CC BY
156
Анализ систем передачи в сетях беспроводного доступа
В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ НАИБОЛЕЕ МАССОВЫМИ И ПЕРСПЕКТИВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА, КОТОРЫЕ МОГУТ БЫТЬ ПРИМЕНЕНЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА ТРАФИКА РАЗЛИЧНОГО ВИДА, ЯВЛЯЮТСЯ: СТАНДАРТ БЕСПРОВОДНЫХЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ІЕЕЕ 802.11 И СТАНДАРТ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ГОРОДСКОГО МАСШТАБА ІЕЕЕ 802.16. В СТАТЬЕ ПРОВЕДЕН АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ, НЕОБХОДИМЫЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Легков К.Е.,
Научный сотрудник Северо-Кавказского филиала МТУСИ,
Ростов-на-Дону, [email protected] Донченко А.А.,
Зам. директора Северо-Кавказского филиала МТУСИ по научной работе, Ростов-на-Дону, к.т.н. [email protected]
Сегодня стандарт беспроводных локальных сетей IEEE 802.11 прочно вошел в нашу жизнь, на очереди очередной стандарт беспроводных сетей городского масштаба IEEE 802.16: развернуты беспроводные сети WiMAX в городах Москва и Санкт-Петербург, в ближайшем будущем к ним прибавятся и другие крупные города России, для которых сначала необходимо спроектировать данные сети. Выбор и обоснование системы передачи является первоочередной задачей при решении вопроса проектирования беспроводных сетей.
В современных системах беспроводного доступа широкое применение нашли методы модуляции BPSK, QPSK, QAM в сочетании с помехоустойчивым кодированием и методом
передачи сигналов на основе ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) [1].
Схематичное представление радиосистемы передачи данных с использованием сигналов OFDM приведено на рис. 1.
Идея передачи данных сигналами OFDM основывается на технике передачи данных с использованием множества несущих и заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов (поднесущих), и передача ведется на них параллельно [2].
В каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать относительно низкой, что создает предпосылки для эффективной борьбы с межсимвольной интерференцией. Вставляя защитный интервал достаточной длительности в начале каждого символа OFDM, можно практически полностью исключить влияние межсимвольной интерференции. Защитный интервал представляет собой часть символа OFDM (обычно его окончание) и вставляется перед его началом.
В сигналах OFDM применяются ортогональные несущие, частоты которых выбираются из условия [3]:
rT
J sin(2nft) ■ sm(2nfkt)dt = 0, k Ф I,
Передаїчмк
где T — период символа, fj, ^ — несущие частоты каналов k и I.
На рис. 2. показан спектр сигнала OFDM, из которого видно, что полосы сигналов частотных подканалов перекрываются, но ортогональность поднесущих делает подканалы независимыми, т.е. межканальная интерференция отсутствует. За счет более плотного расположения подканалов по частоте, спектральная эффективность сигналов OFDM по сравнению с сигналами FDM значительно выше.
Формирование сигналов OFDM возможно как аналоговым, так и цифровым способами. Аналоговый способ предполагает наличие числа модуляторов и генераторов синусоидальных колебаний, равного числу поднесущих. Вследствие того, что основные преимущества сигналов OFDM проявляются при большом числе несущих (десятки, сотни, тысячи), использование указанного способа является экономически неэффективным. Открытие дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и связанных с ним алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) позволило относительно просто формировать сигналы OFDM цифровым способом.
Сигнал OFDM, записанный на интервале длительности одного символа, представляет собой сумму всех несущих колебаний, модулированных своими модуляционными символами:
s(t) = Re-
І-2-П- fH t
і J Jh
С • e
J-2n-k-Af it-Tg)
k=-N /2 k *0
(1)
- количество исполь-
где k — номер частоты, N -зуемых поднесущих, Ck — комплексный модуляционный символ k-го частотного подканала, Af — разнос между поднесущими, Тд — защитный интервал, ^ — несущая частота, 0 < t < TcfDM, TOFDM — длительность символа OFDM с учетом защитного интервала.
В стандартах IEEE 802.11a,g, 802.162004, 802.16e в зависимости от условий ведения связи (от отношения сигнал/шум на входе
Приемник
Рис. 1. Типовая структура радиосистемы передачи данных на основе сигналов OFDM
Рис. 2. Спектр сигнала OFDM
приемника) используются различные схемы модуляции-кодирования [4].
В таблице для различных видов сигналов с ФМ и КАМ представлены требуемые значения отношения сигнал/шум на символ (Ьс2 ) на входе приемника, при которых обеспечивается вероятность ошибки на бит, равная 10-6, в канале с постоянными параметрами и АБГШ при пренебрежимо малой МСИ.
Вид модуляции Скорость кода h2* C
ФМ-2 1/2 6,4
ФМ-4 1/2 9,4
З/4 11,2
КАМ-16 1/2 16,4
З/4 18,2
КАМ-64 2/З 22,7
З/4 24,4
Для повышения энергетической эффективности применяют различные методы помехоустойчивого избыточного кодирования (блочного, сверточного, турбокодирования). К примеру, использование сверточного кода с кодовым ограничением V = 5-7 в сочетании с декодером Витерби с мягкими решениями обеспечивает энергетический выигрыш от кодирования порядка 4-6 дБ при вероятностях ошибки 10-4-10-6.
При проектировании выбирают такое сочетание метода модуляции и кодирования, которое позволяет максимизировать информационную эффективность системы! (а значит и скорость передачи) при заданных ограничениях на частотную и энергетическую эффективность (при заданных ограничениях на полосу частот и отношение сигнал/шум на входе приемника).
Одной из основных проблем, препятствующих повышению скорости передачи информации в беспроводных сетях, является многолучевое распространение радиосигналов. Это приводит к тому, что в точке приёма результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) нескольких копий сигнала с различными амплитудами и задержками, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.
Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распростране-
ния, используются частотные корректоры (эквалайзеры), однако, по мере роста скорости передачи данных либо за счет увеличения символьной скорости, либо за счет усложнения схемы кодирования, эффективность использования эквалайзеров падает [5].
Межсимвольная интерференция (МСИ) проявляется в общем случае в растяжении фронтов импульсов, что приводит к возникновению межсимвольных помех (рис. 3).
Время, на которое увеличивается длительность символа вследствие его растяжения, называют временем (или интервалом) многолучевости и обозначают тмл. В условиях МСИ при
< T каждый предыдущий символ влияет на каждый последующий (как показано на рис. 3) или в общем случае (при Тмл > T) — на несколько последующих, а каждый последующий символ — на один или несколько предшествующих (канал с памятью).
Очевидно, что степень мешающего действия межсимвольной помехи и вероятность ошибочного приема зависят от степени "перекрытия" символов, т. е. — от отношения тмл/Т. Поэтому, для улучшения качества приема сигналов в условиях МСИ целесообразно уменьшать отношение тмл/Т, т.е. увеличивать длительность символа T. Это можно сделать за счет снижения информационной скорости передачи, что не всегда приемлемо.
Одним из известных способов борьбы с МСИ, основанных на увеличении длительности символа T, является применение методов многопозиционной модуляции, при которых длительность символа на выходе модулятора Тс увеличивается в log2M по сравнению с длительностью информационного символа Tb: Тс = Tb • log2M, где М — число возможных элементарных сигналов (сигнальных точек) [3]. Так, при применении фазовой манипуляции ФМ-2, ФМ-4, ФМ-8 и ФМ-16 отношение Тм /Т будет равно:
TjTy Хмл/(Т2ь); итмл/(74ь) .
Другим способом увеличения длительности канального символа является применение систем со многими несущими, когда поток информационных символов (битов) делится на Nf низкоскоростных потоков символов, каждый из которых передается на одной из Nf ортогональных частотных поднесущих. Одной из разновидностей таких систем, нашедших широкое
распространение в сетях беспроводного доступа, являются системы передачи с OFDM. При этом длительность символа Г, передаваемого на одной несущей, увеличивается в Nf раз: Тс = = Tb • Nf, а отношение Т п/Т уменьшается в Nf раз: Т „/Г = Т „/(Т. • Nf)[3 ].
Необходимо заметить, что системы со многими несущими имеют более высокий пикфактор П (отношение пиковой мощности к средней), что приводит к существенному уменьшению выигрыша. В частности, при числе несущих Nf > 10 с вероятностью 0,999 пикфактор многочастотного сигнала не превышает 10,5 дБ. Тогда при условии равенства пиковых мощностей передатчиков в системах с одной и многими несущими имеем:
PPN-Nf-nN = Ррч г пм ,
где Пм — пикфактор сигнала с М-ичной модуляций (МфМ Пм = ПМФМ или КАМ Пм = ПКАМ) в системе с одной несущей, nN — пикфактор сигнала в системе со многими несущими с ФМ поднесущих. Причем для ФМ сигнала
ПФМ=ПМФМ=3 яЪ для КАШ6—пкам=5,55 * Тогда: п h2*
При ФМ-16: Nf =—Ш^. hM ■ log 2 M,
nN %м
откуда Nf = 13,9 - 10,5 + 5,5 = 7,55 дБ, Nf = 5,7 ~6, V, = Nrvb /o,9 M ~vb ;
f .ФМ f зMФМ/l092M зМФМ
h2*
При КАМ-16: Nf = ■hb2M-log2 M,
ПN hb
N °ФМ
откуда Nf = 12,5 - 10,5 + 5,5 = 7,55 дБ,
Nf= 5,7 ~ 6 ^М = Nf • ^МФМ /log2M ~
~1,5^ Vb .
_ зМФМ
Таким образом, на частном примере показано, что системы передачи со многими несущими и ФМ по крайней мере не проигрывают системам с одной несущей и М-ичной модуляцией при пренебрежимо малом влиянии МСИ. Если же учесть тот факт, что системы с М-ичной модуляцией более критичны кпогрешностям восстановления несущей и тактовой синхронизации (тем более — в условиях МСИ), то применение систем со многими несущими в условиях МСИ представляется более предпочтительным.
Литература
1. 802.16 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.// IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques Society. 2004.
2. Вишневский В.М., Ляхов АН, Портной С.Л., Шах-нович И.В., Широкополосные беспроводные сети передачи информации. — М.: Техносфера, 2005, — 592 с.
3. Бураченко ДЛ. Статистические характеристики сигналов и помех в линиях связи. Конспект лекций. — СПб.: ВАС, 2006. — 52 с.
4. Сюваткин ВС. WiMAX — технология беспроводной связи: основы теории, стандарты, применение. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 368 с.
5. Григорьев ВА, Лагутенко О.И., Распаев ЮА Сети и системы радиодоступа. — М.: Эко-Трендз, 2005.
