Kognitivni radio Evolucija radio sistema 1 Doc. dr Mirjana Simić
Ciljevi... Nove generacije radio sistema usmerene su ka zadovoljenju narastajućih zahteva za bežičnim pristupom visokog protoka kroz: unapređenje tehnologija prenosa podataka i bolje upravljanje resursima. Osnovni cilj je: preneti što veću količinu informacija u ograničenom opsegu (što veći protok u ograničenom opsegu)!
Visok protok, osnovna razmatranja... Formulu na osnovu koje se može odrediti maksimalni protoka informacija (kapacitet kanala) u datom komunikacionom kanalu dao je Shannon. Iako je relativno komplikovana u opštem slučaju, za poseban slučaj komunikaciju preko kanala (radio linka) u kojem je prisutan samo aditivni beli Gausov šum (AWGN), kapacitet kanala C je dat relativno jednostavnim izrazom: S C = B log 2 1 + N 1
Visok protok, osnovna razmatranja... Već na osnovu formule No1 može se zaključiti da dva faktora limitiraju ostvarive brzine prenosa podataka: 1. snaga signala na prijemu (received signal power), ili generalnije gledano odnos signal-šum S/N, i 2. dostupan frekvencijski opseg, B. U cilju detaljnijeg razmatranja kada i na koji način ovi faktori limitiraju ostvarivi protok, pretpostavimo komunikaciju sa brzinom prenosa podataka R.
Visok protok, osnovna razmatranja... Snaga signala na prijemu se tada može predstaviti kao: S = gde je: - E b energija signala na prijemu po bitu [Ws/bit] - R brzina prenosa podataka, protok [bit/s] E b R 2 Snaga šuma se može predstaviti kao: N = N 0 gde je: B - N 0 spektralna gustina snage šuma [W/Hz] - B dostupan opseg [Hz] 3
Visok protok, osnovna razmatranja... Po Shannon formuli, praktično je interesantan samo slučaj kada je R C. R C 4 Za ovaj slučaj, kroz dati kanal je moguć prenos informacija sa malom verovatnoćom greške i brzinom prenosa podataka koja je bliska kapacitetu kanala C [bit/s]. Za slučaj kada je R>C, verovatnoća greške na prijemu neograničeno raste sa porastom R, pa je praktično i nemoguć prenos korisnih informacija.
Visok protok, osnovna razmatranja... Dakle, ograničićemo se na slučaj R C, tj. da brzina prenosa podataka R nikada ne može premašiti kapacitet kanala C. Na osnovu prethodne No4 formule, može se pisati: 5 + = + = B N R E log B N S log B C R b 0 2 2 1 1
Visok protok, osnovna razmatranja... Uvedimo još dve vrlo važne veličine: 1) Efikasnost snage (power efficiency), ili efikasnost po snazi u literaturi se često naziva i efikasnost energije. Definiše se kao odnos energije signala po bitu, E b, i spektralne gustine snage šuma, N 0 : η P = E b N 0 6 Efikasnost snage se posmatra se za određenu verovatnoću greške na prijemu. Efikasnost snage odražava sposobnost da se očuva verodostojnost signala pri malim vrednostima odnosa S/N.
Visok protok, osnovna razmatranja... Druga važna veličina je: 2) Efikasnost opsega (bandwidth efficiency). Čest naziv je i spektralna efikasnost. Definiše se kao odnos brzine prenosa podataka (ekvivalentnog binarnog protoka), R, i dodeljenog opsega za prenos, B: η B = R B 7 Efikasnost opsega pokazuje koliko efikasno se koristi dodeljeni frekvencijski opseg. Izražava se u [(bit/s)/h z ].
Visok protok, osnovna razmatranja... Sada se nejednakost No5 može pisati: ( ) B P b B log B N R E log N S log η η +η = + = + 1 1 1 2 0 2 2 Ova nejednakost se može pisati i u obliku koji daje zavisnost donje granice zahtevane energije po bitu normalizovane u odnosu na spektralnu gustinu snage šuma (efikasnost snage, η P ), za datu efikasnost opsega, η B : B b b P B N E min N E η η η 1 2 0 0 = = 8 9
Visok protok, osnovna razmatranja... η P = E N b 0 E min N b 0 = ηb 2 1 η B minimalno zahtevani E b /N 0 (db) efikasnost opsega, η B
Visok protok, osnovna razmatranja... Na osnovu slike, mogu se izvući sledeći zaključci: za vrednosti η B manje od 1 (što znači kada je brzina prenosa podataka R manja od korišćenog opsega B), minimalno zahtevani E b /N 0 je relativno konstantan, bez obzira na vrednost η B ; To znači da, za datu vrednost N 0, svako povećanje brzine prenosa podataka, tj. protoka R, zahteva slično relativno povećanje minimalne zahtevane snage signala na prijemu S=E b R Primer: ako se za η B =0.1 protok R poveća 8 puta, zahtevana snaga na prijemu se poveća oko 10 puta!).
Visok protok, osnovna razmatranja... Sa druge strane: za vrednosti η B veće od 1 (što znači kada je brzina prenosa podataka R veća od korišćenog opsega B), minimalno zahtevani E b /N 0 brzo raste sa povećanjem η B ; To znači da, za slučaj kada je brzina prenosa podataka R veća od korišćenog/dodeljenog opsega, svako dalje povećanje brzine prenosa podataka (bez odgovarajućeg povećanja korišćenog opsega) implicira znatno veće zahteve po pitanju minimalne zahtevane snage signala na prijemu S=E b R (tj. nesrazmerno veću snagu na prijemu). Primer: ako se za η B =2 protok R poveća 4 puta, zahtevana snaga na prijemu se poveća oko 85 puta!).
Visoki protok u ograničenom opsegu
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju Cilj: bežični pristup visokog protoka (u ograničenom opsegu). Razmatra se scenario 1: mogućnosti visokog protoka u okruženju kada je šum glavni uzrok grešaka na radio linku (noise-limited scenario). U skladu sa prethodnom diskusijom, za ovakav tip okruženja mogu se izvući osnovni zaključci...
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju Noise-limited scenario, zaključci: 1. Glavni faktor koji limitira brzinu prenosa podataka u ovakvom okruženju je snaga signala na prijemu (ili, u opštem slučaju, odnos signal-šum S/N na prijemu). Štaviše, svako povećanje ostvarivog protoka u okvirima dodeljenog opsega zahteva barem isto relativno povećanje snage signala na prijemu.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju Noise-limited scenario, zaključci: 2. Za male vrednosti η B (brzina prenosa znatno manja od dostupnog opsega), svako dalje povećanje protoka zahteva približno isto relativno povećanje snage signala na prijemu. Ovo je tzv. power-limited slučaj obzirom da povećanje dostupnog opsega (ali i dalje u uslovima η B <1) ne utiče bitno na to kolika je zahtevana snaga signala na prijemu za određenu brzinu prenosa podataka.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju Noise-limited scenario, zaključci: 3. Za velike vrednosti η B (brzina prenosa veća od dostupnog opsega), svako dalje povećanje brzine prenosa podataka zahteva znatno relativno povećanje snage signala na prijemu (osim ako ne dođe do povećanja i samog opsega proporcionalno brzini prenosa podataka). Ovo je tzv. bandwidth-limited slučaj obzirom da povećanje dostupnog opsega (ali i dalje u uslovima η B >1) značajno utiče na to kolika je zahtevana snaga signala na prijemu za određenu brzinu prenosa podataka (tj. promena opsega znatno utiče na zahtevanu snagu signala na prijemu za datu brzinu prenosa podataka).
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju Dakle, u cilju efikasnog korišćenja snage signala na prijemu, ili u opštem slučaju odnosa S/N, dostupan prenosni opseg trebao bi biti barem istog reda veličine kao zahtevana brzina prenosa podataka!
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju S C = B log 1 + 2 N
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju - povećanje snage signala na prijemu: a) smanjenjem d - Postoje razni načini povećanja snage signala na prijemu, tj.odnosa S/N 1... a) Ako se pretpostavi konstantna snaga predajnika, snaga signala na prijemu uvek se može povećati smanjenjem rastojanja između predajnika i prijemnika (na taj način ustvari smanjujemo slabljenje propagacije) Primer: PL d d n 0 ( d ) = PL( d ) P ( ) ( ) 0 R d = PR d0 d PL( d ) P ( d ) 0 d d n R PL slabljenje propagacije P R (S) snaga na prijemu d rastojanje od predajnika d 0 referentno rastojanje N snaga šuma (=const.) d S S N 10 1 teorijski možemo i povećati snagu na predaji da bismo povećali snagu na prijemu, ali tu imamo problem sa interferencijom i energetskom efikasnošću (kasnije...)
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: a) smanjenjem d - a) Dakle, u noise-limited scenariju, uvek je moguće, barem teorijski posmatrano, povećati ostvarivi protok smanjenjem rastojanja predajnik-prijemnik, odnosno, smanjenja dometa. U mobilni telekomunikacionim sistemima ova opcija odgovara smanjenju veličine ćelije i u skladu sa tim potrebom za većim brojem sajtova kako bi se pokrila ista oblast. Posebno, u slučaju kada je brzina prenosa podataka veća od raspoloživog opsega za prenos (η B veliko), imamo zahtev za značajnim smanjenjem veličine ćelije. Osim ovoga, moguća opcija može biti i to da su servisi visokog protoka dostupni samo u zoni na malom rastojanju od baznih stanica, tj. mobilnim terminalima koji se nalaze blizu centra ćelije.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: b) diversity - b) Drugi način povećanja snage signala na prijemu može biti primenom diversity tehnika. Diversity je tehnika kojom se informacija od predajnika do prijemnika prenosi različitim putevima, preko 2 ili više nezavisnih kanala. Jedna od popularnih diversity tehnika je primena višestrukih antena na predaji/prijemu. Nezavisnost kanala kojima se prenose informacije mogu se postići npr. dovoljnim fizičkim razmicanjem antena prostorni diversity (signali na razdvojenim antenama su slabo korelisani u smislu fedinga). Signali se na prijemu kombinuju sa ciljem da se u maksimalnoj meri istakne korisni signal a potisne feding.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: b) diversity - Alternativno, može se primeniti npr. polarizacijski diversity (nezavisni kanali se obezbeđuju korišćenjem ortogonalnih komponenti elektromagnetnog polja različito polarisane antene) ili neke druge diversity tehnike. Odgovarajućim kombinovanjem signala primljenih na različitim antenama, odnos S/N može se povećati i na taj način, za nepromenjeno rastojanje predajnikprijemnik, možemo povećati brzinu prenosa podataka. prostorni diversity
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: b) diversity - nekorelisani kanali težinski koeficijenti šum 11 zbirni signal Primer: prostorni diversity na prijemu, kombinovanje po principu maksimalnog odnosa Ovom tehnikom se osvaruje maksimalna vrednost odnosa S/N za zbirni signal N R : broj antena na prijemu (nekorelisanih kanala) W i : težinski koeficijenti direktno proporcionalni intenzitetu signala a obrnuto proporcionalni srednjim kvadratnim vrednostima šuma u i-tom kanalu Odnos S/N zbirnog signala povećan je proporcionalno broju prijemnih antena, N R
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: c) beamforming - c) Beamforming Višestruke antene moguće je primeniti i u cilju oblikovanja dijagrama zračenja na predaji - beamforming. Na taj način, može se maksimizirati ukupan dobitak antene u pravcu ciljanog prijemnika. Za razliku od diversity tehnike (kod koje su signali sa različitih antena nekorelisani), beamforming se može primeniti i u slučaju nekorelisanih i u slučaju korelisanih signala na različitim antenama.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: c) beamforming - konfiguracija antena oblikovanje snopa Primer: beamforming na predaji slučaj korelisanih signala na antenama (mala međuantenska rastojanja) Usmeravanje dijagrama zračenja vrši se primenom različitih faznih pomeraja signala na različitim antenama. Ovaj tip beamforminga (sa korelisanim signalima) često se zove klasičan beamforming.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: c) beamforming - 12 Primer: beamforming na predaji slučaj nekorelisanih (slabo korelisanih) signala na antenama (veća međuantenska rastojanja) Ovaj slučaj beamforminga, kao što se i sa slike može videti, je sličaj klasičnom beamformingu. Razlika je u drugačijim težinskima faktorima kojima se množe različite antene. Težinski faktori su sada takvi da se ne utiče samo na fazu (usmerenje) već i na amplitudu signala (preko različitih dobitaka) na različitim antenama, pa se obe mogu podešavati.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: c) beamforming - U svakom slučaju, o kojem god beamforming-u je reč, on, kao i diversity, povećava odnos S/N na prijemu. Ako je N T broj antena na predaji, odnos S/N na prijemu, primenom tehnike beamforming-a, povećava se proporcionalno broju predajnih antena, N T. U slučaju diversity tehnike rekli smo da ako je N R broj antena na prijemu, odnos S/N na prijemu povećava se proporcionalno broju prijemnih antena, N R. S N N T S N S N N R S N
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - Dakle, primenom višestrukih antena na predaji i/ili prijemu, povećavamo odnos S/N a time i ostvarivi protok. U opštem slučaju, kada imamo N T predajnih antena i N R prijemnih, odnos signal šum S/N povećava se proporcionalno proizvodu N T N R. Ovo povećanje odnosa S/N naravno ima za posledicu povećanje ostvarivog protoka ali praktično samo do granice power-limited regiona, jer nakon toga (u bandwidth-limited regionu) ostvarivi protok ulazi u zasićenje (sem ako se ne poveća i dedeljeni opseg).
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - To se može videti i iz normalizovane formule za kapacitet kanala: C B S = log + 2 1 N 13 Funkcija log 2 (1+x) x, za male vrednosti x dakle, za male vrednosti odnosa S/N, kapacitet raste linearno sa odnosom S/N! Ali, funkcija za log 2 (1+x) log 2 (x) velike vrednosti x dakle, za velike vrednosti odnosa S/N, kapacitet raste samo logaritamski sa odnosom S/N! Dakle, nakon ove granice, svako dalje povećanje broja antena na prijemu/predaji povećava odnos S/N (i dalje proporcionalno N T N R ), ali ne i protok!
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - log 2 (1+x) x
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - d) MIMO Ovo zasićenje se može izbeći primenom višestrukih antena i na strani predajnika i na strani prijemnika i tehnikom prostornog multipleksiranja, poznatijom kao MIMO tehnika.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - Dakle, pod određenim uslovima, možemo ostvariti da kapacitet kanala i dalje raste linearno sa porastom broja antena na predaji i prijemu, izbegavajući pomenuto zasićenjenje. Naime, u slučaju primene višestrukih antena na predaji i na prijemu, moguće je realizovati N L =min(n T, N R ) paralelnih kanala, svaki sa N L puta manjim odnosom S/N (snaga signala se deli između kanala), gde je svaki kapaciteta: C B N = + R S log2 1 N N L 14 N R : broj antena na prijemu, N T : broj antena na predaji N L : broj paralelnih signala koji se mogu prostorno multipleksirati
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - Dakle, ako postoji N L paralelnih kanala i gde je svaki pomenutog kapaciteta (prethodna formula), ukupni kapacitet za ovakav tip višeantenske konfiguracije dat je izrazom: C B N = + R S N S = { } + R N L log2 1 min NT,N R log2 1 N N min N L 15 { N,N } T R Postignuto je da kapacitet kanala i dalje raste linearno sa porastom broja antena, izbegavajući pomenuto zasićenjenje ostvarivih brzina prenosa podataka.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - 2 2 konfiguracija 16 Ovaj izraz za MIMO se može shvatiti i kao generalizacija izraza za diversity (No11) na slučaj višestrukih predajnih antena i različitih signala sa različitih predajnih antena.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: d) MIMO - Na kraju treba naglasiti da u slučaju loših uslova u kanalu (loš S/N), praktično nema dobitka od prostornog multipleksiranja. Tada kapacitet sistema ionako raste linearno sa odnosom S/N (za male vrednosti S/N). U tom slučaju, višestruke antene na predaji i prijemu treba koristiti pre za beamforming ili diversity nego za prostorno multipleksiranje.
Scenario 1: visoki protok u noise-limited okruženju -povećanje snage signala na prijemu: e) smanjenje šuma - e) Na kraju, alternativni način povećanja snage signala na prijemu odnosno odnosa S/N je smanjenje snage šuma, tačnije, spektralne gustine snage šuma na prijemniku. Ovo se, do neke mere, može postići naprednijim tehnikama dizajna RF prijemnika, koje bi smanjile faktor šuma prijemika. S N = E b R 17 S N = E R N B = N 0 B 0 b N 0 N S
Scenario 2: visoki protok u interference-limited okruženju Prethodna diskusija (Scenario 1) odnosila se na komunikaciju kada u kanalu postoji samo šum, odnosno, kada šum predstavlja glavni izvor problema u kanalu. Ipak, u modernim mobilnim komunikacionim sistemima postoje i drugi faktori koji utiču na signal, a koji su često i dominantniji izvor grešaka nego šum. Jedna od takvih pojava je interferencija. Najčešći izvor problema je tzv. interćelijska inteferencija (međućelijska interferencija), koja potiče od korisnika iz susednih ćelija. Ovaj tip interferencije karakterističan je u slučajevima primene malih ćelija i visokog saobraćaja. Osim međućelijske, problem može predstavljati i interferencija koja potiče od korisnika unutar iste ćelije intraćelijska (unutarćelijska interferencija).
Scenario 2: visoki protok u interference-limited okruženju U mnogim aspektima uticaj interferencije je sličan kao i uticaj šuma. Neki zaključci izvedeni za slučaj šuma, takođe važi i za slučaj kada u kanalu postoji i interferencija: Glavni faktor koji limitira brzinu prenosa podataka u datom opsegu je odnos snaga signala/snaga interferencije (S/I) na prijemu. Obezbeđivanje brzine prenosa podataka koja je veća od dodeljenog opsega (veliko η B ) je skupo u smislu da zahteva nesrazmerno visok odnos signal/interferencija.
Scenario 2: visoki protok u interference-limited okruženju Takođe, slično noise-limited scenariju, smanjenje dimenzija ćelije kao i primena višestrukih antenskih sistema neki su od ključnih načina za povećanje brzine prenosa podataka i u interference-limited scenariju: Smanjivanjem dimenzija ćelije smanjuje se i broj korisnika, pa tako i ukupni saobraćaj po ćeliji. Ovo ima za posledicu smanjenje relativnog nivoa interferencije i na taj način povećanje protoka. Isto kao u Scenariju 1, odgovarajuće kombinovanje signala sa više antena povećava odnos signal/interferencija. Primena tehnike beamforming-a usmerava energiju sa predajnika u pravcu prijemnika, smanjujući na taj način interferenciju u ostalim pravcima, što dovodi do povećanja ukupnog odnosa signal/interferencija.
Scenario 2: visoki protok u interference-limited okruženju Bitna razlika u odnosu na noise-limited scenario je da interferencija, za razliku od šuma, obično ima određenu strukturu što je, barem u izvesnoj meri, čini predvidljivom a time omogućava i njeno dalje potiskivanje ili čak uklanjanje. Primer: signal koji predstavlja dominantni izvor interferencije može dolaziti iz određenog pravca pa se primenom raznih tehnika na prijemu (spatial processing) takva interferencija može kompletno ukloniti. Takođe, sve razlike u spektralnim karakteristikama između korisnog signala i interferencije mogu se iskoristiti za potiskivanje interfera a time i ukupnog nivoa interferencije.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Zaključak iz prethodnih razmatranja (Scenario 1 i Scenario 2) je da: obezbeđivanje brzine prenosa podataka koja je veća od dodeljenog opsega (veliko η B ) je skupo u smislu da zahteva nesrazmerno visok odnos signal-šum i signal-interferencija na ulazu u prijemnik. Pravac povećanja protoka povećanjem opsega ubrzo dovodi do prepreke jer je spektar je ograničen i skup resurs. Dakle, u savremenim mobilnim sistemima praktično uvek imamo problem ostvariti visok protok u ograničenom opsegu (dodeljenom delu spektra).
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Sa pretpostavkom ograničenog opsega i želje za visokim protokom, pravolinijski način razmišljanja dovodi do korišćenja modulacija višeg reda (higher-order modulation). Modulacije višeg reda omogućavaju prenos više informacionih bita po modulacionom simbolu. Naime, modulacioni alfabet (skup modulacionih simbola) se proširuje dodatnim signalizacionim alternativama i na taj način omogućava prenos većeg broja informacionih bita po modulacionom simbolu (veće R). Na ovaj način mi utičemo na efikasnost opsega η B.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Ipak, koji tip modulacije će se primeniti u konkretnom slučaju zavisi ne od jedne (pomenute efikasnosti opsega) već tri veličine: 1. efikasnost opsega (spektralna efikasnost), η B 2. efikasnost snage, η P 3. koliko je komplikovano realizovati predajnik i prijemnik odnosi se na broj elektronskih kola potrebnih za realizaciju sistema kao i složenost tehničke realizacije sistema. Npr. koherentni demodulator je složeniji od nekoherentnog jer zahteva rekonstrukciju nosioca. U tom svetlu moramo posmatrati i naš cilj veći protok u ograničenom opsegu. U analizi ćemo se ograničiti na 3 najčešća modulaciona postupka, QPSK, 16QAM i 64QAM.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda M-PSK signal, modulaciona jednačina (polarna forma): s 18 2E T 2πi M s () t = cos 2πf t + i = 0,,..., M i c 1 konstanta promena sa vremenom promena sa informacijom E s : energija po simbolu T s : trajanje simbola f c : učestanost nosioca i: jedna od M signalizacionih akternativa (stanja signala) ugao modulacije: θ=2πi/m
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda QPSK je tip MPSK modulacija, za M=4: U slučaju QPSK modulacije (3G - WCDMA), modulacioni alfabet se sastoji od 4 različite signalizacione alternative (stanja signala, simbola). () ( ) b S c s i T T t,,,, i i t f cos T E t s 2 0 4 3 2 1 4 1 2 2 2 = = + = π π 19
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Sa 4 faze (π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4), QPSK modulacija omogućava prenos 2 bita po simbolu.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Sledeći primer je 16QAM modulacija hibridna modulacija: imamo i promenu faze i promenu amplitude. 16 različitih stanja (signalizacionih alternativa). Omogućava prenos 4 informaciona bita po simbolu. Primetimo da su energije po simbolu različite, kao i da su verovatnoće greške susednih simbola veće nego onih u krajnjim tačkama.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda 64QAM modulacija ima 64 različita stanja (signalizacione alternative) i tako omogućava prenos 6 bita po simbolu, tj. signalizacionom intervalu.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Tip modulacije Broj simbola M Širina opsega, B Efikasnost opsega, η B ((bit/s)/hz) QPSK 4 V b 1 16-QAM 16 2V b ld( M ) 2 64-QAM 64 2V b 3 ld M ( ) R=V b efikasnost opsega (spektralna efikasnost): η B = R B Zaključujemo da 16QAM i 64QAM modulacije imaju 2, odnosno, 3 puta veću efikasnost opsega u odnosu na QPSK, respektivno.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Dakle, korišćenje modulacija višeg reda omogućava nam veći protok u datom ograničenom opsegu (R/B), odnosno, veće η B. Ipak, veća efikasnost opsega dolazi po cenu smanjene otpornosti na šum i interferenciju (lošije η P )! B-PSK Q-PSK 16-QAM
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda Naime, modulacije višeg reda kakve su 16QAM ili 64QAM, zahtevaju veći odnos E b /N 0 na ulazu u prijemnik za istu verovatnoću greške! Ovo je u skladu sa prethodnom diskusijom (Scenario 1 i Scenario 2), gde je zaključeno da visoka efikasnost opsega (visok protok unutar ograničenog opsega, R/B) generalno zahteva veće E b /N 0 na ulazu u prijemik.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem Jedna od pomoći za poboljšanje efikasnosti snage za modulacije višeg reda je primena kanalskog kodiranja. Source 1 1 0 1 Transmitter Receiver 1 1 0 1 Sink Channel encoder 1 1 0 1 1 1 0 0 Channel 1 0 0 1 1 1 0 1 Channel decoder
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem Kanalsko kodiranje se zasniva na uvođenju redundanse na takav način da u prijemniku možemo korigovati greške ili izobličenja signala koje su nastale kao posledica sistema za prenos (kanala). k simbola KODER n=k+b simbola izvornom bloku podataka dužine k bita dodaje se b=n-k bita čime se povećava redundansa (za prenos k simbola, koristimo kanal k+b puta!) k poruka n kodna reč coding rate = n k <1 20
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem Cilj kanalskog kodiranja je: smanjenje verovatnoće greške primenom kodova velike dužine mi se možemo približiti kapacitetu kanala, C. Kodni dobitak Za datu verovatnoću greške, kodni dobitak se definiše kao smanjenje zahtevanog odnosa E b /N 0 na ulazu u prijemnik koje se može ostvariti primenom kanalskog kodiranja b b [ ] = [ db] [ db] G db E N 0 ref E N 0 c 21 (E b /N 0 ) ref zahtevani odnos E b /N 0 u referentnom sistemu (bez kodiranja) (E b /N 0 ) c zahtevani odnos E b /N 0 u sistemu sa kodiranjem
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem Podsetimo se da smo zaključili da modulacije višeg reda kakve su 16QAM ili 64QAM, zahtevaju veći odnos E b /N 0 na ulazu u prijemnik za istu verovatnoću greške. Sada vidimo da kanalsko kodiranje u nekim slučajevima otvara mogućnost da primenimo modulacije višeg reda, a da smanjimo zahtevani odnos E b /N 0 (u odnosu na onaj bez primene kanalskog kodiranja). Dakle, održavamo dobar η B a kanalskim kodiranje donekle popravljamo loš η P kod modulacija višeg reda!
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem To se dešava npr. kada je vrednost efikasnosti opsega η B takva da se u slučaju modulacije nižeg reda ne može primeniti dovoljno kanalsko kodiranje. U tom slučaju, dodatno kanalsko kodiranje koje se može primeniti za modulacije višeg reda, npr. 16QAM, imaće za posledicu dobitak i u pogledu efikasnosti po snazi, u poređenju sa QPSK. Primer 1: ako se zahteva iskorišćenost opsega od oko 2 informaciona bita po modulacionom simbolu, QPSK modulacija omogućava vrlo ograničeno kanalsko kodiranje (coding rate 1). Sa druge strane, primena 16QAM omogućava kanalsko kodiranje sa coding rate ½.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem Primer 2: ako se zahteva iskorišćenost opsega od oko 4 informaciona bita po simbolu, primena 64QAM može biti efikasnija od 16QAM imajući u vidu manji coding rate i u skladu sa tim dodatno kodni dobitak. V b [ b / s] KODER bin M V [ sym / s] s = Vc ldm c n k [ b / s] Vb V = k 1 = n ldm V V b s 22
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda u kombinaciji sa kanalskim kodiranjem Treba naglasiti da ovi zaključci u vezi kanalskog kodiranja nisu u suprotnosti sa zaključcima sa početka analize da je prenos u uslovima velike efikasnosti opsega (η B >1) loš po pitanju efikasnostii snage (zahteva nesrazmerno veliku snagu na prijemu). Konkretno, primena coding rate-a od ½ u primeru sa 16QAM smanjuje protok korisničkih informacija, a samim tim i efikasnost opsega, i to na isti nivo kao i QPSK bez kodiranja. Konačno se može zaključiti da, za dati odnos signal/šum ili signal/interferencija, odgovarajuća kombinacija modulacionog postupka i faktora coding rate je optimalna u smislu da može da obezbedi najveću efikasnost opsega (najveći protok u datom opsegu) za taj odnos signal/šum ili signal/interferencija.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Za razliku od pomenutog nedostatka modulacija višeg reda a to je zahtev za većim odnosom S/N na prijemu koji se delom može rešiti primenom odgovarajućeg kanalskog kodiranja, kod ovih modulacija postoji ozbiljan problem koji praktično ne možemo rešiti. Naime, ozbiljan nedostatak modulacija višeg reda kao što su 16QAM i 64QAM (gde imamo slučaj da je informacija utisnuta i u trenutne promene amplitude modulisanog signala) jeste da ovako modulisan signal ima velike varijacije trenutne snage.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Na slici je prikazana raspodela trenutne snage, tačnije, verovatnoća da je trenutna snaga iznad određene vrednosti, za QPSK, 16QAM i 64QAM. Kao sto se vidi, verovatnoća velikih vrednosti (pikova) trenutne snage je veća u slučaju modulacija višeg reda. Raspodela trenutne snage za različite modulacije. U svim slučajevima srednja snaga je ista.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Velike varijacije trenutne snage kod modulacija višeg reda imaju velike posledice na pojačavače snage koji se koriste u izlaznim stepenima predajnika. v out +V mmax zasićenje v in > v out v in -V mmax
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Najčešće korišćen pojačavač je pojačavač u klasi A : 1. ima najmanja izobličenja jako dobra karakteristika (samo zato se koristi) 2. ima približno konstantnu potrošnju, P in nezavisnu od v out i P out!!! jako loša karakteristika! 3. koeficijent korisnog dejstva u najboljem slučaju je η=0.5 (sinusoidalni signal maksimalne amplitude). Dakle, kakva god bila snaga izlaznog signala, potrošnja ovog pojačavača je ista!
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Primer: pojačavamo sinusoidu, potrebna snaga na izlazu P out =100W. Obzirom na koeficijent korisnog dejstva od 0.5, pojačavač snage u klasi A uzima najmanje P in =200W da bi na izlazu dao 100W (preostalih 100W se disipira P d =100W). puna snaga (max amplituda M-QAM): P out =100W, P in =200W, η=0.5, P d =100W prazan hod (amplituda = 0): P out =0W, P in =200W (pojačavač u klasi A uvek vuče istu snagu!), η=0, P d =200W (ogromna disipacija!) između: P out =50W, P in =200W, η=0.25, P d =150W (predimenzionisan!)
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Velike varijacije (tačnije, velike vrednosti - pikovi) trenutne snage prenošenog signala imaju za posledicu da pojačavači snage moraju biti predimenzionisani kako bi se izbegla izobličenja signala. U suprotnom, pojačavač bi mogao ući u nelinearan režim rada, što bi dovelo do pomenutih izobličenja signala (što nam naravno nije cilj). Kao posledica toga, imamo smanjenu efikasnost pojačavača snage, što dalje dovodi do povećane potrošnje tih pojačavača.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Naime, koeficijent korisnog dejstva η u slučaju pojačavača klase A (sinusoidalni signal na ulazu) ima sledeći oblik: η [%] 50% η = 50 V % V m m max 2 23 1 0 V m /V mmax
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Dakle, najčešće će naš pojačavač biti u režimu manjih izlaznih signala, što znači u režimu lošeg koeficijenta korisnog dejstva! η [%] 50% 1 0 V m /V mmax
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Za modulacije konstantne amplitude, pojačavač ne bi morao biti predimenzionisan jer bismo ga birali po izlaznom naponu koji u ovom slučaju nema velike varijacije. Takav pojačavač bi bio efikasniji jer bismo uvek radili u tački u kojoj je koeficijent korisnog dejstva η maksimalan! η [%] 50% 0 1 V m /V mmax
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Dakle, velike varijacije trenutnog napona tj. snage ima za posledicu smanjenu efikasnost pojačavača što dovodi do povećane potrošnje tih pojačavača. Dodatno, to ima negativan uticaj i na cenu pojačavača. Alternativno, mora se smanjiti srednja snaga predajnika, što dovodi do smanjenja dometa za dati protok.
Visoki protok u ograničenom opsegu: modulacije višeg reda varijacije trenutne snage Dobar koeficijent korisnog dejstva pojačavača jako je bitan za mobilne terminale (na uplink smeru), zbog zahteva za malom potrošnjom i niskom cenom terminala. Na strani bazne stanice, efikasnost pojačavača izlaznog stepena jeste bitna ali u manjoj meri nego za slučaj terminala. Usled toga, velike varijacije izlazne snage manji su problem na downlinku nego na uplinku. Dakle, zaključak je da su modulacije višeg reda pogodnije za downlink nego za uplink.
Visoki protok u ograničenom opsegu S N + I modulacije višeg reda Smanjenje veličine ćelije Diversity Beamforming MIMO Smanjenje šuma bolja efikasnost opsega loša efikasnost snage kanalsko kodiranje velike varijacije trenutne snage predajnika
Hvala na pažnji!