MONITIE-ETENEMISEN AIHEUTTAMA HÄIRIÖ
Monitie-etenemisen aiheuttama häiriö Ongelmana on monitie-etenemisestä (symboli leviää ajan suhteen viivehajeen vuoksi) syntyvä häipyvä kanava. Häipyminen (hidas ja nopea) ja ISI ovat monitiekanavan kaksi perusilmiöitä. Kanavan tilastolliset ominaisuudet (kanavamallit) on tunnettava ns. ilmarajapinnan vastaanotinalgoritmien suunnittelemiseksi. Lähetetty signaali Vastaanotettu signaali Nopea häipyminen Hidas häipyminen t Vastaanotettu teho Lähde: Matti Isohookana
LOS, heijastus, sironta, diffraktio, varjostuminen Hyvä kanavamallitutoriaali löytyy osoitteesta: http://www.telecomlab.oulu.fi/~kk/dtsp/tutoriaalit/Barocchi.pdf
Path loss, large scale shadowing, small scale fast fading Keskenään kertovat prosessit Large-scale fading Small-scale fading 1/r2 path loss Huom. Koska molemmat akselit ovat logaritmisia, tulee eksponentiaalisesta 1/rn –laista suora.
Path loss, large scale shadowing, small scale fast fading Pelkkä 1/r2 -laki
Large (red) & small (green) scale fading, path loss Suoran yhtälö Path-loss exponent n values for different environments: Free space 2 Urban area cellular radio 2.7 to 3.5 Shadowed urban cellular radio 3 to 5 In building, line of sight 1.6 to 1.8 Obstructed in building 4 to 6 Obstructed in factories 2 to 3 Seinät kokoavat tehoa, ja siksi n < 2 ! Huom. Koska molemmat akselit ovat logaritmisia, tulee eksponentiaalisesta 1/rn –laista suora.
Kanavan aiheuttamien häiriöiden syyt ja seuraukset Syy- ja seuraussuhteiltaan kaksi erilaista kanavasta aiheutuvaa vaikutusmekanismia: KANAVAN KAISTARAJOITUS AIHEUTTAA SYMBOLIEN VÄLISTÄ KESKINÄISVAIKUTUSTA (ISI). MONITIE-ETENEMINEN AIHEUTTAA SEKÄ HÄIPYMISTÄ (FADING) ETTÄ SYMBOLIEN VÄLISTÄ KESKINÄISVAIKUTUSTA (ISI) SIGNAALIN VIIVEHAJEEN VUOKSI.
Kaksitiekanavamalli Tähän asti on tarkasteltu suorituskykyä sekä AWGN-kanavassa että kaistarajoitetussa AWGN-kanavassa. Radiotietoliikenteen kanavamallinnuksessa käytetään AWGN-mallin lisäksi häipyvää monitiekanavaa. Monitie-eteneminen aiheutuu rakennusten, esineiden, maastokohteiden, veden, vuorien, tms. heijastuksista (reflection), sironnasta (scattering) ja diffraktiosta Monitiekanavaa voidaan kuvata aikainvariantilla tai aikavariantilla lin. poikittaissuodattimella (FIR-mallin tappikertoimet ovat ajan suhteen vakioita tai muuttuvia). Kohina voi myös olla ei-gaussista. Pelkästään kaksitiekanavamalli + AWGN antaa hyvän pelkistetyn kuvan monitiekanavassa tapahtuvista ilmiöistä.
Kaksitiekanavamalli Pidetään mallijärjestelmänä BPSK-järjestelmää. Vastaanotetaan suoran sd(t)-signaalin lisäksi m -viivästynyt ja -vaimentunut β∙sd(t–m). Lisäksi summautunut AWGN (PSD = N0/2), joka esitetään nc(t) ja ns(t) -osinaan (LP[] = alip./kantataaj. -osa signaalista korrelaattorin jälkeen).
Kaksitiekanavamalli Yksi BPSK-symboliaikaväli T sisältää useita peräkkäisiä kosinijaksoja. Siten jo pieni viipeen m:n muutos suhteessa T:hen aiheuttaa suoraan edenneen ja heijastuneen aallon destruktiivisen interferenssin aaltojen ollessa 180 vaihe-erossa (aallot sammuttavat toisiaan). Lisäksi jo pienen viipeen lisäyksen jälkeen tapahtuu konstruktiivisen interferenssi 360 vaihe-erossa (aallot vahvistavat toisiaan, kun vaihe-ero on jakson monikerta).
Kaksitiekanavamalli Mallista saadaan kaksi erillistä interferenssin vaikutusmekanismia riippuen kanavan viipeen ja symbolin keston keskinäisestä suhteesta m/T (suhteellinen viive): m/T 0 ja d(t–m) d(t): Ei synny ISI:ä, vaan tapahtuu signaalin destruktiivinen häipyminen tai konstruktiivinen interferenssi. Koska c tasan jakautunut välille –... , summan verhokäyrä on (ainakin suurilla monitiekomponenttien määrällä) joko Rayleigh- tai Rice-jakautunut, koska I- ja Q-komponenteilla Gaussiset amplitudit. Rice-jakautuneella on yksi dominoiva komponentti (esim. LOS-signaali), kun taas Rayleigh-jakautuneella sellaista ei ole. 0 < m/T 1 ja d(t–m) d(t): Kaiku merkittävästi viivästyneenä LOS-komponentin kanssa päällekkäin, eli syntyy ISI:ä ja tietenkin myös häipymistä ja konstuktiivistä interferenssiä. Merkintöjen yksinkertaistamiseksi käytetään PE -analyysissä parametria = cos(cm). Analysoidaan tätä tilannetta tarkemmin.
PE kaksitiekanavalle, kun 0 < m/T 1 ja d(t – m) d(t) (S) Symmetrian vuoksi neljälle eri bittikombinaatiolle saadaan:
PE kaksitiekanavalle, kun 0 < m/T 1 ja d(t – m) d(t) (S) E=½ A2T on suoraan edenneen komponentin energia, Z0= ½ (A2T)/N0, jossa vain osa kokonaislähetystehosta.
PE kaksitiekanavalle, kun 0 < m/T 1 ja d(t – m) d(t) (S) =m/T=0 vastaa BPSK-käyrää AWGN-kanavassa. zm =(1+)·E/N0 = z0(1 +) on efektiivinen kokonaisenergia sisältäen heijastuneen komponentin. Koska käyrät on esitetty suoran komponentin z0= E/N0:n funktiona, joillakin (,m)-arvoilla PE on parempi kuin AWGN. BPSK AWGN- kanavassa Ei esiinny ISI:ä. Konstruktiivinen interferenssi dominoi. ISI:ä esiintyy. Destruktiivinen vaikuttaa.
PE kaksitiekanavalle, kun 0 < m/T 1 ja d(t – m) d(t) (S) SNR:n heikentyminen D kuvaa paljonko lähetystehoa on nostettava, jotta tietty PE -arvo säilytetään. Kun < 0 ja m/T > 0, suorituskyky paranee, mikä johtuu kuvien 7.27 b) ja d) mukaan energialisästä verrattuna tapaukseen m/T = 0. a) ja c)-tapauksissa se ei riipu arvosta m/T. Lisäksi havaitaan, että ISI:n vaikutus pieni, kun < 0 (m/T:n muutos ei juuri vaikuta). Toisaalta, kun > 0, niin ISI dominoi. ISI dominoi ISI:n vaikutus pieni
Kanavakorjaimen (ekvalisaattorin) perusidea Monitie-etenemisen aiheuttama ISI voidaan poistaa toteuttamalla vastaanottimeen aikavariantti MF-suodatin ekvalisaattori eli kanavakorjain, joka kompensoi kanavan siirtofunktion. Se poistaa samalla myös kaistarajoitetun kanavan aiheuttamaa ISI:ä. Sen käyttö on useimmiten välttämätöntä siirtojärjestelmissä. Ongelmana on aikariippuvien parametrien ja m selvittäminen. Korjain on yleensä FIR-tyyppinen (finite impulse responce) lineaarinen poikittaissuodatin (transversal filter). Säätöparametrit saadaan selville mm. adaptiivisella algoritmilla, joka päivittää poikittaissuodattimen kertoimia wi ajan funktiona. Joskus kanavakorjain voidaan toteuttaa myös ns. Viterbi-algoritmilla.
Lineaarinen FIR-tyyppinen ekvalisaattorisuodatin Kertoimet määrittelevät impulssivasteen (kertoimet yleisessä tapauksessa kompleksiarvoisia signaalin amplitudin ja vaiheen huomioimiseksi): Vakiota ajan suhteen aikainvariantti FIR Ajan suhteen muuttuvia aikavariantti FIR