με το μήκος κύματος τους, πχ η επιφάνεια της Γης, ψηλά κτίρια, τοίχους κλπ. Η περίθλαση εμφανίζεται όταν μεταξύ των κεραιών πομπού και δέκτη υπάρχει αιχμηρό εμπόδιο, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται δευτερεύοντα κύματα ακόμα και όταν δεν υπάρχει διαδρομή οπτικής επαφής (line of sight - ΟΕ). Η σκέδαση δημιουργείται όταν τα μεταδιδόμενα κύματα προσπίπτουν σε εμπόδια των οποίων οι διαστάσεις είναι ίδιας ή μικρότερης τάξης μεγέθους από το μήκος κύματος του σήματος και προκαλεί την πολλαπλή αλλαγή κατεύθυνσης της ενέργειας. Σκεδαζόμενα κύματα εμφανίζονται όταν τα κυρίως κύματα προσπίπτουν για παράδειγμα σε πινακίδες, φώτα δρόμων κλπ. Σαν αποτέλεσμα των τριών παραπάνω μηχανισμών η ασύρματη διάδοση μπορεί, σε γενικές γραμμές, να χαρακτηριστεί από τρία φαινόμενα : α) τις απώλειες διαδρομής (pathloss), B) τις Διαλείψεις Μεγάλης Κλίμακας - σκίαση και γ) τις Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας - πολλαπλής διαδρομής. Στο Σχ. 21, παρουσιάζεται ο λόγος μεταξύ της ισχύος λήψης προς την ισχύ εκπομπής, σε db, ως συνάρτηση της απόστασης, σε λογαριθμική κλίμακα, για το συνδυασμό των τριών αυτών φαινομένων. -52-

53 Εικόνα 21: Απώλειες διαδρομής, σκίασης και διαλείψεων πολλαπλής διαδρομής, ως συνάρτηση της απόστασης[14]. 5.2 Απώλειες Διαδρομής Για τον υπολογισμό των απωλειών διαδρομής γίνεται η χρήση του μοντέλου διάδοσης σε ελεύθερο χώρο. Το μοντέλο διάδοσης σε ελεύθερο χώρο χρησιμοποιείται για να γίνει μια εκτίμηση της ισχύς του λαμβανόμενου σήματος όταν ο πομπός και ο δέκτης έχουν καθαρή, χωρίς εμπόδια, διαδρομή μεταξύ τους. Η λαμβανόμενη ισχύς σε ελεύθερο χώρο δίνεται από το νόμο του Friis ως [46] P r (d) = P tg r G t λ 2 (4π) 2 d 2 L (5.1) όπουp t είναι η εκπεμπόμενη ισχύς,g t καιg r είναι τα κέρδη των κεραιών εκπομπής και λήψης αντίστοιχα, λ είναι το μήκος κύματος του σήματος, σε m,d είναι η απόσταση των κεραιών εκπομπής και λήψης, σε m, και L> 1 είναι ο παράγοντας απωλειών του συστήματος που δεν εξαρτάται από τη διάδοση. Η 5.1 δείχνει ότι η λαμβανόμενη ισχύς μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης πομπού δέκτη. -53-

54 5.3 Διαλείψεις Μεγάλης Κλίμακας-Φαινόμενο Σκίασης Πέρα από τις απώλειες διαδρομής ένα άλλο ζήτημα που επηρεάζει την ποιότητα του μεταδιδόμενου σήματος στο ασύρματο κινητό περιβάλλον είναι το φαινόμενο της σκίασης. Συγκεκριμένα, εάν ένα ράδιο-σήμα υπόκειται σε σκίαση, η ισχύς που λαμβάνεται στο δέκτη εμφανίζει σχετικά αργά μεταβαλλόμενες διακυμάνσεις. Στο Σχ. 22, απεικονίζεται η λαμβανόμενη ισχύς του σήματος σε ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα σαν συνάρτηση της απόστασης. Εικόνα 22: Τα φαινόμενα των Διαλείψεων Μεγάλης Κλίμακας και Μικρής Κλίμακας σε ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα[14]. Παρατηρούνται ξεκάθαρα οι γρήγορες διακυμάνσεις της ισχύς του σήματος όσο ο δέκτης κινείται, που οφείλονται στις Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας, και οι αντίστοιχες διακυμάνσεις που οφείλονται στις ΔΜΕΚ, όπου η τοπική μέση μεταβολή του σήματος πραγματοποιείται βαθμιαία. Γενικότερα, οι διακυμάνσεις στην ισχύ που οφείλονται στις ΔΜΕΚ δημιουργούνται εξαιτίας της παρεμπόδισης από μεγάλα αντικείμενα που υπάρχουν μεταξύ πομπού και δέκτη, πχ κτίρια, δέντρα, ανάγλυφο του εδάφους. Επίσης, οι διακυμάνσεις αυτές οφείλονται στις μεταβολές του σήματος από τις επιφάνειες ανάκλασης και τα αντικείμενα σκέδασης στα οποία προσπίπτει. Συνεπώς, εξαιτίας του γεγονότος ότι η περιοχή, το μέγεθος και οι διηλεκτρικές ιδιότητες των αντικειμένων παρεμπόδισης, όπως επίσης και οι μεταβολές του σήματος από τις σκεδάσεις και ανακλάσεις, είναι άγνωστες, χρησιμοποιούνται στατιστικά μοντέλα για το χαρακτηρισμό των διακυμάνσεων. -54-

55 Το πιο διαδεδομένο μοντέλο για την περιγραφή αυτών των διακυμάνσεων είναι η σκίαση log-normal. Αυτό το μοντέλο έχει επιβεβαιωθεί εμπειρικά ότι μοντελοποιεί επακριβώς τις διακυμάνσεις στη λαμβανόμενη ισχύ και για το εσωτερικό και για το εξωτερικό περιβάλλον διάδοσης. Ο λόγος εκπεμπόμενης προς λαμβανόμενης ισχύς, ψ = P t /P r, θεωρείται ότι είναι τυχαίος και ακολουθεί την κατανομή log-normal που δίνεται από p(ψ)= ξ 2πσ ψdb ψ (10 log(ψ) μψdb)2 exp [ ], ψ 0 (5.2) 2σ 2 ψdb Όπου ξ=10/ln10,μ ψdb είναι η μέση τιμή τουψ db,σε db, και σ ψdb είναι η τυπική απόκλιση τουψ db,σε db. 5.4 Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας-Φαινόμενο Πολλαπλής Διαδρομής Οι ΔΜΙΚ είναι οι μικρές διακυμάνσεις που παρατηρούνται στο πλάτος, τη φάση και τις χρονικές καθυστερήσεις των ράδιο-σημάτων σε μια μικρή απόσταση ή περίοδο του χρόνου. Οι διαλείψεις αυτές οφείλονται σε παρεμβολές μεταξύ δύο ή περισσοτέρων εκδοχών του εκπεμπόμενου σήματος οι οποίες λαμβάνονται στο δέκτη σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Στο Σχ.23, απεικονίζονται οι γρήγορες διακυμάνσεις του πλάτους των διαλείψεων σαν συνάρτηση του χρόνου. Εικόνα 23: Πλάτος διαλείψεωνrayleigh[14]. -55-

56 Υπάρχουν πολλοί φυσικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας σε ένα ασύρματο κανάλι διάδοσης. Οι πιο σημαντικοί είναι: Διάδοση πολλαπλής διαδρομής : Οι μηχανισμοί διάδοσης των κυμάτων έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία πολλαπλών εκδοχών του εκπεμπόμενου σήματος, οι οποίες λαμβάνονται στην κεραία λήψης, μετατοπισμένες στο χωρικό και χρονικό προσανατολισμό. Τα διαφορετικά αυτά κύματα πολλαπλής διαδρομής έχουν τυχαίο πλάτος και φάση, δημιουργώντας έτσι διακυμάνσεις στην ισχύ των σημάτων και συνεπώς Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας. Κίνηση του κινητού : Η σχετική κίνηση μεταξύ του σταθμού βάσης και ενός κινητού δέκτη επιφέρει τυχαία μεταβολή της συχνότητας εξαιτίας των διαφορετικών μετατοπίσεων Doppler των κυμάτων πολλαπλής διαδρομής. Η μετατόπιση Doppler μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ανάλογα με το αν ο κινητός δέκτης πλησιάζει ή απομακρύνεται από το σταθμό βάσης. Κίνηση των αντικειμένων του περιβάλλοντος: Η κίνηση των αντικειμένων σε ένα ασύρματο κανάλι επιφέρει μια χρονικά μεταβαλλόμενη μετατόπιση Doppler στα κύματα πολλαπλής διαδρομής. Η κίνηση των αντικειμένων του περιβάλλοντος λαμβάνεται υπόψη όταν είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του κινητού δέκτη, αλλιώς μπορεί να αγνοηθεί και να εξεταστεί μόνο η ταχύτητα του δέκτη. Εύρος ζώνης εκπομπής του σήματος: Εάν το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου ράδιο-σήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του καναλιού πολλαπλής διαδρομής, το λαμβανόμενο σήμα θα παραμορφωθεί αλλά οι ΔΜΙΚ δεν θα είναι σημαντικές. Εάν το εκπεμπόμενο σήμα έχει μικρότερο εύρος ζώνης σε σύγκριση με εκείνο του καναλιού, το πλάτος του σήματος θα μεταβάλλεται γρήγορα αλλά το σήμα δεν θα παραμορφώνεται στο χρόνο. -56-

57 Για τη μοντελοποίηση των διαλείψεων πολλαπλής διαδρομής χρησιμοποιούνται διάφορες κατανομές όπως η Rayleigh, Nakagami και η Weibull. H εξίσωση της κατανομής δίνεται από την παρακάτω σχέση f R (x) = 2x exp ( x 2 ), x 0 (5.3) Ω Ω Όπου Ω η παράμετρος κλίμακας της κατανομής. 5.5 Θόρυβος Ο θερμικός θόρυβος οφείλεται στην τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στα αγώγιμα υλικά των ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Ως εκ τούτου, προκαλείται κατά τη μετάδοση δεδομένων και οφείλεται στις ηλεκτρονικές διατάξεις του δέκτη. Ο θόρυβος είναι μια στοχαστική διαδικασία και περιγράφεται από το μοντέλο του προσθετικού λευκού Gaussianθορύβου (AWGN). Εικόνα 24: Επίδραση θορύβου στο λαμβανόμενο σήμα Ο προσθετικός λευκός θόρυβος είναι μια τυχαία διαδικασία nt( ) με μηδενική μέση τιμή και ακολουθεί κανονική κατανομή (Gauss), δηλαδή είναι μια τυχαία -57-

58 συνάρτηση της οποίας η τιμή σε κάθε χρονική στιγμή ακολουθεί την συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας p(n)= 1 n 2 σ 2π e 2σ 2 (5.4) όπου σ 2 είναι η διακύμανση της μεταβλητής n και ισούται μεν Κανάλι ΜΙΜΟ Όπως περιγράφηκε στο 4ο κεφάλαιο, στα συστήματα MIMO τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης διαθέτουν κεραίες πολλαπλών στοιχείων. Αν υποθέσουμε ότι ο πομπός διαθέτειm t κεραίες και ο δέκτης Μ r, τότε ο πομπός εκπέμπει από τηνj κεραία το σήμαs j ( t ) και ο δέκτης λαμβάνει στην i κεραία το σήμα r i ( t ). Το τελικό σήμα φαίνεται στην παρακάτω εξίσωση: M t y i (t) = j=1 h i,j (t) s j (t)(5.5) Το ασύρματο κανάλι περιγράφεται από τον παρακάτω πίνακα: h 11 h 1Mt H(t)=[ ] h Mr 1 h Mr M t του οποίου τοi,j στοιχείο είναι το υπό-κανάλι διάδοσης μεταξύ τηςj κεραίας του πομπού και τηςi κεραίας του δέκτη και το λαμβανόμενο σήμα είναι ένα διάνυσμα μεγέθουςμ r 1: y(t) = H(t)*s(t),όπουs(t) διάνυσμα μεγέθουςm t 1του οποίου τοj στοιχείο είναι το σήμα το οποίο στέλνεται μέσω της j κεραίας του πομπού. Για να έχουμε χωρικά ανεξάρτητα υπό-κανάλια διάδοσης τα στοιχεία του πίνακα H πρέπει είναι μεταξύ τους ανεξάρτητα. Για να θεωρήσουμε δηλαδή ότι τα υπό-κανάλια διάδοσης είναι χωρικά ασυσχέτιστα πρέπει η απόσταση των κεραιών λήψης να είναι μεγαλύτερη της απόστασης συνοχής και η απόσταση των κεραιών του πομπού επίσης, μεγαλύτερη της απόστασης συνοχής. Ως απόσταση συνοχής ορίζουμε την ελάχιστη απόσταση μεταξύ των κεραιών ώστε να υπόκεινται αυτές σε ανεξάρτητες διαλείψεις.[18] -58-

59 6 LTE Standard 6.1 Γενικά Ο όρος LTE (Long Term Evolution) εκφράζει το επόμενο σημαντικό βήμα στις κινητές ραδιοεπικοινωνίες, αποτελεί πρότυπο της 3GPP (3 rd Generation Partnership Project) και θα εισαχθεί στην έκδοση 8 (Release 8). Ο στόχος της 3GPP είναι η καθολική βελτίωση των κινητών τηλεπικοινωνιών UMTS και να παρασχεθεί μια ενισχυμένη εμπειρία χρηστών και μια απλουστευμένη τεχνολογία για την ευζωνική κινητή τηλεφωνία επόμενης γενεάς. Το πρότυπο της 3GPP Release 8 προσανατολίζεται κυρίως γύρω από την αναβάθμιση του UMTS στο 4G και την μεταμόρφωση της αρχιτεκτονικής δικτύου από ιεραρχική σε επίπεδη, βασισμένη στο πρωτόκολλο IP. Το LTE προβλέπει μια μέγιστη downlink ταχύτητα(peak rate) 100 Mbps, μια uplink ταχύτητα 50 Mbps και roundtrip χρόνος λιγότερο από 10ms στο δίκτυο πρόσβασης(rαν). Επίσης, θα αποφέρει πολλά τεχνικά οφέλη στα κυψελοειδή δίκτυα. Υποστηρίζει τα εύκαμπτα ράδιο-ευρυζωνικά σχήματα (flexible carrier bandwidths) από 1.25 έως 20 MHZ καθώς επίσης και τα ντούμπλεξ σχήματα FDD και TDD. Αυτό θα ανταποκριθεί στις ανάγκες των διαφορετικών φορέων εκμετάλλευσης δικτύου που έχουν διαφορετικές κατανομές εύρους ζώνης, και επιτρέπουν επίσης στους διαχειριστές να παρέχουν διαφορετικές υπηρεσίες που βασίζονται στο φάσμα. Το LTE αναμένεται επίσης να βελτιώσει τη φασματική αποδοτικότητα στα 3G δίκτυα, που χαμηλώνει τις δαπάνες, βελτιώνοντας τις υπηρεσίες εφόσον επιτρέπουν στους φορείς να παρέχουν περισσότερη πληροφορία και υπηρεσίες φωνής πέρα από ένα δεδομένο εύρος ζώνης, χρησιμοποιώντας νέο φάσμα και τις ευκαιρίες του refarmed φάσματος, και προκαλώντας καλύτερη ενσωμάτωση με άλλα ανοικτά πρότυπα. Τα κύρια πλεονεκτήματα του LTE είναι το υψηλό throughput(μέσος όρος επιτυχούς παράδοσης μηνύματος), low latency, FDD/TDD στην ίδια πλατφόρμα, εξαιρετική εμπειρία για τον χρήστη και απλή αρχιτεκτονική με συνέπεια τις χαμηλές δαπάνες (OPEX). Το LTE θα υποστηρίξει επίσης τη συνεχή σύνδεση (back ward compatibility) στα υπάρχοντα δίκτυα, όπως το GSM, CDMA και WCDMA. Εντούτοις η δομή του LTE αποτελείτε από καινούργιες αρχιτεκτονικές/τεχνολογίες RAN και core δικτύου και δεν είναι συμβατές με τις προηγούμενες παρούσες τεχνολογίες και εκδόσεις των συστημάτων UMTS.[12],[7] -59-

60 Το πρότυπο περιλαμβάνει: Υποστήριξη εύρους ζώνης 1.4, 3.0, 5.0, 10.0, και 20.0 MHz Μέγιστο ρυθμό δεδομένων που προσαρμόζεται με το εύρος ζώνης του συστήματος Peak down load rates των 100 Mbps για κάθε 20 MHz φάσματος. Peak up load ratesτων 50 Mbpsγια κάθε 20 MHz φάσματος. Υψηλή φασματική αποδοτικότητα OFDM στο Downlink DFTS-OFDM("Single-Carrier FDMA") in Uplink Multi Antenna application Αριθμός Κεραιών Downlink: 4x2, 2x2, 1x2, 1x1 Uplink: 1x2, 1x1 5 διαφορετικές κατηγορίες τερματικών οι οποίες έχουν καθοριστεί αφ ενός ως voice centric με επίκεντρο τη φωνή, και αφ ετέρου ως data centric με την δυνατότητα να χειρίζονται μεγάλες ποσότητες δεδομένων σε υψηλές ταχύτητες. Όλα τα τερματικά θα είναι σε θέση να επεξεργαστούν το εύρος ζώνης των 20 MHz. Τουλάχιστον 200 ενεργοί χρήστες σε κάθε κυψέλη των 5 MHz (δηλ., 200 ενεργοί data χρήστες) Latency Μικρός setup χρόνος και μικρή καθυστέρηση μεταφοράς Κάτω από 5ms latency για τα μικρά πακέτα IP C-plane: < msec to establish U-plane U-plane: <10 msec from UE to server Αυξανόμενη ευελιξία φάσματος, με τις φέτες φάσματος πχ. των 1,5 MHz (έως και 20 MHz) που υποστηρίζονται (το W- CDMA απαιτεί φέτες των 5 MHz, που οδηγούν σε προβλήματα με rollouts σε χώρες όπου 5 MHz διατιθέμενο ποσό σε χρήση legacy 2G δικτύων δηλαδή GSM and cdma One.) Ο περιορισμός των μεγεθών σε 5 MHz περιορίζει επίσης το εύρος ζώνης ανά κινητό. Κάλυψη Πλήρης απόδοση μέχρι 5 km Μικρή υποβάθμιση στα 5 km - 30 km -60-

61 Λειτουργία μέχρι 100 km δεν πρέπει να αποκλειστεί από το πρότυπο. Συνύπαρξη με legacy δίκτυα (οι χρήστες μπορούν διαφανώς να αρχίσουν μια κλήση χρησιμοποιώντας LTE, και, εάν η κάλυψη είναι μη διαθέσιμη, να συνεχίσει η κλήση χωρίς οποιαδήποτε δράση από τη μεριά του user μέσω GSM /GPRS ή WCDMA. Κινητικότητα (Mobility) Βελτιστοποιημένη για χαμηλές ταχύτητες (<15 km /hr) Υψηλή επίδοση σε ταχύτητες άνω των 120 km/hr Διατηρείτε η σύνδεση σε ταχύτητες άνω των (Maintainlink) 350 km /hr FDD και TDD within a single radio access technology Υποστήριξη MBSFN (Multicast Broadcast Single Frequency Network). Αυτό το χαρακτηριστικό υποστηρίζει υπηρεσίες όπως τη κινητή TV χρησιμοποιώντας την υποδομή LTE. Ένα μεγάλο ποσοστό του σχεδιασμού στοχεύει στην απλούστευση της αρχιτεκτονικής καθώς διέρχεται από το υπάρχον circuits witched/packets witched 3G δίκτυο, σε ένα επίπεδο all IP σύστημα αρχιτεκτονικής [9]. Εικόνα 25: LTE Release 8 Major Parameters -61-

62 Εικόνα 26: LTE-Release 8 User Equipment Categories Το σύστημα ράδιο-διεπαφής (air interface) της Release 8 γνωστό ως E-UTRA (δηλαδή εξελιγμένο UTRA) χρησιμοποιεί OFDM για την downlink σύνδεση (πύργος/σταθμός προς κινητό) και τον ενιαίο μεταφορέα FDMA (Sc-Fdma) για uplink και υιοθετεί MIMO με μέχρι τέσσερις κεραίες (δηλ.4x4) ανά σταθμό. Το σχέδιο κωδικοποίησης καναλιών για transport blocks είναι κωδικοποίηση turbo και contention free, τετραγωνικό permutation πολυωνυμικό (QPP), turbo εσωτερικό interleaver. -62-

63 6.2 LTE Physical Layer Γενική Δομή Πλαισίων Το LTEPHYDL και UP παρουσιάζουν πολλές διαφορές. Ένα κοινό τους στοιχείο είναι η γενική δομή πλαισίων για τη λειτουργία FDD (Frequency division duplexing) [7]. Εικόνα 27: LTE Γενική Δομή Πλαισίου Στο LTE οι μεταδόσεις οργανώνονται σε πλαίσια(frames), τα οποία έχουν διάρκεια 10 msec. Το κάθε πλαίσιο αποτελείται από 20 χρόνο-θυρίδες των 0.5 msec. Τα υπό-πλαίσια(sub-frames) περιέχουν δύο χρόνο-θυρίδες με 1 msec διάρκεια Downlink Το LTE χρησιμοποιεί OFDM για την downlink σύνδεση δηλαδή από το σταθμό βάσεως έως το τερματικό. Καλύπτει την απαίτηση του LTE για την ευελιξία φάσματος και επιτρέπει τις οικονομικά αποδοτικές λύσεις για τους πολύ ευρείς μεταφορείς με high peak rates. Το time domain περιέχει radio frame διάρκειας 10 ms και αποτελείται από 10 υπόπλαίσια (sub-frames) διαρκείας 1ms το κάθε ένα. Κάθε υπό- πλαίσιο αποτελείται από 2-63-

64 slotsτων 0,5 ms. Το διαχωριστικό φάσμα μεταξύ των carriers είναι 15 khz. Δώδεκα από αυτούς τους carriers αποτελούν ομάδα η οποία ονομάζετε resource block, άρα κάθε resource block καταναλώνει 180 khz. Τα υποστηριζόμενα συστήματα πολυπλεξίας στα downlink κανάλια είναι QPSK, 16QAM και 64QAM. Για τη λειτουργία MIMO, μια διάκριση γίνεται μεταξύ του ενιαίου χρήστη MIMO, για την ενίσχυση data throughput του χρήστη, και του πολυχρήστη MIMO για την ενίσχυση της cell throughput. Στα συστήματα MIMO, ο transmitter σημάτων στέλνει τα πολλαπλάσια streams από πολλαπλάσιες transmit κεραίες. Τα transmit streams περνούν από ένα matrix κανάλι που αποτελείται από πολλαπλές transmit antennas στον transmitter και πολλαπλές receive antennas στον δέκτη. Κατόπιν, ο δέκτης παίρνει τα λαμβανόμενα vectors σημάτων από τις multiple receive antennas και αποκωδικοποιεί τα λαμβανόμενα vectors σημάτων στις αρχικές πληροφορίες. Spatial Multiplexing τεχνικές καθιστούν τους δέκτες πολύ σύνθετους, και επομένως συνδυάζονται με OFDM ή OFDMA, όπου τα προβλήματα που δημιουργούνται από τις πολλαπλές διαδρομές (multi path effects) αντιμετωπίζονται αποτελεσματικά Uplink Στο Uplink, το LTE χρησιμοποιεί μια προ-κωδικοποιημένη OFDM έκδοση δηλαδή Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SCFDMA). Το SC-FDMA προσφέρει αντιστάθμιση σε βασικό μειονέκτημα του OFDM, δηλαδή την πολύ υψηλή αιχμή Peak to Average Power Ratio (PAPR). Υψηλό PAPR απαιτεί τους ακριβούς και ανεπαρκείς ενισχυτές με τις υψηλές απαιτήσεις στη γραμμικότητα (linearity), η οποία αυξάνει το κόστος του τερματικού και στραγγίζει την μπαταρία γρηγορότερα. Το SC-FDMA λύνει αυτό το πρόβλημα με την συγκέντρωση των resource blocks κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μειώνει την ανάγκη για τη γραμμικότητα, και έτσι και την απαιτούμενη κατανάλωση ισχύος, του poweramplifier. Ένα χαμηλό PAPR βελτιώνει επίσης την κάλυψη και την απόδοση στα άκρα του ράδιο δικτύου (celledge). Modulation στο uplink συμπεριλαμβάνει QPSK, 16QAM και 64QAM. Εάν χρησιμοποιηθεί εικονικό MIMO/Spatial Division Multiplex Access (SDMA) το data rate στο uplink μπορεί να αυξηθεί ανάλογα με τον αριθμό κεραιών στο σταθμό βάσεως. Με αυτό το τρόπο περισσότερα κινητά έχουν την δυνατότητα να επαναχρησιμοποιήσουν τους ίδιους πόρους. -64-

65 6.3 LTE Advanced Το LTE παρόλες τις βελτιώσεις δεν εκφράζει τις προδιαγραφές των 4G ή IMT advanced δικτύων όπως καθορίζονται από τη διεθνή ένωση τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union ή ITU). Οι τρέχουσες προδιαγραφές για LTE Advanced: 1. Μέγιστη Ταχύτητα Δεδομένων: a. DL:1 Gbps b. UL: 500 Mbps 2. Εύρος ζώνης μετάδοσης: Ευρύτερο από περίπου 70 MHz σε DL και 40 MHzσεUL 3. Latency : a. Up lane IDLE (με διευθετημένη την διεύθυνση IP) σε CONNECTED< 50 ms b. Up lane latency< 5 ms ερχόμενη ή απερχόμενη κατεύθυνση από το RAN με ποσοστό αναμεταδόσεων 30% (FFS) 4. Διεκπεραιωτικότητα δυο φορές υψηλότερη από LTE (celledge) 5. Μέση διεκπεραιωτικότητα 3 φορές υψηλότερη από LTE 6. Χωρητικότητα (αποδοτικότητα φάσματος) 3 φορές υψηλότερη από το LTE 7. Μέγιστη αποδοτικότητα φάσματος: a. DL : 30 bps/hz b. UL: 15 bps/hz 8. Ευελιξία φάσματος: Υποστήριξη εξελικτικού εύρους ζώνης και φάσματος 9. Κινητικότητα (Mobility): Όπως στο LTE συμβατότητα σε λειτουργικότητα και αλληλεπίδραση με LTE και 3GPP Legacy δίκτυα. Το LTE advanced τυποποιείτε από την 3GPP Release 10, θεωρείται ως η πρώτη αληθινή 4G τεχνολογία, διατελεί ομαλή εξέλιξη των προτύπων LTE και βασίζετε στην ίδια φιλοσοφία. Ένα σημαντικό αποτέλεσμα είναι οι διάφορες αλλαγές στο physical radio layer οι οποίες υποστηρίζουν μεγαλύτερα bandwidths με πιο εύκαμπτες κατανομές ώστε να χρησιμοποιήσουν τις περαιτέρω ενισχυμένες τεχνολογίες κεραιών. -65-

66 7 Προσομοιώσεις Και Αποτελέσματα στο Matlab 7.1 Παρουσίαση Συστήματος Προσομοίωσης Στην παρούσα πτυχιακή εργασία προσομοιώθηκε ένα σύστημα LTE χαμηλού επιπέδου με χωρική πολυπλεξία με 2 κεραίες στον πομπό και 2 κεραία στο δέκτη (Release 10). Η πειραματική μελέτη πραγματοποιήθηκε στον υπολογιστή με τη βοήθεια του προγραμματιστικού περιβάλλοντος MATLAB. Εικόνα 28: Μοντέλο Simulink Θα χρησιμοποιήσουμε τρεις μεθόδους διαμόρφωσης (QPSK,16-QAM,64-QAM) ώστε να δούμε τις διαφορές στους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και που θα πετύχουμε την υψηλότερη μετάδοση. Το ρυθμό μετάδοσης το βρίσκουμε από: (Φορείς δεδομένων)x(ρυθμός κωδικοποίησης)x(κωδικοποιημένα bits ανά φορέα) προς τη συνολική διάρκεια συμβόλου (Ts). -66-

67 7.2 Αποτελέσματα Κατά την διάρκεια της προσομοιώσεις του μοντέλου θα πάρουμε αποτελέσματα: Bit error rate για PDSCH bits ανά κωδική λέξη (PBER) Block error rate για τα blocks μεταφοράς (BLER) Bit error rate για τα δεδομένα bits ανά κωδική λέξη (CBER) Στα διαγράμματα που θα ακολουθήσουν θα δούμε το λαμβανόμενο σήμα διασποράς ανά ληφθέν κεραία μετά από OFDM επεξεργασία στο δέκτη και μετά από MIMO επεξεργασία στο δέκτη. Θα έχουμε την δυνατότητα να συγκρίνουμε τα δύο σύνολα των παρατηρήσεων, και να υπολογίσουμε το διαχωρισμό του σήματος που επιτυγχάνετε στο δέκτη, όπου επηρεάζει άμεσα την απόδοση του PDSCH bit error rate. ΓΙΑ QPSK : Εικόνα 29: Λαμβανόμενο σήμα ανά ληφθέν κεραία μετά από OFDM επεξεργασία στο δέκτη. -67-

68 Εικόνα 30: Λαμβανόμενο σήμα ανά ληφθέν κεραία μετά από MIMO επεξεργασία στο δέκτη. Στην QPSK διαμόρφωση βλέπουμε ότι η αξιοποίηση του εύρους ζώνης και ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων είναι μικρή (7.992Mbps). -68-

69 Bit error rates: BLER: 0 CBER: 0 PBER: ΓΙΑ 16QAM: -69-

70 Στην 16-QAM διαμόρφωση βλέπουμε μεγαλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης και τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων έως και δυο φορές μεγαλύτερο από την QPSK (15.264Mbps). Bit error rates: BLER: 1 CBER: PBER:

71 ΓΙΑ 64-QAM: -71-

72 Στην 64-QAM διαμόρφωση βλέπουμε ακόμα μεγαλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης και ότι επιτυγχάνεται ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (30.032Mbps) με ρυθμό κωδικοποίησης 3/4. Bit error rates: BLER: 1 CBER: PBER: Επίλογος Το μοντέλο αυτό μας προσέφερε μια εικόνα μέσα από την λειτουργία του συστήματος LTE release 10 για τα υποσυστήματα του καναλιού, του πομπού και του δεκτή με ρυθμίσεις παραμέτρων. Είδαμε διάφορες μορφές διαμόρφωσης καθώς και το πώς συμπεριφέρονται. Τα δίκτυα επικοινωνιών εξελίσσονται με γοργούς ρυθμούς έτσι ώστε να καλύπτονται όλο και περισσότερες ανάγκες. Ήδη έχει αρχίσει η ερευνά των δικτύων 5 ης γενιάς κάτι που σημαίνει ότι θα προσφέρει πολύ υψηλότερες ταχύτητες και πολλές άλλες βελτιώσεις. -72-