ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ και ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ της ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ιερεύνηση Τεχνικών ιαφορισµού στους Ψηφιακούς έκτες των Σύγχρονων Ασύρµατων ικτύων ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΗΜΗΤΡΙΟΣ του ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥΣ Α.Μ.: 90 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΣΤΑΥΡΟΣ ΚΩΤΣΟΠΟΥΛΟΣ ΠΑΤΡΑ ΙΟΥΛΙΟΣ 2009
- 2 -
Αφιερώνεται στην οικογένειά µου. - 3 -
- 4 -
Ευχαριστήριο Σηµείωµα Η παρούσα διπλωµατική εργασία, εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ασύρµατης Τηλεπικοινωνίας του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Σταύρου Κωτσόπουλου. Θα ήθελα από τη θέση αυτή να εκφράσω τις θερµές µου ευχαριστίες στον επιβλέποντα της διπλωµατικής εργασίας Καθηγητή του Πανεπιστηµίου Πατρών κ. Σταύρο Κωτσόπουλο, όχι µόνο για τη συνεχή επίβλεψη της παρούσας εργασίας, αλλά και για τη σηµαντική συµβολή του στο χτίσιµο ενός υποβάθρου τηλεπικοινωνιακού µηχανικού. - 5 -
- 6 -
Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α... - 7 - ΠΕΡΙΛΗΨΗ... - 9 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1... - 11-1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... - 11-1.1 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΤΟ ΧΡΟΝΟ - ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ...- 11-1.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΙΚΤΥΩΝ...- 14-1.3 O ΡΟΜΟΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΚΙΝΗΤΗ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑ ΤΡΙΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ...- 17-1.4 ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ - ΚΙΝΗΤΑ ΙΚΤΥΑ ΠΡΩΤΗΣ, ΕΥΤΕΡΗΣ, ΤΡΙΤΗΣ ΚΑΙ ΤΕΤΑΡΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ (1G, 2G, 3G, 4G)...- 18 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2... - 23-2. ΙΑΛΕΙΨΕΙΣ... - 23-2.1 ΚΑΝΑΛΙΑ ΙΑΛΕΙΨΕΩΝ...- 25-2.1.1 ιαλείψεις πολλαπλών διάδροµών... - 25-2.1.2 Επίπεδες διαλείψεις (Flat Fading)... - 27-2.1.3 ιαλείψεις επιλεκτικές στη συχνότητα (Frequency Selective Fading)... - 28-2.1.4 Βραχύχρονες ή Ταχείες ιαλείψεις (Fast Fading)... - 29-2.1.5 Μακρόχρονες ή Βραδείες ιαλείψεις (Slow Fading)... - 30-2.2 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΜΕ ΙΑΛΕΙΨΕΙΣ...- 31-2.2.1 Εισαγωγή... - 31-2.2.2 Κατανοµή Gauss... - 31-2.2.3 Κατανοµή Rayleigh... - 32-2.2.4 Κατανοµή Rice... - 32-2.2.5 Κατανοµή Nakagami... - 33 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3... - 35-3. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΙΑΦΟΡΙΣΜΟΥ... - 35-3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 35-3.2 FREQUENCY DIVERSITY-ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ...- 36-3.3 TIME DIVERSITY-ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΧΡΟΝΟΥ...- 37-3.4 POLARIZATION DIVERSITY-ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΠΟΛΩΣΗΣ...- 38-3.5 SPACE DIVERSITY- ΧΩΡΙΚΗ ΑΠΟΚΛΙΣΗ...- 38 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4... - 41-4. ΕΚΤΕΣ ΙΑΦΟΡΙΣΜΟΥ COMBINING DIVERSITY TECHNIQUES... - 41-4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...- 41-4.2 SELECTION DIVERSITY (ΣΥΝ ΥΑΣΤΗΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ)...- 41-4.3 SWITCHED DIVERSITY...- 43-4.4 MAXIMAL RATIO COMBINING (ΣΥΝ ΥΑΣΤΗΣ ΜΕΓΙΣΤΟΥ ΛΟΓΟΥ)...- 43-4.5 EQUAL GAIN COMBINING (ΣΥΝ ΥΑΣΤΗΣ ΊΣΗΣ ΑΠΟΛΑΒΗΣ)...- 45-4.6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...- 46 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5...ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5. OUTAGE PROBABILITIES ΕΚΤΩΝ ΙΑΦΟΡΙΣΜΟΥ...ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΡΙΣΜΟΣ SNR, OUTAGE PROBABILITY. -47-ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.2 SELECTION COMBINING...ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.2.1 SC µε εξασθένιση Nagakami-m... Error! Bookmark not defined. 5.2.2 SC µε εξασθένιση Nagakami-n... Error! Bookmark not defined. 5.3 MAXIMUM RATIO COMBINING (MRC)...ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.3.1 MRC µε Nagakami κανάλια εξασθένισης.... Error! Bookmark not defined. - 7 -
5.3.2 MRC µε εξασθένιση Nagakami-m... Error! Bookmark not defined. 5.3.3 MRC µε εξασθένιση Nagakami-n... Error! Bookmark not defined. 5.4 SWITCHED DIVERSITY... -85-5.4.1 SSC µε εξασθένιση Nagakami-m... -89-5.4.2 SSC µε εξασθένιση Nagakami-n... -93-5.5 EQUAL GAIN COMBINING... -96-5.5.1 Coherent EGC µε Nagakami κανάλια εξασθένισης... Error! Bookmark not defined. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6...ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 6. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΙΑΦΟΡΙΣΜΟΥ.... -101-6.1 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΜΕ ΕΞΑΣΘΕΝΙΣΗ NAGAKAMI-M...ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 6.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΜΕ ΕΞΑΣΘΕΝΙΣΗ NAGAKAMI-N... -107-6.3 ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ... -109- ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ-ΚΩ ΙΚΕΣ ΓΡΑΦΙΚΩΝ... -119- ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... -121- - 8 -
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι κινητές επικοινωνίες που αποτελούν και αντικείµενο της διπλωµατικής αυτής, πέρα από την πληθώρα εφαρµογών που παρέχουν στον χρήστη έχουν σαν βασικό µέληµα την παροχή όσο το δυνατών γίνεται πιο ποιοτικών υπηρεσιών. Ο µεγάλος ανταγωνισµός που επικρατεί µεταξύ των εταιριών παροχής κινητών υπηρεσιών αποτελεί µονόδροµο που οδηγεί στην συνεχή βελτίωση του QoS. Στόχος της διπλωµατικής αυτής είναι να εξετάσει τη συµπεριφορά των διαφόρων τεχνικών συνδυασµού (Combining Techniques) όταν το SNR του ληφθέντος σήµατος στο δέκτη µεταδίδεται µέσα από κανάλια εξασθένισης. Στο 1o κεφάλαιο κάνουµε µια ιστορική αναδροµή στο χώρο των τηλεπικοινωνιών, παρουσιάζουµε τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα των ασύρµατων δικτύων καθώς και την εξέλιξη των συστηµάτων κινητών επικοινωνιών προς τα ασύρµατα δίκτυα 3 ης γενιάς. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζουµε διάφορα κανάλια εξασθένισης και εξετάζουµε διάφορες κατανοµές που χαρακτηρίζουν το SNR και την εξασθένιση, όπως τη Rayleigh κατανοµή, την Nagakami-m και την Nagakami-n καθώς και αρκετές ακόµα δίνοντας για αυτές την συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (pdf), την αθροιστική συνάρτηση πυκνότητας (cdf). Στο 3o κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τεχνικές απόκλισης που χρησιµοποιούνται όπως για παράδειγµα η απόκλιση χώρου (Space Diversity), η απόκλιση πόλωσης (Polarization Diversity), απόκλιση συχνότητας (Frequency Diversity), χρόνου(time Diversity). Στο 4 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τεχνικές συνδυασµού (Combining techniques) όπως Maximum Ratio Combining (MRC) και Equal Gain Combining (EGC), Selection Combining (SC) και την Switched Combining η οποία µπορεί να διαχωριστεί στις Switch and Stay (SSC) και την Switch and Examine (SEC) ανάλογα µε τις απαιτήσεις µας. Στο 5 ο κεφάλαιο εξετάζονται διεξοδικά οι τεχνικές συνδυασµού SSC, MRC, SC και EGC αντίστοιχα. ίνονται γραφικές της πιθανότητας να τεθούµε εκτός λειτουργίας Pout για κάθε κανάλι εξασθένισης ξεχωριστά συναρτήσει του SNR του ληφθέντος σήµατος. Συγκεκριµένα εξετάζεται η πιθανότητα να τεθούµε εκτός λειτουργίας όταν το SNR του ληφθέντος σήµατος ακολουθεί τις κατανοµές Nagakami-m και την Nagakami-n. Μελετάται λεπτοµερώς η απόδοση που έχουν οι τεχνικές καθώς και το SNR που θα πρέπει να έχει το ληφθέν σήµα προκειµένου να έχουµε την επιθυµητή Pout σε συνδυασµό µε τον αριθµό των κλάδων στο δέκτη όπου αυτό είναι εφικτό. Τέλος, στο 6ο κεφάλαιο συγκεντρώνουµε τα αποτελέσµατα που λάβαµε και εξετάζουµε ποια τεχνική έχει την καλύτερη απόδοση για τα διάφορα κανάλια εξασθένισης δίνοντας συγκριτικές γραφικές παραστάσεις. Συνεπώς, θα είµαστε σε θέση να αποφανθούµε για το ποια τεχνική έχει καλύτερη απόδοση σε κάθε περίπτωση καθώς και να παρουσιάσουµε τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα των µεθόδων αυτών.
- 10 -
Κεφάλαιο 1 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Η εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών στο χρόνο - Ιστορική Αναδροµή Αφορµή για τη γέννηση της επιστήµης της ασύρµατης επικοινωνίας στάθηκε η θεµελίωση της ηλεκτροµαγνητικής θεωρίας από το Maxwell το 1861. Πρώτος ο Maxwell απέδειξε την ύπαρξη των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων και πρότεινε τη χρήση τους στο χώρο των επικοινωνιών. Βασισµένος στις αποδείξεις του Maxwell ο Marconi το 1895 πραγµατοποιεί την πρώτη επίσηµη ασύρµατη µετάδοση µε τη βοήθεια ενός δίπολου Hertz. Κατασκεύασε µε αυτόν τον τρόπο τον πρώτο ασύρµατο τηλέγραφο. Μετά από αυτή την πρώτη µετάδοση ξεκίνησαν περαιτέρω προσπάθειες ανάπτυξης των ασύρµατων επικοινωνιών και µάλιστα η εφεύρεση των ενισχυτικών λυχνιών και ταλαντωτών τη δεκαετία 1905-1915 οδήγησε σε ακόµη ταχύτερη εξέλιξή τους. Η πρώτη εµφάνιση κινητής ασύρµατης ζεύξης πραγµατοποιείται στους 2 µεγακύκλους γύρω στα 1921 στα πλαίσια των αναγκών της αστυνοµίας του Detroit. Ωστόσο εξαιτίας των χαµηλών συχνοτήτων εκποµπής τα κανάλια παρέµειναν περιορισµένα, γεγονός που αποτελούσε ανυπέρβλητο εµπόδιο για την περαιτέρω ανάπτυξη τόσο των κινητών όσο και των ασύρµατων επικοινωνιών. Σταθµός στην πορεία των τηλεπικοινωνιών αποτέλεσε η χρησιµοποίηση της διαµόρφωσης συχνότητας (Frequency Modulation) από τον Armstrong στα 1933. Από 1946 οι µεταδόσεις µπορούσαν να πραγµατοποιούνται στα 150ΜΗz ενώ εµφανίστηκαν και τα πρώτα κανάλια φωνής εύρους 120ΚHz. Το πρώτο σύστηµα κινητών τηλεπικοινωνιών ήταν το IMTS (Improved Mobile Telephone Service) το οποίο συνδεόταν µέσω σταθερών ραδιοκαναλιών µε το δηµόσιο δίκτυο. Το 1947 τα Bell Labs παρουσίασαν την ιδέα των κυψελωτών συστηµάτων, γεγονός που οδήγησε στη ευρεία γεωγραφική ανάπτυξη των κινητών τηλεπικοινωνιών. Το πρώτο κυψελωτό σύστηµα κινητής τηλεφωνίας υψηλής χωρητικότητας ευρείας γεωγραφικής κάλυψης προτάθηκε το 1970 από την ΑΤ&Τ. Το σύστηµα αυτό που ονοµάστηκε AMPS (Advanced Mobile Phone Service) ήταν καθαρά αναλογικό και αναφέρεται ως σύστηµα 1 ης γενιάς. Το 1982 µε την είσοδο της ψηφιακής επεξεργασίας των σηµάτων εµφανίζεται το GSM (Global System for Mobile) το οποίο αναφέρεται ως σύστηµα 2 ης γενιάς και επικρατεί στον Ευρωπαϊκό χώρο έως και σήµερα. Το GSM υλοποιήθηκε ώστε να υποστηρίζει κυρίως υπηρεσίες φωνής (13Κbps) και δεδοµένων µέχρι 9.6Κbps. Ωστόσο στις αρχές του 2000 οι ανάγκες για υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης αυξήθηκαν σηµαντικά ώστε το GSM να θεωρείται ανεπαρκές. - 11 -
Μπροστά στις νέες αυτές απαιτήσεις έγιναν προσπάθειες βελτιστοποίησης προς όλες τις βαθµίδες ενός τηλεπικοινωνιακού συστήµατος. Συγκεκριµένα βελτιώθηκαν οι µέθοδοι διαµόρφωσης, κωδικοποίησης καθώς και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας. Ωστόσο οι απαιτήσεις ήταν ακόµη µεγαλύτερες µε αποτέλεσµα τα τελευταία χρόνια να γίνονται προσπάθειες βελτίωσης της τεχνολογίας των κεραιών. Τα ασύρµατα συστήµατα επικοινωνιών όπως και τα ενσύρµατα, αποτελούνται από έναν ποµπό, έναν δέκτη και ένα κανάλι και τα χρησιµοποιούµε για την αποστολή πληροφοριών από µία πηγή σε έναν ή περισσότερους προορισµούς. Φυσικά η έξοδος της πηγής δεν είναι ντετερµινιστική γιατί τότε δεν θα υπήρχε λόγος µετάδοσης της πληροφορίας. Όλα τα ασύρµατα συστήµατα χρησιµοποιούν ένα κοινό κανάλι, την ατµόσφαιρα (ή το κενό αν ο ποµπός ή/και ο δέκτης µας βρίσκονται στο διάστηµα) και η πληροφορία µεταφέρεται ως κύµατα ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Στο παρακάτω σχήµα βλέπουµε σε γενική µορφή ένα ασύρµατο σύστηµα επικοινωνίας. Η πηγή παράγει πληροφορία η οποία επεξεργάζεται κατάλληλα, µεταδίδεται µέσω της κεραίας του ποµπού στο κανάλι, λαµβάνεται από την κεραία του δέκτη και αφού επεξεργαστεί ώστε να προκύψει η αρχική πληροφορία προωθείται στον προορισµό της. Σχήµα 1.1 Ασύρµατη επικοινωνία Η εποχή των ασύρµατων συστηµάτων επικοινωνιών άρχισε το 1896 µε την ανακάλυψη του ασύρµατου τηλέγραφου από τον Marconi και από τότε η βιοµηχανία των ασύρµατων επικοινωνιών γνωρίζει µια τροµερή έκρηξη µέχρι και σήµερα στην νέα χιλιετία. Το πρώτο σύστηµα κινητής τηλεφωνίας εγκαταστάθηκε από τον Marconi το έτος 1898 στο νησί Wight της Αγγλίας για λογαριασµό της βασίλισσας Βικτώριας. Η κινητή µονάδα ήταν το βασιλικό γιοτ στο οποίο τοποθετήθηκε ένας VHF ποµποδέκτης µε την κεραία του. Ο σταθµός βάσης ήταν ένας ποµποδέκτης µε την κεραία του αντίστοιχος µε αυτόν της κινητής µονάδας ο οποίος εγκαταστάθηκε στο παλάτι της βασίλισσας. - 12 -
Το 1901 πραγµατοποιήθηκε η πρώτη ασύρµατη µετάδοση σήµατος πάνω από τον Ατλαντικό Ωκεανό σε απόσταση 3.200 χιλιοµέτρων. Η ραδιοφωνία ΑΜ εγκαινιάστηκε το 1920, ενώ το πρώτο σύστηµα τηλεόρασης κατασκευάστηκε το 1929. Πριν από το Β Παγκόσµιο Πόλεµο οι Βρετανοί χρησιµοποιούσαν την κινητή τηλεφωνία για λογαριασµό της Αστυνοµίας στη ζώνη συχνοτήτων 2-3 ΜΗz. Το έτος 1935 χρησιµοποίησαν για την υπηρεσία αυτή συχνότητες από την VHF περιοχή. Κατά τη διάρκεια του Β Παγκοσµίου Πολέµου η χρήση των συστηµάτων αυτών επεκτάθηκε στις ένοπλες δυνάµεις και στις υπηρεσίες άµεσου δράσης (π.χ. πυροσβεστική υπηρεσία). Οι πρώτες τεχνικές µεταγωγής πακέτων αναπτύχθηκαν γύρω στο 1964, ενώ ο όρος packet προτάθηκε από τον D. W. Davies του National Physical Laboratory της Μεγάλης Βρετανίας. Οι έρευνες του εργαστηρίου αυτού οδήγησαν στο σηµερινό διεθνές δηµόσιο δίκτυο µεταγωγής πακέτων X.25, ενώ το ίδιο έτος ο οργανισµός ARPA (Advanced Research Project Energy) των Η.Π.Α. άρχισε να χρηµατοδοτεί τα προγράµµατα που οδήγησαν στη δηµιουργία του ARPAnet (πυρήνα του σηµερινού Internet) το 1969. Η τεχνολογία των ασυρµάτων δικτύων µετάδοσης πακέτων άρχισε να αναπτύσσεται στην δεκαετία 1970 1980, αν και η µεγάλη ανάπτυξή της συµπίπτει µε την διάδοση των µικροϋπολογιστών στην δεκαετία 1980 1990. Η ανάπτυξη της βιοµηχανίας των κινητών τηλεπικοινωνιών την τελευταία δεκαπενταετία είναι χωρίς προηγούµενο στην ιστορία των τηλεπικοινωνιών και αυτό χάρη στην πρόοδο των ψηφιακών και RF κυκλωµάτων, στα υψηλής κλίµακας ολοκληρωµένα κυκλώµατα και σε άλλες τεχνολογίες σµίκρυνσης των κυκλωµάτων. - 13 -
Σχήµα 1.2 Ασύρµατη πραγµατικότητα 1.2 Πλεονεκτήµατα και Μειονεκτήµατα των Ασύρµατων ικτύων Σήµερα τα ασύρµατα συστήµατα γνωρίζουν τεράστια άνθηση και χρησιµοποιούνται σε ένα πλήθος εφαρµογών, πέρα από τις κλασικές. Αυτό οφείλεται σε ένα σύνολο πλεονεκτηµάτων που έχει η ασύρµατη δικτύωση σε σχέση µε την ενσύρµατη. Καταρχήν η χρήση ενσύρµατων δικτύων µπορεί πολλές φορές να είναι δαπανηρή, όπως για παράδειγµα σε ένα παλαιό συγκρότηµα γραφείων όπου δεν υπάρχει ήδη κάποια δικτύωση, ή ακόµα και αδύνατη, όπως για παράδειγµα σε ένα ορεινό και αποµακρυσµένο χωριό ή σε µια αποµακρυσµένη νησίδα του Αιγαίου. Επιπρόσθετα, εξαιτίας της ολοένα και αυξανόµενης ανάγκης των ανθρώπων για πρόσβαση σε αποµακρυσµένα υπολογιστικά συστήµατα και κυρίως στο Internet απαιτείται συχνά η δυνατότητα σύνδεσης των φορητών υπολογιστικών συστηµάτων µέσω κάποιου δικτύου µε το Internet. Μάλιστα, η δυνατότητα αυτή θα πρέπει να παρέχεται ακόµα και στην περίπτωση κινούµενων υπολογιστικών συστηµάτων. - 14 -
Ένας τοµέας που οι ασύρµατες επικοινωνίες έχουν παρουσιάσει σηµαντική πρόοδο και εξάπλωση είναι η κυψελική τηλεφωνία, την οποία χρησιµοποιούν εκατοντάδες εκατοµµύρια άνθρωποι στις περισσότερες χώρες του κόσµου. Ένας άλλος τοµέας είναι οι δορυφορικές επικοινωνίες, που παρέχουν ένα ευρύ φάσµα από υπηρεσίες και των οποίων η χρήση αναµένεται να αυξηθεί στο µέλλον. Ένας καινούργιος χώρος στον οποίο άρχισαν να χρησιµοποιούνται τα ασύρµατα δίκτυα είναι αυτός της διασύνδεσης συσκευών. Σήµερα, γίνεται προσπάθεια σχεδιασµού δικτύων τα οποία θα καταργήσουν τα καλώδια για την επικοινωνία µεταξύ των διαφόρων συσκευών. Τέτοια παραδείγµατα δικτύων, είναι ένα δίκτυο που θα συνδέει το κινητό τηλέφωνο του χρήστη µε τον φορητό του υπολογιστή, το PDA ή ακόµα και την ψηφιακή φωτογραφική του µηχανή. Ένα ακόµα παράδειγµα τέτοιου δικτύου είναι ένα δίκτυο που θα συνδέει την κεντρική µονάδα ενός επιτραπέζιου (desktop) υπολογιστή µε την οθόνη ή µε τον εκτυπωτή. Άλλες πιθανές εφαρµογές τέτοιων δικτύων είναι η χρήση τους στα λεγόµένα «έξυπνα σπίτια», όπου οι διάφορες οικιακές συσκευές µπορούν να επικοινωνούν και να ρυθµίζονται από έναν κεντρικό υπολογιστή ή και να αλληλεπιδρούν µεταξύ τους. Άλλος πιθανός τοµέας χρήσης ασύρµατων δικτύων είναι οι «φορετοί» υπολογιστές (wearable computers), οι οποίοι είναι υπολογιστές που ο χρήστης «κουβαλάει» πάνω στο σώµα του. Παραδείγµατα τέτοιων υπολογιστών είναι ένα ρολόι ή ένα ζευγάρι γυαλιών, τα οποία µπορούν να επικοινωνούν µέσω κάποιου ασύρµατου δικτύου µε έναν εξυπηρετητή και να αποκοµίζουν σηµαντικές πληροφορίες ή πληροφορίες τηλεµετρίας (π.χ. έλεγχος από απόσταση της θερµοκρασίας ενός θερµοκηπίου). Τελειώνοντας, πρέπει να αναφέρουµε ότι τα ασύρµατα δίκτυα ανοίγουν το δρόµο σε πάρα πολλές νέες και «εξωτικές» εφαρµογές, όπως για παράδειγµα τα δίκτυα έξυπνης σκόνης (smart dust), τα οποία αναµένεται να διαδραµατίσουν σηµαντικό ρόλο σε διάφορες περιοχές της επιστήµης και της τεχνολογίας. Βέβαια, τα ασύρµατα δίκτυα έχουν και κάποια σηµαντικά µειονεκτήµατα σε σχέση µε τα ενσύρµατα. Έτσι, ένα από τα σηµαντικότερα µειονεκτήµατα των ασύρµατων δικτύων είναι το περιορισµένο εύρος ζώνης που διαθέτουν, κυρίως - 15 -
εξαιτίας της πληθώρας των εφαρµογών που υπάρχουν, σε συνδυασµό και µε το γεγονός ότι όλα τα ασύρµατα δίκτυα χρησιµοποιούν ένα κοινό µέσο, την ατµόσφαιρα. Επιπρόσθετα, πέρα από τον περιορισµό του διαθέσιµου εύρους ζώνης, η ύπαρξη τόσο πολλών δικτύων, οδηγεί και σε παρεµβολές µεταξύ τους, µειώνοντας ακόµα περισσότερο της επιδόσεις τους. Για την αποφυγή αυτών των προβληµάτων, συνήθως η χρήση των διαθέσιµων συχνοτήτων καθορίζεται από διεθνής και εθνικούς οργανισµούς. Πρέπει να σηµειωθεί ότι κάποιες ζώνες συχνοτήτων είναι ελεύθερες για χρήση, δηλαδή µπορούν να χρησιµοποιηθούν από οποιονδήποτε χωρίς να χρειάζεται ειδική άδεια. Οι ζώνες αυτές είναι γενικά διαφορετικές σε διαφορετικές περιοχές του κόσµου (π.χ. Ευρώπη, Βόρεια Αµερική) και ονοµάζονται ζώνες βιοµηχανίας, επιστήµης και ιατρικής (Industrial, Scientific, Medical ISM). Ο λόγος ύπαρξης τους είναι για να παρέχουν την δυνατότητα υποστήριξης κάποιων υπηρεσιών, όπως τα ασύρµατα (cordless) τηλέφωνα, τους τηλεχειρισµούς των γκαράζ ή της τηλεόρασης, τους φούρνους µικροκυµάτων και άλλα, καθώς και να παρέχουν την δυνατότητα σε όποιον ενδιαφέρεται για τα ασύρµατα συστήµατα να αναπτύξει δικές του εφαρµογές, χωρίς να χρειάζεται να πληρώσει σηµαντικά ποσά για την απόκτηση άδειας χρήσης κάποιας ζώνης συχνοτήτων (π.χ. ερευνητικά κέντρα, πανεπιστήµια). Η αποφυγή παρεµβολών µεταξύ των συστηµάτων που χρησιµοποιούν τις ζώνες ISM επιτυγχάνεται µε την απαίτηση όλα τα συστήµατα να έχουν τόσο βραχεία εµβέλεια εκποµπής ώστε να µην συγκρούονται µεταξύ τους, ενώ τελευταία απαιτείται και η χρήση τεχνικών εξάπλωσης φάσµατος (spread spectrum). Άλλα σηµαντικά ζητήµατα που διαφοροποιούν τα ασύρµατα από τα ενσύρµατα δίκτυα είναι το γεγονός ότι τα περισσότερα ασύρµατα δίκτυα είναι περισσότερο επιρρεπή στον περιβαλλοντικό θόρυβο, όπως για παράδειγµα στην βροχή ή στην κοσµική ακτινοβολία. Το πρόβληµα αυτό είναι πολύ σηµαντικό, αφού για παράδειγµα µια ισχυρή καταιγίδα µπορεί να αχρηστεύσει εντελώς ένα ασύρµατο σύστηµα επικοινωνίας. Ένα άλλο σηµαντικό πρόβληµα είναι ότι πολλά ασύρµατα δίκτυα µπορούν να έχουν περιορισµένη διάµετρο (απόσταση µεταξύ των δύο περισσότερο αποµακρυσµένων κόµβων) και περιορισµένο αριθµό - 16 -
χρηστών, ενώ συχνά απαιτείται και οπτική επαφή µεταξύ των χρηστών. Εκτός όλων των παραπάνω, ορισµένα είδη ασύρµατων δικτύων µπορεί να µην λειτουργούν ικανοποιητικά ακόµα και σε διαφορετικές συνθήκες φωτισµού ή θερµοκρασίας, όπως για παράδειγµα τα δίκτυα υπερύθρων ή laser. 1.3 O δρόµος προς την κινητή τηλεφωνία τρίτης γενιάς Τα συστήµατα κινητών επικοινωνιών της δεύτερης γενιάς, όπως το GSM (Global System for Mobile Communications) και το IS-95, είχαν υλοποιηθεί ώστε να παρέχουν στους χρήστες τους φωνητικές υπηρεσίες. Στα χρόνια που ακολούθησαν, παρόλο που ενσωµατώθηκαν διάφορες νέες υπηρεσίες δεδοµένων, έγινε φανερό ότι τα δίκτυα κινητών δεύτερης γενιάς δε µπορούσαν πλέον να προσφέρουν περισσότερες εφαρµογές. Η ανάγκη να µεταδίδονται εικόνες υψηλής ποιότητας και video σε πραγµατικό χρόνο, ή να υπάρχει πρόσβαση στο διαδίκτυο µε υψηλές ταχύτητες, έδωσε ώθηση στην υλοποίηση συστηµάτων τρίτης γενιάς. Σχήµα 1.3 2G, 3G Από την άλλη πλευρά, η τεράστια αποδοχή του GSM έδειξε ότι για να µη δηµιουργηθεί κατακερµατισµός στη βιοµηχανία θα πρέπει να υιοθετηθεί από όλους ένα κοινώς αποδεκτό σύστηµα τρίτης γενιάς. Έτσι, προέκυψε µια διεθνής - 17 -
συνεργασία που ονοµάζεται 3GPP (Third Generation Partnership Project) και που συµµετέχουν οι τηλεπικοινωνιακοί φορείς από την Ευρώπη, την Ιαπωνία, την Κορέα, την Κίνα και τις ΗΠΑ. Ως ασύρµατη διεπαφή (air interface) για το UMTS (Universal Mobile Telecommunications Services) ορίστηκε το σύστηµα WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), δηλαδή ένα ευρυζωνικό σύστηµα πολλαπλής πρόσβασης µε διαίρεση κώδικα. Παράλληλα µε το 3GPP, δηµιουργήθηκε η ανάγκη για έναν οργανισµό που θα εξετάσει ως πιθανή ασύρµατη διεπαφή για συστήµατα κινητών επικοινωνιών το cdma2000, µια παρόµοια µε το WCDMA πρόταση που προέρχεται από τις ΗΠΑ. Φτάσαµε έτσι στον οργανισµό 3GPP2. Στόχος τόσο του 3GPP όσο και του 3GPP2 είναι η εναρµόνιση των προτύπων παγκοσµίως. Μέσω της τεχνολογίας WCDMA το δίκτυο θα µπορεί να παρέχει διευρυµένες υπηρεσίες δεδοµένων µε διαφορετικές απαιτήσεις εξυπηρέτησης ως προς την ποιότητα (Quality of Service), ανάλογα µε την εφαρµογή που ο χρήστης επιθυµεί. Οι πρώτες υλοποιήσεις δικτύων WCDMA έχουν ήδη ξεκινήσει από διάφορους παρόχους υπηρεσιών. 1.4 Εξέλιξη συστηµάτων κινητών επικοινωνιών - Κινητά δίκτυα πρώτης, δεύτερης, τρίτης και τέταρτης γενιάς (1G, 2G, 3G, 4G) Συγκεντρωτικά οι διάφορες γενιές κινητών δικτύων είναι οι εξής: - 18 -
Σχήµα 1.4 Γενιές Κινητών Κινητά ίκτυα Πρώτης Γενιάς (1G) Ήταν τα πιο απλά επικοινωνιακά δίκτυα και άρχισαν να αναπτύσσονται την δεκαετία του 1980, βασισµένα στην τεχνολογία τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων µε χρήση της αναλογικής διαµόρφωσης συχνότητας (FM). Αυτά τα συστήµατα είχαν πολλά προβλήµατα όπως απώλεια σήµατος, µικρούς ρυθµούς µετάδοσης και επίσης µπορούσαν να εξυπηρετήσουν ένα µικρό ποσοστό πελατών. Κινητά ίκτυα εύτερης Γενιάς (2G και 2.5G) Σε αυτά τα συστήµατα γίνεται χρήση ψηφιακών τεχνολογιών µετάδοσης όπως το Time Division Multiple Access (TDMA) για µετάδοση φωνής αλλά και δεδοµένων. Οι ρυθµοί µετάδοσης είναι τις τάξης των 10 kbits/s. Άλλες τεχνολογίες που χρησιµοποιούνται στα 2G δίκτυα ήταν οι Frequency Division - 19 -
Multiple Access (FDMA) και Code Division Multiple Access (CDMA).Οι πιο προηγµένες τεχνολογίες όπως αναφέρθηκε προηγουµένως ορίστηκαν ως τεχνολογίες συστηµάτων 2.5G. Τέτοια συστήµατα που εµπεριέχουν το GSM και το GPRS, έχουν µεγαλύτερους ρυθµούς µετάδοσης. 2G 9.6, 14.4 kbps Circuit-Switched Voice Circuit-Switched Data Short Message Service (SMS) Σχήµα 1.5 2G Κινητά ίκτυα Τρίτης Γενιάς (3G) Τα δίκτυα τρίτης γενιάς υπάρχουν ήδη σε λειτουργία σε µερικές χώρες της Ευρώπης και της Άπω Ανατολής (π.χ. Ιαπωνία). Οι ρυθµοί µετάδοσης έχουν ως µέγιστο τα 2 Mbits/s (Mbps) και στο δίκτυο συνυπάρχουν οι τεχνολογίες µεταγωγής πακέτου και µεταγωγής κυκλώµατος για την προσφορά υπηρεσιών όπως φωνή, µεταφορά δεδοµένων, κτλ και νέων λειτουργιών που έχουν καλύτερες επιδόσεις και είναι και πιο φιλικές προς τον χρήστη. Παραδείγµατα δικτύων τρίτης γενιάς είναι το Universal Mobile Communications System(UMTS), το Wireless Application Protocol (3GWAP), και το CDMA-2000, καθένα εκ των οποίων χρησιµοποιεί διαφορετικές τεχνολογίες, που όµως έχουν πάρα πολλά κοινά στοιχεία και την ίδια φιλοσοφία. - 20 -
3G up to 2 Mbps? Circuit-Switched Voice Low-Speed Circuit-Switched Data High-Speed Circuit-Switched Data Packet Data Σχήµα 1.6 3G Κινητά ίκτυα Τέταρτης Γενιάς (4G) Παρ όλο που η ανάπτυξη των 3G δικτύων δεν έχει ακόµα ολοκληρωθεί, πολύς λόγος γίνεται για τα νέα δίκτυα τέταρτης γενιάς που θα αρχίσουν να λειτουργούν τα επόµενα χρόνια. Αυτά τα δίκτυα βρίσκονται προς το παρόν µόνο σε πειραµατικό επίπεδο και θα έχουν την δυνατότητα να συνδέουν όχι µόνο ανθρώπους, αλλά και διάφορες άλλες ηλεκτρικές συσκευές µεταξύ τους. - 21 -
- 22 -
Κεφάλαιο 2 2. ΙΑΛΕΙΨΕΙΣ Ο σκοπός οποιουδήποτε συστήµατος επικοινωνιών είναι να µεταφερθούν πιστά οι πληροφορίες µεταξύ της πηγής και του προορισµού. Το ασύρµατο κανάλι επικοινωνίας είναι δυναµικό και τυχαίο και, κατά περιόδους, το λαµβανόµενο σήµα δεν είναι αρκετά ισχυρό για να υπάρξει αξιόπιστη σύνδεση µεταξύ του ποµπού των σηµάτων και του δέκτη. Η µέση ένταση των σηµάτων που λαµβάνεται από µια κεραία µπορεί να είναι αρκετά µεγάλη, αλλά σε µερικές περιπτώσεις δεν είναι ασυνήθιστο η στιγµιαία στάθµη του σήµατος σε ένα περιβάλλον πολλαπλών διαδροµών (multipath fading environment) να πέσει 30 db ή περισσότερο κάτω από το µέσο επίπεδό του. Κατά τη διάρκεια αυτών των απότοµων πτώσεων της στάθµης του σήµατος το µήνυµα είναι πιθανό να παραληφθεί ανακριβώς. Προκειµένου να αντισταθµιστεί η εξασθένιση που παρουσιάζεται εξαιτίας του καναλιού και για να εξασφαλιστεί ότι η πληροφορία δεν αποκωδικοποιείται λανθασµένα, η ισχύς µετάδοσης µπορεί να αυξηθεί κατά τη διάρκεια λήψης των ασθενών σηµάτων από την κεραία. Τα περισσότερα όµως ασύρµατα συστήµατα επικοινωνιών είναι χαµηλής ισχύος και δεν έχουν τη δυναµική περιοχή που χρειάζεται για να αντιµετωπίσουν τις διαλείψεις (fading). Αύξηση της αξιοπιστίας σε ένα περιβάλλον διαλείψεων πολλαπλών διαδροµών (multipath fading) χωρίς αύξηση της ισχύος εκποµπής µπορεί να πραγµατοποιηθεί χρησιµοποιώντας σύστηµα λήψης διαφορισµού κεραιών (antenna diversity systems). Οι πολλαπλές κεραίες στο δέκτη έχουν χρησιµοποιηθεί επιτυχώς για να εξαλείψουν τις διακυµάνσεις της έντασης των σηµάτων, ώστε να µειωθούν οι επιπτώσεις της εξασθένησης των σηµάτων κατά τη διάρκεια των διαλείψεων. Στο σύστηµα λήψης διαφορισµού κεραιών όλα τα στοιχεία των κεραιών λαµβάνουν τα σήµατα. Η χρησιµοποίηση διαφορετικών κεραιών αυξάνει την πιθανότητα ότι ένα ή περισσότερα από τα στοιχεία θα λάβουν τα σήµατα µε την επαρκή ένταση. Η µείωση των περιστατικών εξασθένισης βελτιώνει τη γενική αξιοπιστία των λαµβανόµενων πληροφοριών και εποµένως επιτρέπει µεγαλύτερες αποστάσεις κάλυψης. Στις παρούσες κυψελοειδείς κινητές ραδιοεπικοινωνίες (824-894 MHz), η χρήση των πολλαπλών κεραιών περιορίστηκε σχεδόν αποκλειστικά στους σταθµούς βάσεων που ήταν διαθέσιµη µια αρκετά µεγάλη περιοχή για να τοποθετηθούν διάφορες ογκώδεις κεραίες. Είναι ευρέως γνωστό ότι το µέγεθος της κεραίας είναι άµεσα ανάλογο προς το µήκος κύµατός. Η αύξηση στις συχνότητες επικοινωνίας, ως συνέπεια, συνοδεύθηκε από µια µείωση του µεγέθους των στοιχείων κεραιών. Επιπλέον, στις συχνότητες PC (1850-1990 MHz) ή υψηλότερες, έχει γίνει εφικτό να υπάρχουν πολλαπλές κεραίες όχι µόνο στο σταθµό βάσεων αλλά και στην κινητή µονάδα. - 23 -
Ένα από τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά των καναλιών επικοινωνίας είναι η εξασθένηση. Η ζεύξη µεταξύ ενός εκποµπού και ενός δέκτη διαφέρει µεταξύ µια απλής οπτικής επαφής (simple line of sight) και µιας η οποία εµποδίζεται από κτίρια, βουνά και γενικά υποφέρει από σοβαρές πολυοδικές διαλείψεις. Ένας ποµπός και ένας δέκτης περιβάλλονται από διάφορα αντικείµενα που προκαλούν ανάκλαση και διασκόρπιση της µεταδιδόµενης ενέργειας, µε αποτέλεσµα διάφορα κύµατα να φθάνουν στο δέκτη από διαφορετικές διευθύνσεις. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται διάδοση πολλαπλών διαδροµών (multipath propagation). Η περίπτωση που το απευθείας κύµα δεν µπορεί να φτάσει στο δέκτη ονοµάζεται διάδοση µη οπτικής επαφής (non-line-of-sight, NLOS). Συνήθως δεν γίνεται υπολογισµός της ισχύος του σήµατος που φθάνει µέσω πολλαπλών διαδροµών, και αυτό γιατί απαιτείται ακριβής γνώση της θέσης και των ηλεκτροµαγνητικών χαρακτηριστικών όλων των σκεδαστών. Αντίθετα γίνεται µια στατιστική περιγραφή που φυσικά διαφέρει πολύ στην απευθείας και στη µη διάδοση του σήµατος. Στο σχήµα 2.1 παρουσιάζονται όλες οι µορφές εξασθένισης σε ένα περιβάλλον πολλαπλών διαδροµών µε διαλείψεις. Σχηµα 2.1 µορφές εξασθένισης σε περιβάλλον µε διαλείψεις - 24 -
2.1 ΚΑΝΑΛΙΑ ΙΑΛΕΙΨΕΩΝ 2.1.1 ιαλείψεις πολλαπλών διάδροµών Η ασύρµατη επικοινωνία στο περιβάλλον των κινητών επικοινωνιών λαµβάνει χώρα µεταξύ σταθερών σταθµών βάσης και κινητών τερµατικών. Ένα τυπικό µοντέλο ασύρµατης επικοινωνίας στο περιβάλλον των επίγειων κινητών επικοινωνιών αποτελείται από µια υπερυψωµένη κεραία (ή σύστηµα κεραιών) σταθµού βάσης και από µια κινητή κεραία (ή σύστηµα κεραιών) στερεωµένη στον ποµποδέκτη του κινητού τερµατικού. Στις περισσότερες εφαρµογές, δεν υπάρχει πλήρης διάδοση οπτικής επαφής µεταξύ της κεραίας του σταθµού βάσης, που είναι γνωστή και ως σηµείο πρόσβασης, και της κεραίας του κινητού τερµατικού, λόγω φυσικών ή τεχνιτών εµποδίων. Η διαδροµή διάδοσης αποτελείται από ένα τµήµα οπτικής επαφής (line-of-sight), σχετικά µικρού µήκους, ακολουθούµενου από πολλά τµήµατα χωρίς οπτική επαφή (non-light-ofsight). Οι µηχανισµοί που διέπουν τη ραδιοδιάδοση είναι πολύπλοκοι και ποικίλοι και µπορούν να συνοψιστούν σε τρεις βασικούς: την ανάκλαση (reflection), την περίθλαση (diffraction) και τη σκέδαση (scattering). Ανάκλαση εµφανίζεται, όταν διαδιδόµενο ηλεκτροµαγνητικό κύµα προσπίπτει σε εµπόδιο µε διαστάσεις πολύ µεγάλες σε σχέση µε το µήκος κύµατος του. Ανακλώµενα κύµατα παράγονται ύστερα από πρόσπτωση των διαδιδόµενων κυµάτων στην επιφάνεια του εδάφους και στα κτίρια, και µπορούν να συµβάλλουν µε τα αρχικά κύµατα στο δέκτη εποικοδοµητικά ή όχι. Περίθλαση εµφανίζεται, όταν παρεµβάλλεται ένα αδιαπέραστο σώµα στη διαδροµή του ραδιοκύµατος από τον ποµπό προς τον δέκτη. Σκέδαση εµφανίζεται στην περίπτωση όπου στη διαδροµή του ραδιοκύµατος υπάρχουν αντικείµενα µε διαστάσεις ίσες ή µικρότερες από το µήκος κύµατος. Έχει αποδειχθεί ότι η σκέδαση είναι ο µηχανισµός διάδοσης, που είναι πιο δύσκολο να προβλεφθεί στα ασύρµατα συστήµατα κινητών και προσωπικών επικοινωνιών. Σε τέτοιο περιβάλλον, καθώς το κινητό τερµατικό κινείται σε µια περιοχή, οι ανακλάσεις (reflections), οι περιθλάσεις (diffractions) και οι σκεδάσεις (scatterings) που λαµβάνουν χώρα έχουν ως αποτέλεσµα την άφιξη πολλών επίπεδων κυµάτων στο κινητό τερµατικό, από πολλές κατευθύνσεις και µε διαφορετικές καθυστερήσεις. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται διάδοση µε διαλείψεις πολλαπλών διάδροµων (multipath fading). Τα πολλαπλά επίπεδα κύµατα συνδυάζονται στην κεραία του δέκτη για να παράγουν ένα σύνθετο λαµβανόµενο σήµα. - 25 -
Σχηµα 2.2 περιβάλλον µε διαλείψεις πολλαπλών δρόµων Η διάδοση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων σε περιβάλλοντα κινητών επικοινωνιών χαρακτηρίζεται από τρία επιµέρους φαινόµενα: τις απώλειες διαδροµής (path loss), τη σκίαση (shadowing) και τις διαλείψεις πολλαπλών διαδροµών (multipath fading). Οι διαλείψεις πολλαπλών διαδροµών περιγράφονται από τις διαλείψεις περιβάλλουσας (κατανοµή πλάτους µηεπιλεκτική ως προς τη συχνότητα), την εξάπλωση Doppler (χρονικά µεταβαλλόµενος θόρυβος τυχαίας φάσης) και την εξάπλωση της χρονοκαθυστέρησης (µεταβλητή απόσταση διάδοσης των ανακλώµενων σηµάτων προκαλεί χρονικές µεταβολές στα ανακλώµενα σήµατα). Το σήµα που φθάνει στην είσοδο του δέκτη υφίσταται κατά τη διαδροµή του στο µέσο, µεταβολές εύρους και φάσης συναρτήσει του χρόνου κατά τυχαίο τρόπο. Οι µεταβολές αυτές και ειδικότερα εκείνες του πλάτους, αποτελούν τις λεγόµενες διαλείψεις(fading) και εκφράζονται σε db ως προς τη θεωρητική στάθµη του σήµατος στον ελεύθερο χώρο ή ως προς την πραγµατική µεσαία στάθµη του σήµατος, που διαφέρει από την προηγούµενη κατά µερικά db. Οι διαλείψεις αποτελούν στιγµιαία εκτροπή της ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας προς άλλες κατευθύνσεις ή οφείλονται στη συµβολή κυµάτων που φθάνουν στο δέκτη δια διαφορετικών δρόµων (πολλαπλές οδεύσεις) ή στη συµβολή µεταξύ του κατευθείαν και του ανακλώµενου κύµατος. Οφείλονται δε σε µεταβολές των ατµοσφαιρικών συνθηκών κατά µήκος της ζεύξης. Οι διαλείψεις αυξάνουν συνήθως αυξανοµένης της συχνότητας ή αυξανοµένης της αποστάσεως της ζεύξεως. Μόνο στην ιδεατή περίπτωση οµοιόµορφης ατµόσφαιρας η µετάδοση γίνεται µε το κατευθείαν κύµα, αλλιώς το κύµα υφίσταται καµπύλωση προς τα άνω ή προς τα κάτω ανάλογα µε τις επικρατούσες ατµοσφαιρικές συνθήκες. Η καµπύλωση αυτή µπορεί µερικές φορές να οδηγήσει στον µετασχηµατισµό µιας ζεύξεως οπτικής επαφής σε µια ζεύξη άνευ ορατότητας Ο τύπος αυτός των διαλείψεων δύναται να διαρκέσει επί αρκετές ώρες. - 26 -
Το φαινόµενο των πολλαπλών διαδροµών του κύµατος, το οποίο προκαλεί διαλείψεις, οφείλεται στις ανοµοιογένειες του δείκτη διαθλάσεως,κυρίως κατά την κατακόρυφη διεύθυνση, αλλά και σε µικρότερο βαθµό κατά την οριζόντια διεύθυνση. εδοµένου ότι τα µήκη των διαδροµών είναι διαφορετικά, το σήµα στο δέκτη είναι το άθροισµα συνιστωσών που έχουν συγκρίσιµα πλάτη, αλλά φάσεις τυχαίες. Επιπλέον τα πλάτη και οι φάσεις των συνιστωσών αυτών µεταβάλλονται συνεχώς λόγω των αντιστοίχων µεταβολών της ατµόσφαιρας. Για τον περιορισµό των διαλείψεων χρησιµοποιούνται στην πράξη περισσότερες ραδιοδιαδροµές για την µεταβίβαση της αυτής πληροφορίας. Η πιο χρησιµοποιούµενη µέθοδος είναι εκείνη η οποία κάνει χρήση µιας κεραίας εκποµπής και δυο κεραιών λήψεως(διαφορική λήψη δευτέρας τάξεως) ή τριών κεραιών λήψεως (διαφορική λήψη τρίτης τάξεως) σε καθορισµένες αποστάσεις µεταξύ τους. Ο τύπος αυτός διαφορικής λήψεως ονοµάζεται διαφορική λήψη χώρου. Ένας άλλος τρόπος λήψεως είναι εκείνος της διαφορικής λήψεως συχνότητας, ο οποίος συνίσταται στην αποστολή της αυτής πληροφορίας µε δυο διαφορετικές συχνότητες ταυτοχρόνως, που εκπέµπονται και λαµβάνονται από διαφορετικούς ποµπούς και δέκτες. Το κριτήριο της διαφορικής λήψης είναι το εξής: Οι διαλείψεις εξαρτώνται από τη συχνότητα και από τις διανυόµενες διαδροµές των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων. Εποµένως εάν αντί ενός ραδιοδιαύλου χρησιµοποιηθούν δύο ή περισσότεροι, διαφορετικοί µεταξύ τους είτε λόγω της φέρουσας συχνότητας είτε λόγω της θέσεως των κεραιών υπάρχει µεγαλύτερη πιθανότητα σε ένα τουλάχιστον των ραδιοδιαύλων στη δεδοµένη στιγµή οι διαλείψεις να είναι µικρές ως προς τη µεσαία στάθµη σήµατος. Είναι προφανές ότι αυτό απαιτεί πως οι χρησιµοποιούµενες συχνότητες ή οι θέσεις των κεραιών να βρίσκονται σε αρκετή απόσταση µεταξύ τους. 2.1.2 Επίπεδες διαλείψεις (Flat Fading) Αν η απόκριση στη συχνότητα ενός καναλιού είναι επίπεδη και γραµµική σε όλο το εύρος ζώνης του σήµατος, τότε λέµε ότι το σήµα υπόκειται σε επίπεδες διαλείψεις. Η απόκριση του καναλιού σε αυτήν την περίπτωση µπορεί να αναπαρασταθεί σαν ένα παλµό. Ωστόσο αν ο δέκτης κινείται τότε η απόκριση του καναλιού µπορεί να θεωρηθεί σαν συνάρτηση παλµών µε µεταβλητό στο χρόνο κέρδος. Οι επίπεδες διαλείψεις εµφανίζονται επίσης όταν η ενεργός τιµή της διασποράς καθυστέρησης (rms delay spread) είναι πολύ µικρότερη συγκρινόµενη µε τη χρονική διάρκεια του διαµορφωµένου συµβόλου. Σε αυτήν την περίπτωση θεωρούµε ότι όλες οι συνιστώσες που οφείλονται στις διαλείψεις πολλαπλών δρόµων φθάνουν την ίδια χρονική στιγµή στην αρχή του συµβόλου, διατηρώντας το φασµατικό περιεχόµενο του σήµατος. - 27 -
Σχήµα 2.3 Επίπεδες διαλείψεις 2.1.3 ιαλείψεις επιλεκτικές στη συχνότητα (Frequency Selective Fading) Όταν το µεταδιδόµενο σήµα έχει µεγαλύτερο εύρος ζώνης από την ζώνη στην οποία το κανάλι έχει σταθερό κέρδος και γραµµική φάση τότε λέµε ότι το σήµα υπόκειται σε διαλείψεις επιλεκτικές στη συχνότητα. Σε αυτήν την περίπτωση το λαµβανόµενο σήµα περιλαµβάνει αρκετά αντίγραφα του εκπεµπόµενου σήµατος τα οποία έχουν υποστεί χρονική καθυστέρηση και διαλείψεις. Εµφανίζονται όταν το εκπεµπόµενο BW του σήµατος είναι µεγαλύτερο από το BW του καναλιού, όπου διαφορετικές συχνότητες έχουν διαφορετικά κέρδη. - 28 -
Σχήµα 2.4 διαλείψεις επιλεκτικές στη συχνότητα 2.1.4 Βραχύχρονες ή Ταχείες ιαλείψεις (Fast Fading) Οι ταχείς διαλείψεις εµφανίζονται όταν τα χαρακτηριστικά του καναλιού αλλάζουν ταχύτερα από την διάρκεια του εκπεµπόµενου σήµατος. Αυτή η περίπτωση των επιλεκτικών στο χρόνο διαλείψεων εισάγουν ολίσθηση στη συχνότητα εξαιτίας της ολίσθησης Doppler. Το σήµα παρουσιάζει µια τυχαία µεταβολή του πλάτους του λόγω των πολλών διαφορετικών οδών που ακολουθεί (πολυοδικό φαινόµενο multipath phenomenon) µέχρι τη λήψη του από το δέκτη. Ο όρος βραχύχρονες διαλείψεις χρησιµοποιείται για την περιγραφή της απότοµης διακύµανσης του πλάτους ενός σήµατος σε βραχύ χρονικό διάστηµα ή σε βραχεία διανυόµενη απόσταση, έτσι ώστε οι επιδράσεις των απωλειών διαδροµής να µπορεί να αµεληθούν. Βραχύχρονες διαλείψεις µπορεί να προκύψουν από τη συµβολή δυο ή περισσότερων εκδοχών του µεταδιδόµενου σήµατος, που φθάνουν στο δέκτη µε µικρές διαφορές καθυστέρησης. Τα σήµατα αυτά, που ονοµάζονται και σήµατα πολλαπλών διαδροµών, συνδυάζονται στην κεραία του δέκτη για να δώσουν ένα συνιστάµενο σήµα του οποίου το πλάτος και η φάση µπορεί να µεταβάλλονται ευρέως, και οι µεταβολές αυτές εξαρτώνται από την κατανοµή της έντασης του πεδίου, τον σχετικό χρόνο διάδοσης των επιµέρους σηµάτων καθώς και από το εύρος ζώνης του µεταδιδόµενου σήµατος. Ταχείες διαλείψεις εµφανίζονται σε χαµηλά data rates τόσο σε επίπεδες διαλείψεις όσο και σε επιλεκτικές στη συχνότητα διαλείψεις. - 29 -
2.1.5 Μακρόχρονες ή Βραδείες ιαλείψεις (Slow Fading) Οι βραδείες διαλείψεις εµφανίζονται όταν τα χαρακτηριστικά του καναλιού αλλάζουν πιο αργά από την διάρκεια του εκπεµπόµενου σήµατος. Το κανάλι θεωρείται ότι παραµένει σταθερό για σύµβολα διαφορετικής χρονικής διάρκειας. Έτσι η απόκριση του καναλιού θα παραµένει η ίδια για τα σύµβολα αυτά. Η Βραδεία Εξασθένηση είναι αποτέλεσµα των ανακλάσεων του εκπεµπόµενου ραδιοσήµατος σε µεγάλου µεγέθους εµπόδια (µεγάλα κτίρια, βουνά, λόφοι κλπ). Μακρόχρονη διάλειψη είναι ο µέσος ορός του λαµβανοµένου ραδιοσήµατος που εµφανίζει διαλείψεις (εστιγµένη γραµµή στο Σχήµα 2.5). Ονοµάζεται επίσης τοπικός µέσος όρος, επειδή κάθε τιµή του αντιστοιχεί στη µέση τιµή της έντασης του πεδίου σε κάθε σηµείο. Ο µέσος όρος του λαµβανοµένου σήµατος περιέχει συνιστώσες που αφορούν και τις µακρόχρονες και τις βραχύχρονες διαλείψεις. Οι συνιστώσες των µακρύχρονων διαλείψεων, οι οποίες συνεισφέρουν µόνο στις απώλειες διαδροµής, πρέπει να αποµακρυνθούν ώστε να µείνει µόνο ο όρος των βραχύχρονων διαλείψεων, που είναι το αποτέλεσµα των πολλαπλών δρόµων Σχήµα 2.5 τοπικός µέσος όρος - 30 -
2.2 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΜΕ ΙΑΛΕΙΨΕΙΣ 2.2.1 Εισαγωγή Η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (PDF), η Αθροιστική Συνάρτηση Πυκνότητας(CDF) και η Ροπο - Γεννήτρια Συνάρτηση (MGF) είναι οι σηµαντικότερες συναρτήσεις που χρησιµοποιούνται για να αναπαραστήσουν ένα κανάλι επικοινωνίας. Στη συνέχεια ορίζονται οι συναρτήσεις αυτές καθώς και οι σχέσεις που τις συνδέουν. Η Αθροιστική Συνάρτηση Πυκνότητας(CDF) µιας τυχαίας µεταβλητής Χ δίνεται από τον τύπο Η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας(PDF) µιας τυχαίας µεταβλητής Χ δίνεται από τον τύπο Η Ροπο-Γεννήτρια Συνάρτηση(MGF) µιας τυχαίας µεταβλητής Χ δίνεται από τον τύπο 2.2.2 Κατανοµή Gauss Η κατανοµή Gauss είναι η σηµαντικότερη κατανοµή που συναντάται στις επικοινωνίες. Η αιτία είναι ότι ο θερµικός θόρυβος, που αποτελεί την κυριότερη πηγή θορύβου στα συστήµατα επικοινωνίας ακολουθεί Gaussian κατανοµή. Η CDF για Gaussian τυχαία µεταβλητή µε m=0 (µέση τιµή) και σ=1 (τυπική απόκλιση) δηλώνεται µε Φ(χ) και δίνεται από την επίσης είναι συχνά χρησιµοποιούµενη η συνάρτηση Q(x)=1-Φ(χ) η οποία δίνει την πιθανότητα Ρ(Χ>χ). Οι τιµές της συνάρτησης αυτής δίνονται συνήθως σε µορφή πίνακα ή σε µορφή διαγραµµάτων. - 31 -
2.2.3 Κατανοµή Rayleigh Η κατανοµή Rayleigh είναι η πιο ευρέως χρησιµοποιούµενη κατανοµή για να περιγράψει το λαµβανόµενο φάκελο του σήµατος. Στο κανάλι µε επίπεδες διαλείψεις Rayleigh υποθέτουµε ότι όλες οι συνιστώσες που συνθέτουν το λαµβανόµενο σήµα ανακλώνται και σκεδάζονται και επιπλέον δεν υπάρχει απευθείας διαδροµή µεταξύ εκποµπού και δέκτη. Η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας(PDF) µιας τυχαίας µεταβλητής Χ για κατανοµή Rayleigh δίνεται από τον τύπο όπου σ : η ρίζα της µέσης τιµής της ισχύος του σήµατος χ : το πλάτος του σήµατος 2.2.4 Κατανοµή Rice Σε µικρο-κυψελοειδή περιβάλλοντα υπάρχει συνήθως ένας κυρίαρχος δρόµος οπτικής επαφής σε αντιδιαστολή µε τις πολλές διαφορετικές οδεύσεις που µπορεί να ακολουθήσει ένα σήµα (πολυοδικό φαινόµενο multipath phenomenon) µέχρι τη λήψη του από το δέκτη. Σε αυτή την περίπτωση οι συνιστώσες των πολλαπλών δρόµων επιβάλλονται του κυρίαρχου σήµατος και το πλάτος του τελικού σήµατος ακολουθεί κατανοµή Rice.Η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας(PDF) µιας τυχαίας µεταβλητής Χ για κατανοµή Rice δίνεται από τον τύπο όπου σ : η ρίζα της µέσης τιµής της ισχύος του σήµατος χ : το πλάτος του σήµατος Α : το µέγιστο πλάτος της συνιστώσας του κυρίαρχου σήµατος Ιο :η τροποποιηµένη συνάρτηση Bessel πρώτου είδους - 32 -
2.2.5 Κατανοµή Nakagami Η κατανοµή Nakagami είναι ένα γενικό στατιστικό µοντέλο, γιατί µπορεί να υπολογίσει πλάτη σηµάτων που υπόκεινται σε πολύ ισχυρότερες διαλείψεις σε σχέση µε την κατανοµή Rayleigh. Η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας(PDF) µιας τυχαίας µεταβλητής Χ για κατανοµή Nakagami δίνεται από τον τύπο όπου Γ : η συνάρτηση Γάµα σ : η µέση τιµή της ισχύος του σήµατος m : ο συντελεστής εξασθένησης Η κατανοµή Rayleigh (Rayleigh distribution) και η µονόπλευρη κατανοµή Gauss (one-sided Gaussian distribution) αποτελούν υποπεριπτώσεις της κατανοµής Nakagami για m=1 και m=0.5 αντίστοιχα. Ο συντελεστής εξασθένησης m µπορεί να πάρει οποιαδήποτε πραγµατική τιµή πάνω από 0.5. Σχήµα 2.6 συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κυριότερων µοντέλων - 33 -
- 34 -
Κεφάλαιο 3 3. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΙΑΦΟΡΙΣΜΟΥ 3.1 Εισαγωγή Στο πλαίσιο των διαδικασιών που λαµβάνουν χώρα στον ίαυλο (κανάλι), ενός Ασυρµατικού Συστήµατος, είναι η τυχαία φύση της ηλεκτροµαγνητικής διάδοσης. Η τυχαιότητα αυτή, εκτιµάται µε την εύρεση των πολλαπλών ανεξάρτητων (ή λιγότερων µη συσχετιζόµενων) διαδροµών των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων. Στην περίπτωση αυτή, και για να εκτιµηθεί η τυχαιότητα της φύσης της ηλεκτροµαγνητικής διάδοσης, θα πρέπει να εφαρµοσθούν ειδικές τεχνικές, προκειµένου να υπολογισθεί η απόδοση του συστήµατος. Η απόδοση ενός Ασυρµατικού Συστήµατος, καθορίζεται από τα µεγέθη του Λόγου Σήµατος προς Θόρυβο (SNR) και του Bit Error Rate (BER). Οι τεχνικές αυτές, λαµβάνουν υπόψη τις υφιστάµενες µικράς κλίµακας διαλείψεις καθώς επίσης και τις διακυµάνσεις του πλάτους των σηµάτων, κατά την µετακίνηση του δέκτη σε αποστάσεις λίγων µηκών κύµατος. Οι συγκεκριµένες τεχνικές, ονοµάζονται Τεχνικές ιαφορισµού (Diversity Techniques) και τα µεγέθη τα οποία εκτιµώνται είναι η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (pdf), η Αθροιστική Συνάρτηση Πυκνότητας (cdf) και η Μέση Τιµή του SNR. Η χρήση διαφορισµού σε συστήµατα κινητών επικοινωνιών είναι µία ευρέως χρησιµοποιούµενη τεχνική για την καταπολέµηση των διαλείψεων που παρατηρούνται στις ραδιοζεύξεις. Η βασική αρχή της τεχνικής του διαφορισµού είναι η εξής: Αν ο δέκτης λάβει πολλαπλά αντίγραφα του σήµατος εκποµπής, τα οποία έχουν ισοδύναµες ισχύς, είναι στατιστικά ανεξάρτητα και έχουν ακολουθήσει διαφορετικές διαδροµές, τότε η πιθανότητα τουλάχιστον ένα ή περισσότερα από αυτά να µην έχει υποστεί υψηλή εξασθένηση είναι αρκετά µεγάλη. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται η ισχύς του σήµατος λήψης στο δέκτη που είναι επαρκής για την επικοινωνία. Χωρίς τη χρήση τεχνικών διαφορισµού, κατά την επικοινωνία µέσα από ασύρµατα κανάλια µε την παρουσία θορύβου, ο δέκτης θα έπρεπε να αυξήσει σηµαντικά την ισχύ εκποµπής για την προστασία της ραδιοζεύξης στις χρονικές στιγµές που ισχυρές διαλείψεις θα έθεταν σε κίνδυνο την επικοινωνία. Σε συστήµατα κινητών επικοινωνιών, η ισχύς που είναι διαθέσιµη για την άνω-ζεύξη (up-link) περιορίζεται δραστικά από τη χωρητικότητα της µπαταρίας του κινητού δέκτη. Η χρήση όµως διαφορισµού έχει σαν αποτέλεσµα την µείωση των αναγκών για υψηλές ισχύς εκποµπής. Επιπλέον, σε κυψελωτά δίκτυα ασύρµατων επικοινωνιών, η απόδοση των οποίων περιορίζεται σηµαντικά λόγω των παρεµβολών, η χρήση διαφορισµού για την καταπολέµηση των διαλείψεων των καναλιών βελτιώνει συγχρόνως και την αντοχή του συστήµατος στις παρεµβολές, µε αποτέλεσµα τη δυνατότητα του δικτύου να υποστηρίξει περισσότερους χρήστες και κατά συνέπεια να αυξηθεί η χωρητικότητα του. Οι βασικές αρχές του διαφορισµού είναι γνωστές από το 1927, χρονολογία κατά
την οποία ξεκίνησαν τα πρώτα πειράµατα µε την χρήση του διαφορισµού χώρου. Οι τεχνικές για τη λήψη πολλαπλών αντιγράφων του σήµατος εκποµπής χωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι «εµφανείς τεχνικές» διαφορισµού και τα κανάλια διαφορισµού προκύπτουν από την πολλαπλή µετάδοση του σήµατος. Παράδειγµα «εµφανούς τεχνικής» διαφορισµού είναι η µετάδοση του σήµατος µε δύο διαφορετικές πολώσεις. Είναι φανερό ότι η πολλαπλή µετάδοση του επιθυµητού σήµατος οδηγεί στην µείωση του διαθέσιµου εύρους ζώνης και στην αύξηση της ισχύος εκποµπής. Στη δεύτερη κατηγορία, όπου ανήκουν οι «αφανείς τεχνικές» διαφορισµού, το σήµα µεταδίδεται µόνο µία φορά και τα κανάλια διαφορισµού προκύπτουν από το µέσο µετάδοσης, π.χ. µέσο φαινοµένων πολυδιόδευσης. Κατάλληλος συνδυασµός των πολλαπλών σηµάτων θα µειώσει εξαιρετικά την εξασθένηση και θα βελτιώσει την αξιοπιστία της µετάδοσης. Κι αυτό γιατί σπάνια συναντάται εξασθένηση ταυτόχρονα, διανύοντας την ίδια χρονική διάρκεια, σε δυο ή περισσότερα κανάλια. Χωρίς τις τεχνικές του διαφορισµού, µε τους περιορισµούς που επιβάλλει ο θόρυβος, ο ποµπός θα έπρεπε να µεταδίδει ένα ισχυρότερο επίπεδο ισχύος προκείµενου να προστατέψει τη σύνδεση στο σύντοµο χρονικό διάστηµα που µεσολαβεί όταν το κανάλι βρίσκεται σε εξασθένηση. Στη συνέχεια αναφέρονται οι βασικές µέθοδοι διαφορισµού. Για να λειτουργήσει σωστά ένα σύστηµα απόκλισης, είναι σηµαντικό τα σήµατα στους διαφορετικούς κλάδους να µην υπόκεινται ταυτόχρονα σε βαθεία εξασθένιση. Έτσι είναι πολύ σηµαντικό τα σήµατα που λαµβάνονται από τους διαφορετικούς κλάδους διαφορισµού - diversity branches - να προέρχονται από ασυσχέτιστα κανάλια εξασθένισης. Υπάρχουν διάφορες µέθοδοι για να δηµιουργήσουµε τέτοια ασυσχέτιστα κανάλια. 3.2 Frequency Diversity-Απόκλιση Συχνότητας Ένας τρόπος είναι να µεταδώσουµε την πληροφορία σε δυο ή και περισσότερους φορείς συχνότητας. Αν ξεχωρίσουµε τις συχνότητες αυτές µε κατάλληλα σωστό τρόπο τότε µπορούµε να πετύχουµε διαδικασίες ασυσχέτιστης εξασθένισης στους κλάδους του καναλιού. Η συσχέτιση βέβαια είναι συνάρτηση της διαφοροποίησης των συχνοτήτων. Πιο µεγάλη διαφοροποίηση δίνει µικρότερη συσχέτιση. Ένα µέτρο για την συσχέτιση είναι το σύµφωνο εύρος ζώνης του καναλιού-coherence BW. Το πλεονέκτηµα της απόκλισης συχνότητας είναι το γεγονός ότι απαιτείται µόνο µια κεραία από το σύστηµα, τόσο στον ποµπό όσο και στο δέκτη. Η απόκλιση συχνότητας είναι αποτελεσµατική ακόµα και όταν ο δέκτης δεν κινείται. Ωστόσο όµως το απαιτούµενο εύρος ζώνης για την µέθοδο αυτή αυξάνει γραµµικά µε τον αριθµό των κλάδων. Στις περισσότερες εφαρµογές το εύρος ζώνης που έχουµε στη διάθεσή µας είναι περιορισµένο και κάνει τη µέθοδο λιγότερο ελκυστική. Πρόσθετα όταν η ολική µεταδιδόµενη ισχύς είναι περιορισµένη, αυτή θα πρέπει να µοιραστεί ανάµεσα στα διαφορετικά κανάλια. - 36 -
Σχήµα 3.1: Απόκλιση συχνότητας 3.3 Time Diversity-Απόκλιση Χρόνου Κατά το ίδιο σκεπτικό, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε την χρονική συσχέτιση του καναλιόυ που έχει υποστεί διάλειψη λόγω της πολυόδευσης για να πετύχουµε την απόκλιση. Εδώ το σήµα πληροφορίας επαναλαµβάνεται σε διαφορετικές χρονικές στιγµές-χρονοθυρίδες, µε ένα χρονικό διάστηµα ανάµεσά τους, το οποίο εξαρτάται από το βαθµό εξασθένισης του καναλιού. Ο σύµφωνος χρόνος-coherence time του καναλιού είναι ένα µέτρο για το απαιτούµενο αυτό χρονικό διάστηµα. Αν το χρονικό διάστηµα ανάµεσα στις χρονοθυρίδες είναι αρκετά µεγάλο, η πιθανότητα το λαµβανόµενο σήµα να µεταδίδεται µέσω των διαφορετικών κλάδων και να υπόκειται στην ίδια εξασθένιση, είναι µικρή. Τα σήµατα µπορούν να θεωρούνται ασυσχέτιστα. Μειονέκτηµα της µεθόδου αποτελεί το γεγονός ότι ο απαιτούµενος χρόνος για να ξεχωρίσουν τα δείγµατα - χρονοθυρίδες και να έχουµε έτσι ασυσχέτιστα σήµατα είναι αντιστρόφως ανάλογος µε το βαθµό της εξασθένισης. Αυτό σηµαίνει πως αν η εξασθένιση είναι αργή - slow, ο χρόνος αυτός θα πρέπει να είναι µεγάλος. Στην περίπτωση αυτή η χρονική απόκλιση δεν είναι επαρκής και θα πρέπει να συνδυαστεί µε άλλες πιο αποδοτικές µεθόδους. - 37 -
Σχήµα 3.2: Απόκλιση Χρόνου 3.4 Polarization Diversity-Απόκλιση Πόλωσης Μπορεί να δειχθεί ότι σήµατα τα οποία µεταδίδονται σε δυο ορθογώνιες µεταξύ τους πολώσεις, δίνουν στατιστικά ασυσχέτιστης εξασθένισης. Η αποσυσχέτιση για το σήµα σε κάθε περίπτωση πόλωσης δηµιουργείται από πολλαπλές ανακλάσεις στο κανάλι, ανάµεσα στο κινητό δέκτη και την κεραία που µεταδίδει το σήµα πληροφορίας. Μετά από αρκετές τυχαίες ανακλάσεις η κατάσταση πόλωσης του σήµατος θα είναι ανεξάρτητη από την πόλωση του αρχικού µεταδιδόµενου σήµατος. Η τεχνική αυτή µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε κεραίες που ανταποκρίνονται βασικά στο ηλεκτρικό ή µαγνητικό πεδίο. Αυτό µπορεί να γίνει µε κάθετα ηλεκτρικά δίπολα (whip antenna) ή µε κάθετα µαγνητικά δίπολα (loop antenna). Η απόκλιση λόγω πόλωσης χρησιµοποιεί ένα µόνο πακέτο κεραιών. Μια υλοποίηση που παρέχει σηµαντική εξοικονόµιση τόσο στο κόστος ενοικίασης του πύργου τοποθέτησης των κεραιών όσο και στο χώρο. Ωστόσο αυτή η µέθοδος παρέχει µόνο δυο κλάδους απόκλισης-diversity branches. 3.5 Space Diversity- Χωρική Απόκλιση Η χωρική απόκλιση - space diversity, επίσης γνωστή και ως απόκλιση κεραιών είναι µια από τις πιο δηµοφιλής και συνήθης τεχνικές απόκλισης που χρησιµοποιούνται στα ασύρµατα συστήµατα τηλεπικοινωνιών. Τα συµβατικά ασύρµατα συστήµατα αποτελούνται από µια υπερυψωµένη κεραία του σταθµού βάσης και από µια κινητή κεραία κοντά στο έδαφος. Η παρουσία µιας άµεση ζεύξης ανάµεσα στον ποµπό και στο δέκτη δεν εξασφαλίζεται πάντα και η πιθανότητα να έχω πολλαπλές σκεδάσεις και ανακλάσεις του σήµατος, σε ένα κανάλι που υφίσταται πολυόδευση είναι µεγάλη. Σήµατα τα οποία λαµβάνονται από χωρικά διαµοιρασµένες κεραίες σε ένα κινητό δέκτη - 38 -
είναι ασυσχέτιστα µεταξύ τους αν οι κεραίες αυτές απέχουν µεταξύ τους τουλάχιστον λ/2 ή και περισσότερο. Σχήµα 3.3: Χωρική Απόκλιση Οι µέθοδοι λήψης για την χωρική απόκλιση µπορούν να χωριστούν σε διάφορες κατηγορίες. Ένα πολύ σηµαντικό κοµµάτι σε ένα σύστηµα απόκλισης είναι ο τρόπος µε τον οποίο χρησιµοποιούµε τους διαφορετικούς κλάδους πριν από την ανίχνευση του σήµατος. Με τη χρήση της κατάλληλης συνδυαστικής µεθόδου - combining technique µπορούµε να πετύχουµε αξιόλογη βελτίωση στην απόδοση.. - 39 -
- 40 -
Κεφάλαιο 4 4. ΕΚΤΕΣ ΙΑΦΟΡΙΣΜΟΥ COMBINING DIVERSITY TECHNIQUES 4.1 Εισαγωγή Η απόδοση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήµατος εξαρτάται όχι µόνο από την µέθοδο διαφορισµού η οποία χρησιµοποιείται αλλά επίσης και από τον τρόπο µε τον οποίο συνδυάζονται τα σήµατα κατά την λήψη τους από το δέκτη. Αυτό δικαιολογείται καθώς µπορούµε να επιλέξουµε κάποια από τις διάφορες τεχνικές διαφορισµού µε σκοπό να εκµεταλλευτούµε τα πλεονεκτήµατα τους. Υπάρχουν λοιπόν τέσσερις διαφορετικοί συνδυαστές και η επιλογή ανάµεσα τους γίνεται µε βάση την πολυπλοκότητα του συνδυαστή που θέλουµε να επιτύχουµε καθώς και από το ποσό πληροφορίας που είναι διαθέσιµο στον δέκτη (Channel State Information). Οι δέκτες διαφορισµού είναι οι εξής : Συνδυαστής Επιλογής (Selection Combining) Ο συνδυαστής επιλογής διαλέγει το σήµα µε το µεγαλύτερο στιγµιαίο λόγο σήµατος προς θόρυβο. Switched diversity Στο συνδυαστή γενικευµένης επιλογής (Ν,L) επιλέγουµε τα Ν από τα L σήµατα µε το µεγαλύτερο λόγο σήµατος προς θόρυβο. Συνδυαστής µέγιστου λόγου (Maximal Ratio Combining) Στο συνδυαστή µέγιστου λόγου αποδίδεται ένας συντελεστής βάρους ανάλογος του στιγµιαίου λόγου σήµατος προς θόρυβο και µετά τα σήµατα αθροίζονται, αφού προηγουµένως γίνουν ισοφασικά. Συνδυαστής ίσης απολαβής (Equal Gain Combining) Στο συνδυαστή ίσης απολαβής τα σήµατα απλά αθροίζονται, αφού προηγουµένως γίνουν ισοφασικά. 4.2 Selection Diversity (Συνδυαστής Επιλογής) Είναι η πιο απλή τεχνική. Βασίζεται σε m αποδιαµορφωτές που χρησιµοποιούνται για να παρέχουν m κλάδους απόκλισης των οποίων τα κέρδη ρυθµίζονται για να παρέχουν το ίδιο average SNR για κάθε κλάδο. Ο κλάδος µε το µεγαλύτερο στιγµιαίο SNR συνδέεται στον αποδιαµορφωτή. Τα σήµατα της κεραίας θα µπορούσαν να δειγµατοληφθούν και το καλύτερο να - 41 -