Kognitivni radio -...

92
Kognitivni radio Evolucija radio sistema 2 Doc. dr Mirjana Simić

Transcript of Kognitivni radio -...

Page 1: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Kognitivni

radioEvolucija

radio sistema

2

Doc. dr Mirjana Simić

Page 2: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u Visoki protok u proprošširenom opseguirenom opsegu

Page 3: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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 ηB < 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.

Page 4: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅=

NSlogBC 12

Visoki protok u proširenom opsegu

Ulagati u B ili Ulagati u B ili S/N?S/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!

Page 5: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅=

NSlogBC 12

Page 6: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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)!)

Page 7: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

Page 8: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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...

Page 9: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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!)!

Page 10: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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 analogno-

digitalnih 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.

Page 11: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu3.

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.

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).

TX RX

A2x(t-t 2)

A1x(t-t 1)x(t)

r(t) = x(t) + A1x(t-t 1) + A2x(t-t 2) + ...

Page 12: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

a)

višestruka propagacija, vremenski domen –

vremenska disperzijab)

višestruka propagacija, frekvencijski domen –

frekvencijska selektivnost radio kanala

Page 13: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

• 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 uticaj2.

okruženja:•

ćelije manjih dimenzija

(manja

vremenska

disperzija)

→ uticaj frekvencijske selektivnosti manji,

okruženja sa manjim brojem prepreka (ruralna okruženja) →

uticaj frekvencijske selektivnosti manji.

Page 14: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu•

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), fD

:

CD fcvf =v

brzina kretanja predajnika/prijemnikafC

– učestanost nosioca (npr. 2GHz kod UMTS)c

brzina svetlosti

Page 15: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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.

Page 16: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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.

Page 17: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

• 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.

Page 18: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 19: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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

Page 20: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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).

Page 21: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)

-

Page 22: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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 multi- carrier

spektru, što loše utiče na ukupnu efikasnost opsega

ovakvog tipa multi-carrier transmisije.

Page 23: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

Multi-carrier transmission u postojećim sistemima (WCDMA)

-

Primer: WCDMA (UMTS) multi-carrier evolucija: Brzina generisanja čipova, chip-rate: fCR

=3.84Mchips/s

Ipak, zbog oblikovanja spektra, čak i teorijski WCDMA spektar značajno nadmašuje 3.84MHz. Preciznije, teorijski WCDMA spektar ima oblik podignutog kosinusa (raised-

cosine), 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).

Page 24: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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 multi- carrier

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.

Page 25: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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, multi- carrier

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).

Page 26: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 27: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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/TU

, gde je TU

trajanje pravougaonog impulsa.

Page 28: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

razmak podnosilaca u OFDM

Page 29: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

Ilustrativni primer OFDM modulatora:–

Sastoji

se od banke

od

ukupno

Nc

modulatora

pri

čemu

svaki

odgovara

jednom

OFDM podnosiocu.

OFDM signal

Page 30: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

OFDM signal x(t) u toku

vremenskog

intervala

može

biti

predstavljen

na

sledeći način:

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

ftkjNc

k

mk

Nc

kk eatxtx Δ

=

=∑∑ == π2

1

0

)(1

0)()(

uu TmtmT )1( +<≤

gde

je xk

(t)

k-ti

podnosilac

frekvencije

fK

=kΔf

i •

modulacioni

simbol

primenjen

na

k-ti

podnosilac

za

vreme

intervala

m-tog OFDM simbola, tj. u intervalu

)(mka

uu T)m(tmT 1+<≤

Page 31: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

Naglasimo

da

termin

Orthogonal

Frequency Division Multiplex

potiče od toga što su modulisani OFDM podnosioci međusobno ortogonalni u toku vremenskog intervala

uu TmtmT )1( +<≤

U tom smislu

na

OFDM prenos

se može

gledati

kao

na

modulaciju

skupa

ortogonalnih

funkcija φk

(t), pri

čemu

je

⎩⎨⎧ <≤

ostalo,Tt,e

)t( uftkj

k 002π

ϕ

Podsećanje: dve funkcije f(x) i g(x) su ortogonalne na intervalu [a, b], ako

je:

( ) ( ) 0=∫b

a

dxxgxf

Page 32: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

OFDM –

vremensko-frekvencijska predstava:–

svaka

,,kolona”

odgovara

jednom

(m-tom) OFDM simbolu,

a svaki

,,red”

jednom

(k-tom) OFDM podnosiocu.

Page 33: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

Ovim

je takođe

ukazano

na

to da

je OFDM prenos

u osnovi

blokovski jer

se za

vreme

svakog

od

pomenutih

OFDM intervala,

Nc

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 razmak između

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.

Page 34: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

Šema OFDM predajnika sa modulatorima

Page 35: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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, TU

.

Ovakvo

rešenje

je dosta

kompleksno

i veoma

skupo, a takođe ukazuje

i na

veliku

osetljivost

OFDM sistema

na

frekvencijsku

sinhronizaciju

kao

ozbiljan

nedostatak.

Page 36: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 37: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

U tom cilju, posmatrajmo

jedan

vremenski

diskretizovan

OFDM signal (npr. generisan

predajnikom

slajd

28).

Pri

tome pretpostavimo

da

je odabiranje

izvršeno

učestanošću

fs

koja

je jednaka

celobrojnom

umnošku

rastojanja

između

susednih

podnosilaca, Δf, tj.

fNT

fs

s Δ⋅==1

Pri

ovome

treba

voditi

računa

o odabiru

parametra

N

kako

bi bila

zadovoljena

teorema

o odabiranju.

Ako

sa

Nc

označimo

raspoloživi

broj

podnosilaca

jasno

je da

je

nominalni

opseg

OFDM signala

Nc

Δf, kao i da je N>Nc

.

( ) ( ) ns xnTxtx =→

Page 38: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

Ovako

odabran

OFDM signal može

biti

predstavljen

na

sledeći način*:

NknjN

kk

NknjNc

kk

fnTkjNc

kksn eaeaeanTxx s /2

1

0

'/21

0

21

0

)( πππ ∑∑∑−

=

=

Δ−

=

====

gde

je

⎩⎨⎧

<≤<≤

=NkN,Nk,a

ac

ck'k 0

0

* oznaka m-tog OFDM simbola je izostavljena ali se podrazumeva

NN--size IDFTsize IDFT

Page 39: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

Dakle, sekvenca

xn

, tj.

odabrani

OFDM signal je inverzna

diskretna Furijeova

transformacija

(IDFT) dužine

N, niza

modulacionih

simbola

produženog

nultim

elementima

do dužine N.

1210 ,...,,, −Ncaaaa

Znači, OFDM modulator

se može implementirati kao IDFT procesiranje i digitalno-analogna konverzija.

Page 40: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

Šema OFDM predajnika gore: sa modulatorima

dole: praktična realizacija

Page 41: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 42: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

OFDM demodulator

Page 43: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

OFDM komunikacioni sistem

Page 44: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

-

fc

Δf fc

fcΔf

WIDEBAND SINGLE-CARRIER

WIDEBAND MULTI-CARRIER

WIDEBAND MULTI-CARRIEROFDM

Page 45: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

i efekti u kanalu -

U dizajnu OFDM (odabiru bitnih parametara), bitno je razmotriti dva efekta u radio kanalu:

1.

višestruka (multipath) propagacija2.

mobilnost.

ViViššestruka propagacijaestruka 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).

Page 46: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

i efekti u kanalu -

Page 47: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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), Bcoh

, 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, Bcohčime 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.

cohBf <Δ

Page 48: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

i efekti u kanalu -

single-carrier OFDM

Page 49: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 50: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 51: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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

TU

tj. inverzna

vrednost

razmaka

susednih

podnosilaca, Δf.

Kao što

vidimo

u okviru

intervala

integracije

TU

za

jednu

putanju

ne ulaze

simboli

primljeni

drugom

putanjom

celim

svojim

trajanjem

jer

sekvence

nisu

vremenski

poravnate, što

uzrokuje ICI i ISI.

Page 52: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 53: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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

TU

na

TU

+TCP

, gde

je TCP

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

TU

ortogonalnost

biti

očuvana

i u slučaju

kanala

sa

vremenskom

disperzijom

sve

dok

je kašnjenje

uneto

njim

kraće

u odnosu

na

trajanje

cikličnog

prefiksa.

Page 54: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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

NCP

odbiraka.

To je poslednjih

NCP

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.

Page 55: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

i efekti u kanalu -

Page 56: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

i efekti u kanalu -

OFDM komunikacioni sistem sa cikličnim prefiksom

Page 57: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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:

• Stoga

je sa

stanovišta

protoka

i snage poželjno

da

CP bude

što

kraći.

Znači

smanjujemo

prisutnu

interferenciju

na

račun

smanjenja

efikasnosti

emitovanja

komprimis!

se koristi za demodulaciju, a ostatak se gubi. ( )CPU

U

TTT+

Page 58: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

i efekti u kanalu -

MobilnostMobilnost•

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, tcoh

(kanal se ne menja u toku tog vremena)

i biramo da OFDM simbol traje kraće od ovog vremena tcoh

, 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).

cohu TT <

Page 59: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

↓⇒↑ gubiciTU ↓⇒↓ fadingfastTU

↓↑⇒Δ ICIf ↓↓⇒Δ stselektivnoskafrekvencijf

ali

ali

kompromis!

Page 60: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

• U dizajnu OFDM, bitan je izbor sledećih parametara:

1.

razmak između nosilaca, Δf

2.

broj podnosilaca, NC

(zajedno sa razmakom između ponosilaca, ovim se definiše ukupni prenosni opseg OFDM)

3.

dužina cikličnog prefiksa, TCP

(zajedno sa razmakom između nosilaca, Δf=1/TU

, ovim se definiše ukupna dužina trajanja OFDM simbola T=TU

+TCP

, odnosno, brzina simbola).

Page 61: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

Razmak između nosilacaRazmak između nosilaca, , ΔΔff•

mali razmak između nosilaca, ΔΔf (f (ΔΔf=1/Tf=1/TUU

):):––

dobar zbog frekvencijske selektivnosti kanala (ravan feding) dobar zbog frekvencijske selektivnosti kanala (ravan feding) ––

manja manja izobliizobliččenjaenja

––

dobar zbog manjih gubitaka pri demodulacijidobar zbog manjih gubitaka pri demodulaciji

( )CPU

U

TTT+ TU

veće, odnos ≈

1, manji gubici!

veliki razmak između nosilaca, ΔΔf (f (ΔΔf=1/Tf=1/TUU

):):––

dobar zbog vremenske selektivnosti kanala (brzi feding) (dobar zbog vremenske selektivnosti kanala (brzi feding) (ΔΔff--vevećće, Te, TUU

--

manje) manje)

––

dobar zbog otpornosti na Dopplerdobar zbog otpornosti na Doppler--ovo ovo šširenje, tj. ICI irenje, tj. ICI ččime je oime je oččuvana uvana ortogonalnost podnosilacaortogonalnost podnosilaca

Page 62: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

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

Page 63: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 64: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

Broj podnosilaca, Broj podnosilaca, NNCC•

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

NC

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.

Page 65: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

Poređenje

5MHz spektara

OFDM i WCDMA signala

out-of-bandout-of-band

Page 66: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 67: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

Page 68: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDM

izbor parametara -

Trajanje cikliTrajanje cikliččnog prefiksa, nog prefiksa, TTCPCP•

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.

Page 69: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

primena

OFDM

u LTE (downlink) -

Struktura LTE frejma

Page 70: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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).

Page 71: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

OFDMA

-

uplinkdownlink

a) Lokalizovana OFDMA

b) Distribuirana OFDMA (prenos u širem opsegu)

uplinkdownlink

Page 72: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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!).

Page 73: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 74: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

SC-FDMA

-

Iako smo primenom OFDM rešili neke nedostatke klasične multi- carrier 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, TU

(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.

Page 75: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

SC-FDMA

-

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.

OFDM signal

Page 76: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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 reservationuticaj

na

smanjenje

PAPR (tj. velikih

varijacija

izlazne

snage)

Page 77: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 78: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 79: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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).

Page 80: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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).

Page 81: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

SC-FDMA

-

SC-FDMA predajnik:

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).

OFDM

Page 82: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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).

Page 83: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

SC-FDMA

-

Napomenimo još

i to kako SC-FDMA ostvaruje fleksibilnu dodelu spektra: –

Ako je učestanost odabiranja na izlazu iz IDFT fs

, nominalni opseg prenošenog signala iznosi:

sfNMB =

Dakle, variranjem parametra M, variramo i prenosni opseg i na taj način se ostvaruje fleksibilna dodela spektra.

Page 84: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

M N

NM

M < N

Page 85: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 86: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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!

Page 87: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

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.

Page 88: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

SC-FDMA

-

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

Page 89: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu -

SC-FDMA

-

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

Page 90: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

Napomenimo

na

kraju

da

je OFDM standardizovana

modulaciona šema za LTELTE

sistem na downlinku, dok je SC-FDMA

standardizovana

modulaciona

šema za LTE sistem na uplinku.

Page 91: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

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!

Page 92: Kognitivni radio - telekomunikacije.etf.bg.ac.rstelekomunikacije.etf.bg.ac.rs/predmeti/ms1kr/Evolucija_2.pdf · WCDMA . multi-carrier. proširenje na 20MHz opseg sastoji se od svega

Visoki protok u proširenom opsegu

mogućnost prilagođavanja okruženju•

mogućnost dinamičkog podešavanja radio parametara

visoka fleksibilnost•

jednostavna praktična implementacija

OFDM-based

transmisione tehnike kandidatza fizički sloj u KOGNITIVNOM RADIJU???