Kognitivni radio. Evolucija radio sistema 2. Doc. dr Mirjana Simić

Transcript

1 Kognitivni radio Evolucija radio sistema 2 Doc. dr Mirjana Simić

2

3 Do sada smo videli da ako želimo efikasan prenos u ograničenom opsegu, brzina prenosa podataka ne bi trebala biti veća od dostupnog prenosnog opsega, tj. efikasnost opsega η B < 1. U suprotnom, imali bi smo jako velike zahteve po pitanju odnosa S/N odnosno snage signala na ulazu u prijemnik. Ako bismo pokušali da visok protok obezbedimo primenom modulacija višeg reda, videli samo da je i to moguće ako imamo dobre uslove u kanalu odnosno dobar S/N. to bi npr. bio slučaj sa ćelijama malih dimenzija, slabim saobraćajem ili samo u zonama blizu baznih stanica.

4 Ulagati u B ili S/N? S C = B log2 1 + N Shannon kaže da je bolje investirati u opseg B nego u odnos S/N zato što kapacitet sistema raste linearno sa B, a samo logaritamski sa S/N!

5 S C = B log2 1 + N

6 Rezultat proizašao iz ovakvog načina razmišljanja doveo je do pojave sistema sa proširenim spektrom. Kod ovih sistema, širina propusnog opsega sistema za prenos je znatno veća od minimalno potrebne. Sa druge strane, primenom ove tehnologije vrednosti odnosa S/N na ulazu u prijemnik mogu da budu i manje od 1 (u zavisnosti od vrednosti procesnog pojačanja). U takvim slučajevima, signal je praktično prekriven šumom, što znači da je u elektromagnetnom smislu realno nevidljiv (problem za spectrum sensing u kognitivnom radiju (KR)!)

7

8 Dobre osobine sistema sa proširenim spektrom su: otpornost na ometanje, odnosno potiskivanje interferencije kodni multipleks, CDMA otpornost na višestruku propagaciju, mala verovatnoća presretanja, lako je sakriti ovakav signal ali ga je teško detektovati...

9 Ipak, postoji nekoliko kritičnih zahteva kada je u pitanju prenos u širokom frekvencijskom opsegu: 1. Spektar je skup i ograničen resurs i već se, sa postojećim načinom dodele spektra, naziru problemi alokacije frekvencijskog opsega dovoljne širine koji bi omogućio prenos u proširenom opsegu (KR argumenti!)!

10 2. Prenos u širokom spektru ima veliki uticaj na kompleksnost predajnika i prijemnika (kompleksnost opreme i na strani baznih stanica i na strani mobilnih terminala): Na primer, širok prenosni opseg ima direktan uticaj na učestanost odabiranja i na predajniku i na prijemniku, a time i na složenost i potrošnju digitalno-analognih (D/A) i analognodigitalnih konvertora(a/d) kao i samu digitalnu obradu signala. Takođe, radio komponente je generalno teže projektovati a i mnogo su skuplje sa povećanjem radnog frekvencijskog opsega.

11 3. Ipak, jedan od ključnih tehničkih problema kada je u pitanju prenos u širokom opsegu je izobličenje signala usled vremenske disperzije radio kanala. Vremenska disperzija: nastaje kao posledica višestruke propagacije, tj. činjenice da signali dolaze do prijemnika sa različitim kašnjenima u vremenu. A 2 x(t-t 2 ) T X R X x(t) A 1 x(t-t 1 ) r(t) = x(t) + A 1 x(t-t 1 ) + A 2 x(t-t 2 ) +... U frekvencijskom domenu, ova pojava odgovara tome da frekvencijski odziv kanala nije konstantan kanal je frekvencijski selektivan: kanal ne utiče na isti način na sve frekvencijske komponente signala (izobličenje signala).

12 a) višestruka propagacija, vremenski domen vremenska disperzija b) višestruka propagacija, frekvencijski domen frekvencijska selektivnost radio kanala

13 Frekvencijska selektivnost dovodi do izobličenja signala, odnosno, povećava verovatnoću greške za dati odnos S/N. Frekvencijska selektivnost, barem do neke mere, utiče na svaki radio kanal. Ipak, uticaj frekvencijske selektivnosti (vremenske disperzije) zavisi od: 1. prenosnog opsega: veći opseg veći i uticaj 2. okruženja: ćelije manjih dimenzija (manja vremenska disperzija) uticaj frekvencijske selektivnosti manji, okruženja sa manjim brojem prepreka (ruralna okruženja) uticaj frekvencijske selektivnosti manji.

14 Napomenimo i to da je na prikazanoj slici sa slajda broj 12 (slučaj b - višestruka propagacija, frekvencijski domen) dat trenutni frekvencijski odziv kanala (tzv. snapshot ). Kako se predajnik/prijemnik kreće kroz okruženje, detaljna struktura višestruke propagacije pa tako i frekvencijskog odziva kanala varira u vremenu. Ova pojava se zove frekvencijska disperzija i nastaje kao posledica Doppler-ovog efekta. U vremenskom domenu ova pojava odgovara tome da je kanal vremenski selektivan. Brzina varijacije frekvencijskog odziva kanala odnosi se na Doppler-ovo širenje kanala (maksimalni Dopplerov pomeraj), f D : v brzina kretanja predajnika/prijemnika f C učestanost nosioca (npr. 2GHz kod UMTS) c brzina svetlosti f = v c D f C

15 Kao što smo rekli, frekvencijska selektivnost dovodi do izobličenja signala, i što je prenosni opseg veći, izobličenja signala usled frekvencijske selektivnosti su veća. Istorijski posmatrano, jedan od najpoznatijih načina da se reši problem izobličenja signala usled frekvencijske selektivnosti radio kanala je ekvalizacija na strani prijemnika. Cilj evalizacije je da kompenzuje frekvencijsku selektivnost kanala i, bar do neke mere, rekonstruiše originalni signal.

16 Ekvalizacija je i omogućila da se obezbede zadovoljavajuće performanse uz prihvatljivu kompleksnost u nekim poznatim sistemima, kakav je i UMTS (dakle, u opsegu širine od oko 5MHz). Ipak, ako bismo i dalje povećavali prenosni opseg (npr. 20MHz u slučaju LTE Long Term Evolution), kompleksnost ovakvih ekvalizatora bi postala vrlo veliki problem. Jedan od načina je da se primeni nepotpuna (tj. neoptimalna) ekvalizacija, gde bismo (do neke mere) računali na izobličenje signala usled frekvencijske selektivnosti koja bi se desila u tom slučaju.

17 Alternativni način je da se razmotre novi načini prenosa signala koji bi omogućili da dobre performanse i u slučaju znatne frekvencijske selektivnosti, a bez zahteva za preterano kompleksnim prijemnikom: 1. Multi-carrier transmission, odnosno, prenos u širokom opsegu primenom većeg broja uskopojasnih nosilaca. Najpozantiji predstavnik ovakvog pristupa je OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). 2. Drugi način je primena specifične single-carrier transmisije, posebno namenjene da obezbedi efikasnu, ali i prihvatljivo složenu ekvalizaciju.

18 - Multi-carrier transmission - Dakle, kao što je rečeno, jedan od načina da se poveća prenosni opseg a da se smanje izobličenja signala usled frekvencijske selektivnosti kanala jeste primena multi-carrier transmission tehnike (MC). Ovo je vrsta prenosa u kojoj se, umesto prenosa jednog signala širokog opsega, vrši prenos više uskopojasnih signala (subcarriers - podnosioci). Ovi signali se frekvencijski multipleksiraju i zajedno prenose preko istog radio linka do istog prijemnika.

19 - Multi-carrier transmission - Multicarrier transmisija ideja: širokopojasni kanal širine B N uskopojasnih kanala (podkanala, podnosilaca) širine Δf=B/N u opsegu podnosioca Δf frekvencijski neselektivan (ravan) kanal

20 - Multi-carrier transmission - Paralelnim prenosom M signala preko istog radio linka, ukupni protok se može povećati do M puta. Istovremeno, uticaj frekvencijske selektivnosti kanala zavisi od opsega podnosioca. Dakle, uticaj frekvencijske selektivnosti kanala je ista kao u slučaju da prenosimo uskopojasni signal čija je širina opsega jednaka opsegu podnosioca ostvarili široki opseg a značajno smanjili izobličenja koja nastaju usled frekvencijske selektivnosti (koja je, kao što znamo, veća što je opseg veći).

21 - Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA) -

22 - Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA) - Nedostatak multi-carrier transmisije u postojećim tehnologijama kakva je UMTS (WCDMA) jeste da spektar svakog podnosioca takav da ne omogućava gusto pakovanje podnosilaca. U primeru sa slike, to je prikazano udubljenjima u ukupnom multicarrier spektru, što loše utiče na ukupnu efikasnost opsega ovakvog tipa multi-carrier transmisije.

23 - Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA) - Primer: WCDMA (UMTS) multi-carrier evolucija: Brzina generisanja čipova, chip-rate: f CR =3.84Mchips/s Ipak, zbog oblikovanja spektra, čak i teorijski WCDMA spektar značajno nadmašuje 3.84MHz. Preciznije, teorijski WCDMA spektar ima oblik podignutog kosinusa (raisedcosine), roll-off faktorom od α=0.22. Kao posledica toga, WCDMA spektar ima širinu od oko 4.7MHz (kao što znamo, obično se uzima 5MHz).

24 - Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA) - Dakle, podnosioci u slučaju multi-carrier WCDMA moraju biti međusobno razmaknuti oko 4.7MHz, kako bi se izbegla interferencija između podnosilaca. Osim nemogućnosti gustog pakovanja, drugi nedostatak multicarrier transmisije jesu velike varijacije trenutne snage predajnika, isto kao i u slučaju modulacija višeg reda. Dakle, multi-carrier transmisija ima negativan uticaj na efikasnost pojačavača snage u izlaznom stepenu predajnika, što povećava potrošnju i cenu pojačavača snage.

25 - Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA) - Kao i u slučaju modulacija višeg reda, za smanjenje problema usled varijacija izlaznog signala može se ići na smanjivanje srednje snage predajnika, čime svesno smanjujemo domet za dati protok (smanjen domet nekog servisa). Iz tog razloga, slično kao i kod modulacija višeg reda, multicarrier transmisija je mnogo pogodnija za primenu na downlinku (na strani transmisije baznih stanica) nego na uplinku, zbog znatno strožijeg zahteva za efikasnost pojačavača snage na strani mobilnih terminala (mala potrošnja i niska cena).

26 - Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA) - Osnovna prednost pomenutog multi-carrier pristupa je da on predstavlja postepenu evoluciju (i u pogledu radio opreme i u pogledu spektra) postojećih tehnologija pristupnih radio mreža ka korišćenju širih opsega a u skladu sa tim i većih protoka, posebno na downlinku. U suštini, ovaj tip multi-carrier transmisije može se realizovati tako da za terminale koji nemaju mogućnost multi-carrier prijema svaki downlink podnosilac predstavlja zapravo originalni nosilac (opsega širine podnosioca, npr. 5MHz u slučaju WCDMA), dok za terminale koji imaju mogućnost multi-carrier prijema tzv. multi-carrier-capable terminale, mreža može iskoristiti čitav multi-cerrier opseg (opseg širine svih podnosilaca, npr. 20MHz) u cilju većeg protoka.

27 - Multi-carrier transmission OFDM - OFDM je poseban tip multi-carrier transmisije koja se primenjuje kod sistema kao što su LTE, WiMAX, DVB. U odnosu na prethodno opisani multi-carrier pristup, OFDM se razlikuje u sledećem: 1. OFDM koristi znatno veći broj podnosilaca u odnosu na prethodno opisan pristup koji se sastoji od svega nekoliko podnosilaca relativno širokog opsega. Npr. WCDMA multi-carrier proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega 4 podnosioca, svaki širine od po 5MHz. Za razliku od ovoga, OFDM može imati i do nekoliko stotina podnosilaca. 2. Podnosioci su uobličeni pravougaonim impulsom (odgovarajuća predstava u spektralnom domenu je oblika kvadratne sinc funkcije). 3. Razmak između podnosilaca u frekvencijskom domenu iznosi Δf=1/T U, gde je T U trajanje pravougaonog impulsa.

28 - OFDM - razmak podnosilaca u OFDM

29 - OFDM - Ilustrativni primer OFDM modulatora: Sastoji se od banke od ukupno N c modulatora pri čemu svaki odgovara jednom OFDM podnosiocu. OFDM signal

30 - OFDM - OFDM signal x(t) u toku vremenskog intervala mt u t < ( m +1) T u može biti predstavljen na sledeći način: x( t) = Nc 1 xk ( t) = k = 0 Nc 1 k = 0 a ( m) k e j2πkδft gde je x k (t) k-ti podnosilac frekvencije f K =kδf i (m) a k modulacioni simbol primenjen na k-ti podnosilac za vreme intervala m-tog OFDM simbola, tj. u intervalu mt t < ( m + 1) u T u

31 - OFDM - Naglasimo da termin Orthogonal Frequency Division Multiplex potiče od toga što su modulisani OFDM podnosioci međusobno ortogonalni u toku vremenskog intervala mt t < ( m +1) u T u U tom smislu na OFDM prenos se može gledati kao na modulaciju skupa ortogonalnih funkcija φ k (t), pri čemu je ϕ ( t k ) = j2πkδft e, 0 t < 0, ostalo T u Podsećanje: dve funkcije f(x) i g(x) su ortogonalne na intervalu [a, b], ako je: b a f ( x) g( x) dx = 0

32 - OFDM - OFDM vremensko-frekvencijska predstava: svaka,,kolona odgovara jednom (m-tom) OFDM simbolu, a svaki,,red jednom (k-tom) OFDM podnosiocu.

33 - OFDM - Ovim je takođe ukazano na to da je OFDM prenos u osnovi blokovski jer se za vreme svakog od pomenutih OFDM intervala, N c modulacionih simbola paralelno prenose. Ovde je naročito potrebno skrenuti pažnju na mogućnost nezavisne primene modulacionog postupka (tipično QPSK, 16QAM ili 64QAM) za svaki podnosilac. Broj podnosioca se kreće u rasponu od manje od stotinu do nekoliko hiljada, pri čemu je mogući razmakizmeđu njih tipično od nekoliko stotina khz do svega nekoliko khz. Podsetimo se, recimo, da je u okviru 3GPP LTE sistema predviđeni razmak između nosilaca 15 khz što aproksimativno podrazumeva oko 600 nosilaca u frekvencijskom opsegu od 10 MHz.

34 - OFDM - Šema OFDM predajnika sa modulatorima

35 - OFDM - Prikazana blok šema OFDM predajnika predstavlja više ilustrativni primer principa rada OFDM predajnika koji nije pogodan za praktičnu implementaciju. Problem sa navedenim pristupkom je to što je potreban veliki broj međusobno zavisnih lokalnih oscilatora. Naime, neophodno je obezbediti, sa visokim stepenom tačnosti, da frekvencija svakog od njih bude odgovarajući celobrojni umnožak inverzne vrednosti trajanja,,pulse shape simbola, T U. Ovakvo rešenje je dosta kompleksno i veoma skupo, a takođe ukazuje i na veliku osetljivost OFDM sistema na frekvencijsku sinhronizaciju kao ozbiljan nedostatak.

36 - OFDM - Umesto toga, predloženo je da se za modulisanje podnosilaca na predaji, a u cilju generisanja ortogonalnih signala, koristi inverzna DFT (IDFT), dok se na prijemnoj strani koristi DFT. Tačnije, koriste se algoritmi za brzo računanje istog poznati kao brza Furijeova transformacija (FFT) na strani prijemnika, odnosno IFFT na strani predajnika. Upotrebom ovih algoritama omogućena je realizacija OFDM sistema sa velikim brojem podnosilaca, a opet sa malom kompleksnošću sistema.

37 - OFDM - U tom cilju, posmatrajmo jedan vremenski diskretizovan OFDM signal (npr. generisan predajnikom slajd 28). Pri tome pretpostavimo da je odabiranje izvršeno učestanošću f s koja je jednaka celobrojnom umnošku rastojanja između susednih podnosilaca, Δf, tj. () t x( nt s ) xn x = f s = 1 T s = N Δf Pri ovome treba voditi računa o odabiru parametra N kako bi bila zadovoljena teorema o odabiranju. Ako sa N c označimo raspoloživi broj podnosilaca jasno je da je nominalni opseg OFDM signala N c Δf, kao i da je N>N c.

38 - OFDM - Ovako odabran OFDM signal može biti predstavljen na sledeći način*: N kn j N k k N kn j Nc k k fnt k j Nc k k s n e a e a e a nt x x s / ' / ) ( π π π = = Δ = = = = = gde je < < = N k N, N k, a a c c k ' k 0 0 * oznaka m-tog OFDM simbola je izostavljena ali se podrazumeva N-size IDFT size IDFT

39 - OFDM - Dakle, sekvenca x n, tj. odabrani OFDM signal je inverzna diskretna Furijeova transformacija (IDFT) dužine N, niza modulacionih simbola a0, a1, a2,..., a Nc 1 produženog nultim elementima do dužine N. Znači, OFDM modulator se može implementirati kao IDFT procesiranje i digitalno-analogna konverzija.

40 - OFDM - Šema OFDM predajnika gore: sa modulatorima dole: praktična realizacija

41 - OFDM - Specijalno, birajući dužinu IDFT transformacije, N, tako da bude jednaka stepenu broja dva omogućeno je implementiranje OFDM modulacije kroz još efikasniji algoritam, IFFT, koji znatno redukuje broj potrebnih operacija prilikom izračunavanja. Napomenimo da izbor implementacije OFDM modulatora (kao IDFT rešenje ili kao rešenje u vidu paralelnih modulatora) nije predmet tehničkih specifikacija već jednostavno pitanje izbora implementcije predajnika.

42 OFDM demodulator - OFDM -

43 - OFDM - OFDM komunikacioni sistem

44 - OFDM - WIDEBAND SINGLE-CARRIER f c WIDEBAND MULTI-CARRIER Δf f c WIDEBAND MULTI-CARRIER OFDM Δf f c

45 - OFDM i efekti u kanalu - U dizajnu OFDM (odabiru bitnih parametara), bitno je razmotriti dva efekta u radio kanalu: 1. višestruka (multipath) propagacija 2. mobilnost. Višestruka propagacija Glavni efekti višestruke propagacije su frekvencijska selektivnost (f-domen) i ISI (Inter Symbol Interference) (t-domen). Kao što smo rekli, frekvencijska selektivnost (frequency selective fading) se manifestuje tako da kanal ne tretira isto sve frekvencijske komponente signala pa kao posledicu imamo izobličenja signala. ISI se manifestuje kao interferencija između uzastopnih OFDM simbola (usled propagacije po više putanja, na prijemu se pojavljuje više kopija istog signala sa različitim kašnjenjem, pa deo energije jednog simbola curi u naredni simbol).

46 - OFDM i efekti u kanalu -

47 - OFDM i efekti u kanalu - Što se tiče frekvencijske selektivnosti, rekli smo da: se manifestuje tako što kanal ne tretira isto sve komponente signala (frekvencijski je selektivan) i da je njen uticaj veći što je opseg veći. Kao što je poznato, u vezi sa tim definiše se tzv. opseg koherencije (coherence bandwidth), B coh, kao opseg u okviru kojeg možemo smatrati da je kanal frekvencijski neselektivan (frekvencijski ravan). Ako kod OFDM izaberemo dovoljan broj podnosilaca, možemo podesiti da je širina svakog od njih manja od opsega koherencije kanala, B coh čime rešavamo problem frekvencijske selektivnosti kod OFDM. Podsetimo se da je ovo i bila inicijalna kapisla za nastanak OFDM čime smo obezbedili veliki opseg, rešili problem frekvencijske neselektivnosti i izbegli primenu kompleksnih ekvalizatora. Δf < B coh

48 - OFDM i efekti u kanalu - single-carrier OFDM

49 - OFDM i efekti u kanalu - Što se tiče drugog efekta višestruke propagacije, ISI, rekli smo da se manifestuje kao interferencija između uzastopnih OFDM simbola (usled propagacije po više putanja, na prijemu se pojavljuje više kopija istog signala sa različitim kašnjenjem). Ipak, kao posledica vremenski disperzivnog kanala ne javlja se samo intersimbolska interferencija ISI u okviru svakog podnosioca ponaosob već i interferencija između samih podnosilaca (Inter Carrier Interference, ICI) u smislu narušavanja njihove međusobne ortogonalnosti.

50 - OFDM i efekti u kanalu - Podsetimo se da se princip ortogonalnosti zasniva na pravilno odabranom rastojanju između spektara podnosilaca, kao i na specifičnom obliku spektralne predstave svakog podnosioca (oblikovanje spektra, mi smo pominjali samo pravougaoni impuls). Prema tome, iako je kanal frekvencijski neselektivan (ravan) u opsegu koji odgovara glavnom lobu jednog OFDM podnosioca, njegova selektivnost van tog opsega (bočni lobovi) mogu izazvati ICI što za posledicu ima narušavanje ortogonalnosti između podnosilaca.

51 - OFDM i efekti u kanalu - Na slici je prikazana sekvenca simbola koji se prenose preko istog podnosioca (k-tog), a koja stiže do prijemnika različitim putanjama. Interval integracije prilikom demodulacije u prijemniku je trajanja T U tj. inverzna vrednost razmaka susednih podnosilaca, Δf. Kao što vidimo u okviru intervala integracije T U za jednu putanju ne ulaze simboli primljeni drugom putanjom celim svojim trajanjem jer sekvence nisu vremenski poravnate, što uzrokuje ICI i ISI.

52 - OFDM i efekti u kanalu - Rešenje ovih problema moglo bi biti povećanje trajanja simbola, tačnije, ubacivanje zaštitnog intervala koji bi obezbedio da za vreme trajanja tekućeg simbola nestanu sve replike prethodnog simbola (pre početka prijema informativnog dela tekućeg simbola). Naime, ako bi se odredilo kašnjenje između prve i poslednje pristigle komponente višestruke propagacije, (multipath spread of the channel), onda bi trajanje simbola trebalo produžiti bar za tu vrendost kako bi se izbegli pomenuti problemi. Taj zaštitni vremenski interval zove se ciklični prefiks (cyclic prefix), CP.

53 - OFDM i efekti u kanalu - Unošenje cikličnog prefiksa podrazumeva da se zadnji deo OFDM simbola kopira i ubacuje na početak istog. Na taj način se produžava trajanje simbola sa T U na T U +T CP, gde je T CP trajanje cikličnog prefiksa, ali se povećava otpornost na višestruku propagaciju i stvaraju bolji uslovi za sinhronizaciju. Na prijemu će se sada za isti interval integracije prilikom demodulacije T U ortogonalnost biti očuvana i u slučaju kanala sa vremenskom disperzijom sve dok je kašnjenje uneto njim kraće u odnosu na trajanje cikličnog prefiksa.

54 - OFDM i efekti u kanalu - U praktičnoj realizaciji OFDM modulatora, unošenje CP-a se sprovodi nakon (IDFT) IFFT modulacije. U tom slučaju se govori o cikličnom prefiksu kao nizu od N CP odbiraka. To je poslednjih N CP odbiraka od ukupno N sa izlaza IFFT bloka unetih neposredno pre tih istih N. Na prijemnoj strani ti odbirci se odbacuju pre sprovođenja postupka OFDM demodulacije kroz DFT/FFT procesiranje.

55 - OFDM i efekti u kanalu -

56 - OFDM i efekti u kanalu - OFDM komunikacioni sistem sa cikličnim prefiksom

57 - OFDM i efekti u kanalu - Ubacivanje cikličnog prefiksa,čini OFDM signal otporan na vremensku disperziju, tj. višestruku propagaciju (naravno, kada je izabrano tako da je veće maksimalnog kašnjenja višestruke propagacije - multipath spread of the channel). Međutim CP ne nosi informaciju, tj. smanjuje se efektivna simbolska brzina i javljaju se gubici u emitovanoj snazi. Naime, samo deo snage na prijemu: ( T + T ) se koristi za demodulaciju, a ostatak se gubi. U Stoga je sa stanovišta protoka i snage poželjno da CP bude što kraći. Znači smanjujemo prisutnu interferenciju na račun smanjenja efikasnosti emitovanja komprimis! T U CP

58 - OFDM i efekti u kanalu - Mobilnost Drugi efekat u kanalu koji treba razmotriti pri dizajnu OFDM je mobilnost. Bilo da se kreće predajnik/prijemnik ili oba, posledica je da kanal varira u vremenu vremenska selektivnost kanala (posledica je brzi (fast) feding na prijemu). Sličnim razmišljanjem kao kod frekvencijske selektivnosti, ako za slučaj vremenske selektivnosti definišemo vreme koherencije, t coh (kanal se ne menja u toku tog vremena) i biramo da OFDM simbol traje kraće od ovog vremena t coh, izbeći ćemo efekte brzog fedinga. U frekvencijskom domenu, mobilnost rezultuje u frekvencijskom širenju signala koje zavisi od radne učestanosti i relativne brzine između predajnika i prijemnika (Doppler-ovo širenje). Doppler-ovo širenje ima za posledicu Inter-Carrier Interference (ICI), koja se može izbeći povećanjem razmaka između podnosilaca (Δf). T u < T coh

59 - OFDM izbor parametara - T U gubici ali T U fast fading Δf ICI ali Δf frekvencijska selektivnost kompromis!

60 - OFDM izbor parametara - U dizajnu OFDM, bitan je izbor sledećih parametara: 1. razmak između nosilaca, Δf 2. broj podnosilaca, N C (zajedno sa razmakom između ponosilaca, ovim se definiše ukupni prenosni opseg OFDM) 3. dužina cikličnog prefiksa, T CP (zajedno sa razmakom između nosilaca, Δf=1/T U, ovim se definiše ukupna dužina trajanja OFDM simbola T=T U +T CP, odnosno, brzina simbola).

61 - OFDM izbor parametara - Razmak između nosilaca, Δf mali razmak između nosilaca, Δf f (Δf=1/T( U ): dobar zbog frekvencijske selektivnosti kanala (ravan feding) manja izobličenja dobar zbog manjih gubitaka pri demodulaciji ( T + T ) U T U CP T U veće, odnos 1, manji gubici! veliki razmak između nosilaca, Δf f (Δf=1/T( U ): dobar zbog vremenske selektivnosti kanala (brzi feding) (Δf-ve( veće, e, T U - manje) dobar zbog otpornosti na Doppler-ovo ovo širenje, tj. ICI čime je očuvana o ortogonalnost podnosilaca

62 - OFDM izbor parametara - Interferencija podnosilaca u funkciji normalizovanog Dopplerov-og širenja (slika se odnosi samo na interferenciju između dva susedna podnosioca)

63 - OFDM izbor parametara - U praksi, prihvatljivi nivo interferencije podnosilaca, ICI, dosta zavisi od konkretnog servisa, kao i toga koliko je signal već izložen uticaju šuma u kanalu. Npr. na ivici velikih ćelija, odnos S/(N+I) će ionako biti relativno loš, pa se samim tim tu ni ne mogu očekivati veliki protoci. U tom slučaju dodatna interferencija usled Doppler-ovog širenja je manje-više zanemarljiva. Sa druge strane, u scenaiju kada imamo veliki odnos S/(N+I) (npr. male ćelije ili zone bliske baznim stanicama) kada se mogu obezbediti i veliki protoci, uticaj ICI usled Doppler-ovog širenja ima ogroman negativan uticaj. Imajući u vidu sve što smo rekli, izbor Δf je stvar kompromisa.

64 - OFDM izbor parametara - Broj podnosilaca, N C Jednom kada je procenjen razmak između podnosilaca Δf zavisno od okruženja sistema, očekivanog Doplerovog širenja i vremenske disperzije njihov broj se određuje na osnovu širine raspoloživog opsega za prenos i prihvatljivog nivoa tzv. out-of-band emisije (oblika spektra podnosioca). Ukupan zauzeti opseg pri prenosu OFDM signala je jednak proizvodu broja podnosilaca N C i njihovog spektralnog razmaka, Δf. Ipak, spektar OFDM signala opada veoma sporo izvan osnovnog OFDM opsega što je označeno kao out-of-band emisija. Ovo naročito dolazi do izražaja ako se uporedi sa WCDMA prenosom za isti zauzeti ospeg.

65 - OFDM izbor parametara - out-of-band out-of-band Poređenje 5MHz spektara OFDM i WCDMA signala

66 - OFDM izbor parametara - Razlog za veliku out-of-band emisiju je to je što se pri formiranju osnovnog OFDM signala koristi uobličavanje pravougaonim impulsom (slajd 27), što vodi ka tome da nivoi bočnih lobova u spektrima podnosilaca opadaju relativno sporo (slika na sledećem slajdu). Zbog ovoga se u praksi koriste razni filtri za oblikovanje kao što je podignuti kosinus (engl.,,raised cosine ) sa odgovarajućim roll-off faktorom. Ipak treba biti obazriv jer ovakvo uobličavanje može smanjiti protok (širenje signala u vremenu u cilju očuvanja ortogonalnosti). Tipično se uzima da je zaštitni opseg 10% od celokupnog koji zauzima spektar OFDM signala tako da se za alocirani spektar od 5 MHz bazični OFDM opseg zauzima 4.5 MHz.

67 - OFDM izbor parametara -

68 - OFDM izbor parametara - Trajanje cikličnog prefiksa, T CP Trajanje cikličnog prefiksa smo već komentarisali i zaključak je sa: Duži ciklični prefiks je dobar jer čini OFDM signal otporan na vremensku disperziju, tj. višestruku propagaciju. Sa druge strane, duži ciklični prefiks je loš zbog većih gubitaka snage prilikom demodulacije i neefikasnijeg korišćenja spektra (CP ne nosi nikakvu informaciju). Radi optimizovanja performansi sistema za različita okruženja, rešenje je da se ide na promenljivu dužinu cikličnog prefiksa: kraći CP u okruženjima sa manjom vremenskom disperzijom slučaj manjih ćelija duži CP u okruženjima velikih ćelija gde je i vremenska disperzija veća.

69 Struktura LTE frejma - primena OFDM u LTE (downlink) -

70 - OFDMA - Dosadašnja diskusija na temu OFDM je podrazumevala scenario u kojem se svi OFDM podnosioci prenose sa istog predajnika do određenog prijemnika, tj: downlink: svi OFDM podnosioci ka jednom mobilnom terminalu uplink: svi OFDM podnosioci sa jednog mobilnog terminala. Ipak, OFDM se takođe može koristiti i kao šema višestrukog pristupa, što znači da se različiti podnosioci istovremeno mogu koristiti za prenos od više mobilnih terminala kao i ka više mobilnih terminala. downlink: različiti skupovi OFDM podnosilaca ka različitim mobilnom terminalim uplink: različiti skupovi OFDM ponosilaca sa različitih mobilnih terminala. Ovaj drugi slučaj je poznat kao OFDMA (Orthogonal Frequency Division MultipleAccess).

71 - OFDMA - downlink uplink a) Lokalizovana OFDMA downlink uplink b) Distribuirana OFDMA (prenos u širem opsegu)

72 - OFDMA, sinhronizacija - Naglasimo i to da kada je u pitanju uplink OFDMA višestruki pristup (OFDM podnosioci sa različitih mobilnih terminala), vrlo je bitno da signali sa različitih mobilnih terminala stižu vremenski poravnjani do prijemnika (tj. baznih stanica). Zbog različitih rastojanja od bazne stanice, odnosno, različitih vremena propagacije, neophodna je vremenska kontrola uplink transmisije. Njen zadatak je da obezbedi da u takvim uslovima, uključujući i mobilnost terminala, signali sa različitih mobilnih terminala stignu usklađeni do bazne stanice (slično kao TA u GSM!).

73 - OFDMA, kontrola snage - Takođe, kada je u pitanju OFDMA uplink, zbog različitih rastojanja od bazne stanice, različita su i propagaciona slabljenja za signale sa različitih terminala. Ako su snage predajnika mobilnih terminala iste, nivo signala na prijemu usled velikih razlika u propagaciji može biti vrlo različit, što može imati za posledicu da jači signali predstvaljaju jaku interferenciju slabim signalalima, i pored ortogonalnosti podnosilaca (koja usled propagacije više neće biti savršena). Zbog toga se na uplink smeru primenjuje neka vrsta kontrole snage koja bi smanjila snagu terminalima koji su bliži baznoj stanici i time omogućila da svi signali na prijemu budu približno istog nivoa.

74 - SC-FDMA - Iako smo primenom OFDM rešili neke nedostatke klasične multicarrier transmisije, problem velikih varijacija izlazne snage ostao je prisutan i kod OFDM (tzv. loš, odnosno, visok PAPR Peak-to- Average-Power-Ratio kao kod modulacija višeg reda). To je ujedno i osnovni nedostatak multi-carrier transmisije u odnosu na single-carrier transmisiju. Naime, za vreme trajanja jednog OFDM simbola, T U (koje odgovara trajanju pravougaonog ili već izabranog impulsa za uobličavanje), gledano u vremenskom domenu, superponira se veliki broj prostoperiodičnih signala pa u zavisnosti od trenutnih amplituda nivo ukupnog signala može jako da varira.

75 - SC-FDMA - OFDM signal Baš kao i kod modulacija višeg reda, velike varijacije izlaznog signala predstavljaju veliki problem. Naime, zbog bojazni od ulaska u nelinearni deo karakteristike izlaznog pojačavača predajnika, pojačavači moraju biti predimenzionisani. To ima za posledicu smanjenu efikasnost pojačavača što dovodi do povećane potrošnje a negativno utiče i na cenu.

76 - SC-FDMA - Ovo je posebno veliki problem na uplink smeru zbog zahteva za malom potrošnjom i niskom cenom terminala. Postoji nekoliko načina za rešavanje ovog problema kod OFDM od kojih se jedan od poznatijih (tzv. tone reservation) zasniva na tome da se određeni OFDM podnosioci ne koriste za prenos podataka. Naime, oni su modulisani na takav način da su najveći pikovi OFDM signala potisnuti smanjujući tako velike varijacije izlazne snage. Mana ovakov postupka je što smanjuje opseg namenjen realnom prenosu podataka. Tone reservation uticaj na smanjenje PAPR (tj. velikih varijacija izlazne snage)

77 - SC-FDMA - I druge slične metode smanjenja varijacija izlazne snage daju ograničeni uspeh, po cenu smanjenih performansi linka i/ili velike kompleksnosti. Bez obzira na delimičan uspeh, sva ova rešenja i dalje su neprihvatljiva za uplink iz pomenutih zahteva za malom potrošnjom i niskom cenom terminala. To je dovelo do ponovnog razmatranja sinle-carrier pristupa na uplinku koji nema problema sa varijacijom izlazne snage, ali, kao što smo rekli, ima sa izobličenjem usled frekvencijske selektivnosti kanala (koja je veća ako je prenosni opseg veći). Kao što je rečeno, ovaj problem se donekle može rešiti primenom ekvalizacije, ali tada bi se ušlo u novi problem velika kompleksnost ekvalizatora.

78 - SC-FDMA - Sa druge strane, dodela celog opsega (reč je o uplinku) jednom mobilnom terminalu može dovesti do neefikasnog korišćenja spektra. Naime, uslovi u kanalu mogu biti takvi da dodela celog opsega jednom mobilnom terminalu neće doprineti proporcionalnom povećanju protoka. U tom slučaju, bilo bi mnogo efikasnije jednom terminalu dodeliti manji opseg, a ostatak istog bi mogli koristiti ostali mobilni terminali za svoju uplink transmisiju. Dakle, uplink transmisija bi trebala imati fleksibilnu dodelu spektra.

79 - SC-FDMA - Da nema problem sa izlaznom snagom, fleksibilnu dodelu spektra moguće bi bilo realizovati primenom OFDM na uplinku, tako što će se, u zavisnosti od trenutnih uslova u kanalu, različit broj podnosilaca dodeljivati različitim mobilnom terminalima. Da bi se iskoristile ove dobre strane OFDM a istovremeno rešio problem velikih varijacija izlazne snage koje su karakteristične za multi-carrier transmisiju kakva je OFDM, nastala je nova tehnika DFTS-OFDM (DFT-Spread OFDM). Ova metoda je poznatija pod nazivom SC-FDMA (Single-Carrier FDMA).

80 - SC-FDMA - SC-FDMA je tehnika višestrukog pristupa koja kombinuje dobre karakterstike prethodno analiziranih rešenja: 1. male varijacije izlazne snage predajnika, tj. bolji (manji) PAPR (osobina karakteristična za single-carrier tehnike) 2. mogućnost dobre ekvalizacije (smanjenje izobličenja zbog frekv. selektivnosti) male kompleksnosti ekvalizatora 3. mogućnost fleksibilne dodele spektra (OFDM-based pristup).

81 - SC-FDMA - SC-FDMA predajnik: OFDM Vidi se da je SC-FDMA predajnik jako sličan OFDM predajniku jedina razlika je DFT blok koji prethodni IDFT bloku. Otuda i alternativni naziv ove metode DFTS-OFDM (DFT spread- OFDM).

82 - SC-FDMA - Upravo ovaj detalj čini da je SC-FDMA u osnovi single-carrier metoda (koju karakteriše mala varijacija izlazne snage), za razliku od OFDM. Naime, ako bi u prikazanoj šemi SC-FDMA predajnika bilo M=N, blokovi DFT i IDFT bi se međusobno poništili. Ipak, ako je M<N i preostali ulazi u IDFT se popune nulama, izlazni signal iz IDFT postaje signal single-carrier tipa. Suštinski, ovo znači sledeće: u standardnoj OFDM, svaki simbol se prenosi preko jednog podnosioca u slučaju SC-FDMA, svaki simbol se prenosi preko više podnosilaca, pa se ta grupa podnosilaca ustvari ponaša kao jedan frekvencijski opseg (single-carrier) gde se podaci prenose slično kao u FDMA (otuda i naziv SC-FDMA).

83 - SC-FDMA - Napomenimo još i to kako SC-FDMA ostvaruje fleksibilnu dodelu spektra: Ako je učestanost odabiranja na izlazu iz IDFT f s, nominalni opseg prenošenog signala iznosi: B = M N f s Dakle, variranjem parametra M, variramo i prenosni opseg i na taj način se ostvaruje fleksibilna dodela spektra.

84 M N M N M < N

85 - SC-FDMA - Slično kao i kod OFDMA, postoje dva tipa SC-FDMA: lokalizovana distribuirana. Lokalizovana SC-FDMA odnosi se na slučaj kada se izlaz DFT mapira na uzastopne ulaze IDFT, dok se distribuirana odnosi na slučaj kada se izlaz DFT mapira na ekvidistantne ulaze IDFT sa nulama ubačenim između.

86 - SC-FDMA - Na slici je prikazan spektar u slučaju lokalizovane i u slučaju distribuirane SC-FDMA. U oba slučaja u pitanju je single-carrier prenos, s tim što u slučaju distribuirane SC-FDMA to možda nije očigledno!

87 - SC-FDMA - Kao i u slučaju OFDMA, SC-FDMA se može koristiti kao šema višestrukog pristupa. Kao što je rečeno, dinamičkim podešavanjem veličine DFT na predajniku (parametra M), moguće je dinamički podešavati i nominalni opseg. Dodatno, pomerajući IDFT ulaze na koje se mapiraju DFT izlazi, moguće tačno podesiti poziciju signala u frekvencijskom domenu. Na ovaj način SC-FDMA ustvari postaje uplink FDMA sa fleksibilnom dodelom spektra.

88 - SC-FDMA - Slika a) pokazuje slučaj multipleksiranja dva mobilna terminala sa jednakim dodeljenim opsegom, a slika b) slučaj kada su dodeljeni opsezi različiti.

89 - SC-FDMA - I SC-FDMA višestruki pristup postoji u dve verzije: lokalizovani i distribuirani (prikazano na slici).

90 Napomenimo na kraju da je OFDM standardizovana modulaciona šema za LTE sistem na downlinku, dok je SC-FDMA standardizovana modulaciona šema za LTE sistem na uplinku.

91 U zaključku možemo konstatovati da se OFDM-based transmisione tehnike odlikuje: mogućnost prilagođavanja veličine opsega mogućnost fleksibilne dodele spektra mogućnost oblikovanja spektra mogućnost izbora modulacionih postupaka (po podnosiocima) mogućnost izbora parametara u zavisnosti od okruženja,... prilagođenost okruženju!

92 mogućnost prilagođavanja okruženju mogućnost dinamičkog podešavanja radio parametara visoka fleksibilnost jednostavna praktična implementacija OFDM-based transmisione tehnike kandidat za fizički sloj u KOGNITIVNOM RADIJU???