Εισαγωγή. Προχωρημένα Θέματα Τηλεπικοινωνιών. Συστήματα Διάχυτου Φάσματος. Συστήματα Επικοινωνίας Διάχυτου Φάσματος.

Transcript

1 Προχωρημένα Θέματα Τηλεπικοινωνιών Συστήματα Επικοινωνίας Διάχυτου Φάσματος (Spread Spetrum) Code Division Multiple Aess (CDMA) Εισαγωγή Βασικός στόχος κατά το σχεδιασμό τηλεπικοινωνιακών συστημάτων είναι η αξιόπιστη μετάδοση πληροφορίας με: αποδοτική χρήση φάσματος αποδοτική χρήση ισχύος Ο στόχος επιτυγχάνεται με κατάλληλο σχεδιασμό των διαφόρων υποσυστημάτων Κωδικοποίηση Πηγής / Κωδικοποίηση Καναλιού / Μορφοποίηση Παλμού / Διαμόρφωση / Συγχρονισμός / Ισοστάθμιση κλπ. Επιπλέον σχεδιαστικoί παράγοντες υπεισέρχονται στα Συστήματα Πολλαπλής Προσπέλασης (Multiple Aess): η αμοιβαία παρεμβολή των χρηστών περιορίζει την επίδοση του συστήματος (π.χ.,., FDMA, TDMA) η ανάγκη ευελιξίας στον τρόπο χρήσης τους Μια εναλλακτική λύση: συστήματα διάχυτου φάσματος (spread spetrum systems) ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 2 Συστήματα Διάχυτου Φάσματος Χαρακτηριστικά: Διάχυτο φάσμα: αν Τ s η περίοδος συμβόλου, τότε R=1/T s W: εύρος ζώνης του καναλιού επιλέγεται W>>R συντελεστής διεύρυνσης Β e =W/R >> 1 Ψευδοτυχαίοι κώδικες: η διάχυση του φάσματος γίνεται με ψευδοτυχαίους κώδικες οι κώδικες είναι ανεξάρτητοι της πληροφορίας και δεν πρέπει να συγχέονται με τις τεχνικές κωδικοποίησης καναλιού Συστήματα Διάχυτου Φάσματος Εφαρμογές: Ξεκίνησαν από στρατιωτικές εφαρμογές, για λόγους όπως: - ανθεκτικότητα σε εκούσιες παρεμβολές (jamming) - επίτευξη συνθηκών χαμηλής φωρασιμότητας (low detetaility) Στη συνέχεια ακολούθησαν πολιτικές (εμπορικές) εφαρμογές είτε για συστήματα με τις ιδιότητες των παραπάνω είτε για συστήματα πολλαπλής προσπέλασης (η μεγάλη τους διάδοση οφείλεται κυρίως στην τελευταία εφαρμογή) Σήμερα, έχει ήδη εφαρμοστεί σε πολλά εμπορικά τηλεπικοινωνιακά πρότυπα (κυψελωτά ή μη, εσωτερικού ή εξωτερικού χώρου) ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 3 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 4

2 Συστήματα Διάχυτου Φάσματος Διακρίνονται σε: Diret Sequene Spread Spetrum (DS-) θα επικεντρωθούμε κυρίως σε αυτά υλοποιούνται συνήθως με PSK και σε συστήματα στα οποία είναι δυνατή η επίτευξη συμφωνίας φάσης μεταξύ εκπεμπόμενου και λαμβανόμενου σήματος ο ψευδοτυχαίος κώδικας αλλάζει τη φάση του PSK σήματος Frequeny Hopping Spread Spetrum (FH-) υλοποιούνται συνήθως με FSK και σε συστήματα που δεν είναι δυνατή η διατήρηση συμφωνίας φάσης λόγω χρονικών μεταβολών του καναλιού ο ψευδοτυχαίος κώδικας αλλάζει τη συχνότητα του FSK σήματος Συστήματα Διάχυτου Φάσματος Διάγραμμα ενός γενικού συστήματος επικοινωνίας διάχυτου φάσματος ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 5 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 6 Βασική μορφή του DS- Έστω δυαδικό σήμα PSK με ρυθμό R=1/T W: διαθέσιμο εύρος καναλιού W >> R Ο διαμορφωτής διευρύνει το εύρος ζώνης σήματος από R σε W, αλλάζοντας W φορές/se τη φάση του PSK Σήμα βασικής ζώνης n T v t a g t nt n α n : σύμβολα {+1, -1} g T : ορθογώνιος παλμός διάρκειας T Σήμα γεννήτριας PN n v t p t nt n Άλλες μορφές παλμού είναι επίσης δυνατές αλλά και προτιμότερες n : δυαδική ακολουθία ψευδοκώδικα PN {+1, -1} p: ορθογώνιος παλμός διάρκειας T, παλμός κατάτμησης ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 7 Βασική μορφή του DS- Τα σήματα πολλαπλασιάζονται (spreading stage) και διαμορφώνουν μια φέρουσα, ώστε να παραχθεί ένα DSB-SC SC σήμα u t Av t t os 2 f t Το σήμα εξακολουθεί να είναι ένα σήμα PSK, που έχει όμως πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης Τ : διάρκεια hip 1/T ρυθμός hip Κέρδος επεξεργασίας L : T W L T R Αποδιαμόρφωση: φασματική αποδιάχυση (despreading) το λαμβανόμενο σήμα πολ/ζεται με το σήμα PN στο δέκτη οι γεννήτριες PN πομπού και δέκτη θα πρέπει να είναι συγχρονισμένες ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 8

3 Βασική μορφή του DS- Αποδιάχυση 2 os2 u t t Av t t f t Όμως, 2 (t)=1, άρα os2 u t t Av t f t Παραγωγή Σήματος DS- Αναπαράσταση στο πεδίο του χρόνου Πολλαπλασιασμός σήματος πληροφορίας με σήμα PN Επομένως: - Με την αποδιάχυση ανακτάται το αρχικό σήμα πληροφορίας κατόπιν επιστροφής στο αρχικό εύρος ζώνης του R ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 9 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 1 Αποδιαμόρφωση DS- Παραγωγή Σήματος DS- Αναπαράσταση στο πεδίο της συχνότητας Συνέλιξη των δύο φασμάτων ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 11 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 12

4 Αποδιαμόρφωση DS- Αποδιαμόρφωση σήματος DS- με φάση τοπικού φέροντος κλειδωμένη στη φάση του λαμβανόμενου σήματος (το οποίο προκύπτει μετά την αποδιάχυση, όπου έχουμε θεωρήσει τέλεια συγχρονισμένες ακολουθίες PN) Επίδραση Παρεμβολών Τι επίδραση έχουν οι παρεμβολές σε ένα σύστημα DS- ; Διακρίνονται σε: Στενού εύρους ζώνης το εύρος ζώνης τους είναι περιορισμένο σε μια περιοχή μέσα στο εύρος ζώνης του DS-,, W για παράδειγμα: ένα ημιτονοειδές σήμα μεγάλης ισχύος Παρεμβολής ευρείας ζώνης παρεμβολές που καταλαμβάνουν ολόκληρο το εύρος ζώνης W του DS- για παράδειγμα:» Θόρυβος (π.χ.,., arrage jamming)» παρεμβολές από τους άλλους χρήστες του συστήματος» παρεμβολές από άλλα τηλεπικοινωνιακά συστήματα στενής ζώνης που χρησιμοποιούν την ίδια ζώνη ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 13 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 14 Παρεμβολή Στενής Ζώνης Παρεμβολή Ευρείας Ζώνης Έστω ημιτονοειδής παρεμβολή: Το λαμβανόμενο σήμα μετά το despreading γίνεται: Άρα με το despreading η παρεμβολή διαχέεται σε όλη τη ζώνη W και η πυκνότητα φάσματος ισχύος μειώνεται σε Ι =P Ι /W όπου P Ι =A 2 Ι /2 Η ολική ισχύς παρεμβολής μετά την αποδιαμόρφωση είναι: it () Aos2 ft rtt () () Avt ()os2 ftitt () () PR P P P R W W / R T / T L Το SNR στο δέκτη: ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 15 SNR 2E Το SNR στο δέκτη θα είναι 2E SNR J a Παράμετρος Ι(α):.7 J(α) <1 T α/w, με α 1 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 16

5 Παρεμβολές και Πιθανότητα Σφάλματος Η επίδραση της παρεμβολής μπορεί να μοντελοποιηθεί στατιστικά ως Gaussian κατανομή Ξέρουμε ότι η πιθανότητα σφάλματος για 2-PSK σε AWGN κανάλι με SNR ρ (E /N ) είναι: P Q 2 Έχοντας υπολογίσει το SNR στο δέκτη για κάθε παρεμβολή, μπορούμε να βρούμε το BER Παρεμβολή ευρείας ζώνης 2E Παρεμβολή στενής ζώνης P Q 2E P Q J a Εφόσον J(a)<1, το SNR και το BER για παρεμβολή στενής ζώνης είναι κάπως χειρότερο ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 17 Περιθώριο Παρεμβολής (nterferene Margin) Πόσο ισχυρή παρεμβολή μπορεί να αντέξει ένα σύστημα DS- ; Ως συνήθως, μας ενδιαφέρει η πιθανότητα σφάλματος, που δίνεται ως 2E P Q Το E / o στη συνάρτηση Q εκφράζεται και ως: E PT s Ps / R W / R P / W P / W P / P s Άρα, η πιθανότητα σφάλματος εξαρτάται από: το λόγο ισχύος σήματος προς ισχύ παρεμβολής το κέρδος διεργασίας του συστήματος L ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 18 Περιθώριο Παρεμβολής (nterferene Margin) Αν εκφράσουμε τις ποσότητες σε db, τότε P E 1log1 1log1 L 1log1 P s P E L P db s db db Αν κάνουμε και κωδικοποίηση με κέρδος G, τότε P E L G P db db s db db Το (P /P s ) ονομάζεται περιθώριο παρεμβολής: μας περιγράφει πόση σχετική ισχύς παρεμβολής μπορεί να είναι ανεκτή υπό ένα συγκεκριμένο L, προκειμένου να διατηρηθεί η ποιότητα επικοινωνίας πάνω από ένα επίπεδο ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 19 Περιθώριο Παρεμβολής (nterferene Margin) Παράδειγμα: Έστω ότι σε σύστημα DS- με 2-PSK, για να έχουμε αξιόπιστη επικοινωνία απαιτείται P <1-6. Ποιο θα πρέπει να είναι το κέρδος διεργασίας για να λειτουργεί το σύστημα ακόμη κι όταν η παρεμβολή έχει δεκαπλάσια ισχύ από το σήμα; Λύση: Από την καμπύλη BER για το 2-PSK προκύπτει ότι για να έχουμε BER=1-6, θα πρέπει E E 2 13dB db Παρεμβολή δεκαπλάσιας ισχύος, σημαίνει P Ps db 1log Από τον ορισμό του περιθωρίου παρεμβολής, προκύπτει ότι πρέπει L >23dB L >199 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 2

6 Εφαρμογές των DS- Μετάδοση σήματος χαμηλής φωρασιμότητας θέλουμε να μεταδώσουμε ένα σήμα που να είναι πολύ χαμηλότερο του θορύβου το σήμα κρύβεται μέσα στο θόρυβο και δε γίνεται αντιληπτό θέλουμε να αποκρύψουμε την παρουσία σήματος από άλλους χρήστες που δεν έχουν τον κωδικό PN αν κάποιος δεν έχει τον PN, αλλά μπορεί να αντιληφθεί την παρουσία σήματος, τότε μπορεί να εισάγει ισχυρή παρεμβολή στη συγκεκριμένη ζώνη και να καταστρέψει την επικοινωνία γι αυτό θα πρέπει P R /P N <<1 Επικοινωνία μέσω πολυδρομικών καναλιών χρήση του αποδιαμορφωτή RAKE για να εκμεταλλευτούμε τη διαφοροποίηση που υπάρχει στο σήμα μέσω των διαφορετικών διαδρομών (απαιτείται γνώση του καναλιού) ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 21 Εφαρμογές των DS- - CDMA Πολλαπλή προσπέλαση με διαίρεση κωδικών (CDMA) Έχουμε ένα δεδομένο εύρος ζώνης W, και θέλουμε να το μοιράσουμε σε πολλούς χρήστες Ένας τρόπος για αυτό είναι το CDMA Αν κάποιος δεν έχει τον κατάλληλο κωδικό PN, δε μπορεί να ανιχνεύσει το πραγματικό σήμα Άρα: μπορούμε να διαχωρίσουμε τους χρήστες με κωδικούς Στην ασύγχρονη περίπτωση οι υπόλοιποι χρήστες δρουν ως προσθετική παρεμβολή (θόρυβος) Εφαρμογές: Το CDMA σε συνδυασμό με PSK χρησιμοποιείται σε πολλά ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα: S-95 (Β.Αμερική( Αμερική) UMTS (Ευρώπη( Ευρώπη) WCDMA ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 22 CDMA Πλεονεκτήματα: μπορούμε να προσθέτουμε / αφαιρούμε χρήστες εύκολα, εφόσον όλοι στέλνουν στο ίδιο κανάλι ανάλογα με το κέρδος διεργασίας μπορούμε να εξυπηρετούμε πολλούς χρήστες χρησιμοποιούμε όλο το φάσμα W, σε κάθε σταθμό βάσης ασφάλεια επικοινωνίας Μειονεκτήματα: απαιτείται έλεγχος ισχύος (power ontrol), ώστε να αντιμετωπίζεται το πρόβλημα near-far πώς παράγονται οι κωδικοί PN; απαιτείται μεγάλο εύρος ζώνης αυξημένη πολυπλοκότητα συστήματος CDMA Πόσους χρήστες μπορεί να εξυπηρετήσει ταυτόχρονα; Αν έχουμε N u χρήστες, τότε ο λόγος παρεμβολής προς σήμα είναι P Ps Nu 1 n Nu 1 P P s s Από τον τύπο του περιθωρίου παρεμβολής, μπορούμε να υπολογίσουμε το N u Παράδειγμα: Πόσους χρήστες μπορεί να εξυπηρετήσει ένα σύστημα CDMA με 2-PSK, πιθανότητα σφάλματος BER=1-6, και κέρδος διεργασίας L=1; Λύση: N 1 1log N 47 u db 1 u ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 23 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 24

7 CDMA Στην προηγούμενη ανάλυση έγιναν οι εξής απλουστευτικές παραδοχές: οι κωδικοί PN όλων των χρηστών είναι ορθογώνιοι, το οποίο δεν ισχύει πάντοτε λόγω» δυσκολίας σχεδιασμού ορθογώνιων κωδικών» της επίδρασης του ασύρματου καναλιού όλοι οι χρήστες έχουν την ίδια ισχύ, το οποίο δεν ισχύει λόγω του προβλήματος near-far» αν κάποιος είναι κοντά στο σταθμό βάσης λαμβάνεται με μεγαλύτερη ισχύ από ότι τα περισσότερα απομακρυσμένα τερματικά Συμπέρασμα - Ζητούμενα: πώς σχεδιάζονται ορθογώνιοι κωδικοί; πώς επιτυγχάνεται η διαδικασία του power ontrol; ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 25 Επίδραση Παρεμβολών κατά Παλμούς και των Διαλείψεων Τι γίνεται όταν ένας άλλος χρήστης μεταδίδει με αυξημένη ισχύς λόγω κακού power ontrol; Η παρεμβολή αυτή ισοδυναμεί με την εισαγωγή προσθετικού θορύβου μεγάλης ισχύος για συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα Αν β είναι το ποσοστό του χρόνου της παλμικής παρεμβολής (κατά το οποίο έχουμε ισχύ παρεμβολής Ι /β), τότε η πιθανότητα σφάλματος είναι 2E P Q 2 Αντίστοιχη επίδραση στην επίδοση των συστημάτων DS- έχει και το κανάλι με διαλείψεις, που κατά το β% του χρόνου βρίσκεται σε διάλειψη Τα δύο αυτά προβλήματα δημιουργούν καταιγιστικά λάθη οπότε μπορούν να αντιμετωπιστούν με χρήση κωδικοποιητή και συμπλέκτη (interleaver) ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 26 Επίδοση 2-PSK σε παρεμβολή κατά παλμούς Διάγραμμα DS- που περιλαμβάνει κωδικοποιητή και συμπλέκτη (interleaver) ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 27 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 28

8 Παραγωγή Ακολουθιών PN Maximal Length Shift Registers Θέλουμε να κατασκευάσουμε ακολουθίες { n } από (,1) ή (-1,+1) (διπολική( μορφή): που να έχουν χαρακτηριστικά λευκού θορύβου να είναι ορθογώνιες μεταξύ τους Τι σημαίνει αυτό ως προς τις συναρτήσεις αυτοσυσχέτισής τους; n nm n1 L R m L, m, m 1: L1 Πρέπει επίσης να έχουν μηδενική διασυσχέτιση μεταξύ τους ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 29 ο καταχωρητής έχει m θέσεις και υλοποιεί ολισθήσεις περιλαμβάνει modulo-2 αθροιστή και γίνεται ανατροφοδότηση παράγεται ακολουθία μεγίστου μήκους (m-sequene) με L=2 m -1 its (η( οποία επαναλαμβάνεται περιοδικά) κάθε ακολουθία έχει 2 m- 1 άσσους και 2 m- 1-1 μηδενικά μη-μηδενική μηδενική αυτοσυσχέτιση R k R 1, k 1 L, k 1: L 1 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 3 Ακολουθίες Gold Οι ακολουθίες MLSR είναι καλή προσέγγιση του λευκού θορύβου Ακολουθίες Gold Ωστόσο, δεν έχουν καλές ιδιότητες διασυσχέτισης, δηλαδή η PN ακολουθία ενός χρήστη δεν είναι κάθετη στην ακολουθία ενός άλλου Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν άλλες ακολουθίες που είναι επεκτάσεις των MLSR: έχουν καλύτερες ιδιότητες διασυσχέτισης προκύπτουν από modulo-2 άθροιση δύο ή περισσότερων ακολουθιών MLSR παραδείγματα: : Gold, Kasami Παραγωγή ακολουθιών Gold ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 31 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 32

9 Σύστημα FH- Σύστημα FH- Slow Hopping (ένα άλμα/bit) Fast Hopping (N άλμαta ta/bit) Διάγραμμα βαθμίδων ενός συστήματος FH- Χρησιμοποιούνται με FSK διαμορφώσεις (οι διαμορφώσεις PSK είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν λόγω των ασυμφωνιών φάσης που προκύπτουν κυρίως κατά τη σύνθεση της συχνότητας) Η συχνότητα της φέρουσας με βάση την PN ακολουθία Τα συστήματα FH- δεν έχουν τόσο μεγάλες απαιτήσεις σε συγχρονισμό όσο τα DS- (είναι σε επίπεδο it και όχι hip) ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 33 ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 34