Анализ методов модуляции беспроводного широкополосного доступа

STANDARDS FOR BROADBAND WIRELESS ACCESS

HiS

Анализ методов модуляции беспроводного широкополосного доступа

В настоящее время наиболее массовыми и перспективными технологиями беспроводного доступа, которые могут быть применены для передачи большого количества трафика различного вида, являются: стандарт беспроводных локальных сетей IEEE 802.11 и стандарт беспроводных сетей городского масштаба IEEE 802.16. В статье проведен анализ различных методов модуляции, необходимый для решения задач при проектировании систем беспроводного широкополосного доступа.

Ключевые слова: управление услугами, контейнер, услуга, широкополосный беспроводный доступ.

Мясникова А.И., Легков К.Е.,

Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики

Analysis of broadband

wireless access modulation methods

Myasnikova A.I., Legkov K.E.,

North-Caucasian branch of the Moscow technical university relationship and informatics

Abstract

Currently, the most widespread and promising wireless technology that can be used to transfer a large amount of traffic of various kinds are: a standard wireless local area networks and IEEE 802.11 standard for wireless Metropolitan Area Networks IEEE 802.16. The article analyzes the various modulation techniques required for solving problems in the design of wireless broadband access.

Keywords: Service Management, container, service, broadband wireless access.

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 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 ведётся на них параллельно [2].

В каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать относительно низкой, что создает предпосылки для эффективной борьбы с межсимвольной интерфе-

Приемник

Рис. 1. Типовая структура радиосистемы передачи данных на основе сигналов OFDM

High technologies in Earth space research № 2-2010

B5

ш

СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА

рениией. 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), которая вставляется перед началом символа.

В сигналах OFDM применяются ортогональные несущие, частоты которых выбираются из условия [3]:

JQr sin(2n flt) • sin(2n fkt)dt = 0, k Ф l

где T — период символа, f,, f — несущие частоты каналов k и l.

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 интерферениия отсутствует. За счет боле плотного расположения подканалов по частоте спектральная эффективность сигналов OFDM по сравнению с сигналами FDM значительно выше.

Формирование сигналов OFDM возможно как аналоговым, так и иифровым 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 иифровым способом.

Сигнал OFDM, записанный на интервале длительности одного символа, представляет собой сумму всех несущих колебаний, модулированных своими модуляционными символами:

^ ( t ) = Re

j • 2п • fH • t

,Ck • e

j • 2 n • k •Af •

k=-N/2

k Ф 0

где k — номер частоты, N — количество используемых поднесущих, Ck — комплексный модуляционный символ k-го частотного подканала, Af — разнос между поднесущими, T — защитный интервал, f — несущая частота, 0 < t < TOFDM, Tofdm—длительность символа OFDM с учетом защитного интервала.

В стандартах IEEE 802.11 a,g, 802.162004, 802.16e в зависимости от условий ведения связи (от отношения сигнал/шум на входе приемника) используются различные схемы модуляции-кодирования.

В таблице 1, для различных видов сигналов с ФМ и КАМ представлены требуемые значения отношения сигнал/шум на символ (hc2 ) на входе приемника, при которых обеспечивается вероятность ошибки на бит, равная 10-6, в канале с постоянными параметрами и АБГШ при пренебрежимо малой МСИ.

Таблица 1

Вид модуляции Скорость кода hf\ дБ

ФМ-2 1/2 6,4

ФМ-4 1/2 9,4

3/4 11,2

КАМ-16 1/2 16,4

3/4 18,2

КАМ-64 2/3 22,7

3/4 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 декоде-

ром 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 распространения, используются частотные корректоры (эквалайзеры), однако, по мере роста скорости передачи данных либо за счёт увеличения символьной скорости, либо за счёт усложнения схемы кодирования, эффективность использования эквалайзеров падает.

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) многолуче-вости и обозначают тш. В условиях МСИ при

< Т каждый предыдущий символ влияет на каждый последующий (как показано на рис. 3) или в общем случае (при тш > Т) — 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, то есть — от отношения Тм /Т.

N /2

Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 2-2010

STANDARDS FOR BROADBAND WIRELESS ACCESS

Ш

= Nf -vb

/log2 M

= 1,5 • Vb

Рис. 3. Возникновению межсимвольных помех

Поэтому, для улучшения качества приема сигналов в условиях МСИ целесообразно уменьшать отношение тш/T, 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 увеличение длительности символа T, является применение методов многопозиционной модуляции, при которых длительность символа на выходе модулятора Tc увеличивается в Lc^M по сравнению с длительностью информационного символа T Tc = Tfy где М — число возможных элементарных сигналов (сигнальных точек) [3]. Так, при применении фазовой манипуляции ФМ-2, ФМ-4, ФМ-8 и ФМ-16 отношение т /T

' мл' c

будет равно: тмл/Tb' тмл/(2Tbk тмл/(3Tb) и Тмл /(4Tb).

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 Tc, передаваемого на одной несущей увеличивается в Nf раз: Tc = Tb • Nf, а отношение Т /Tc уменьшается вЧ раз: Тмл /Tc = Тмл/ (V NfM

Необходимо заметить, что системы со многими несущими имеют более высокий пикфак-тор П (отношение пиковой мощности к средней), что приводит к существенному уменьшению выигрыша. В частности при числе несущих N > 10 с 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:

РрЧя •  Пы = РрчГ Пм '

где Пм — пикфактор сигнала с М-ичной моду-

ляцией (МФМ ПМ = П

МФМ

или КАМ

Пм = Пкам) в системе с одной несущей, П^ — пикфактор сигнала в системе со многими несущими с ФМ поднесущих. Причем для ФМ сигнала ПфМ = ПМфМ =3 дБ, для КАМ-16

— ПКАМ =5,55 дБ

Тогда: „ ,..2*

При ФМ-16: = откуда

j 2*

ЯМФМ hbM0M

п

N h?

log2 M,

Nf = 13,9 -10,5 + 3 = 6,4 дБ, Nf = 4,37 « 4,

VbôM = Nf VbMôM /log2M « Vb}

M ФМ 2*

ПКШ hbKÄM

При КАМ-16: N f = • • log2 M ,

nN h2

откуда

Nf = 12,5 -10,5 + 5,55 = 7,55 дБ,

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 к погрешностям восстановления несущей и тактовой синхронизации (тем более в условиях МСИ) то применение систем со многими несущими в условиях МСИ представляется более предпочтительным.

Литература

1. Донченко АА, Легков К.Е. Построение радиосистемы на основе ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM). Сборник трудов международной молодежной научно-практической конференции "ИНФОКОМ-2008". Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2008. — С. 35-41.

2. Вишневский В.М, Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. — М.: Техносфера, 2005. — 592 с.

3. Легков К.Е., Донченко А А, Кисляков МА. Обзор типовых условий функционирования систем беспроводного широкополосного доступа // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. №1, 2009. — С. 51-54.

4. Сюваткин В. С. 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.

6. Легков К..Е, Донченко А.А, Садовов В.В. современные технологии беспроводного широко-полосного доступа 802.16е и LTE: перспективы внедрения на транспорте // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2010. Т.4. №2. — С. 30-32.

Nf = 5,7 « 6 ,

V

b

ФМ

High technologies in Earth space research № 2-2010