MONITIE-ETENEMISEN AIHEUTTAMA HÄIRIÖ Miten todellinen kanava poikkeaa AWGN-kanavasta? 1 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari KärkkäinenSyksy 2015.

Esitys aiheesta: "MONITIE-ETENEMISEN AIHEUTTAMA HÄIRIÖ Miten todellinen kanava poikkeaa AWGN-kanavasta? 1 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari KärkkäinenSyksy 2015."— Esityksen transkriptio:

1 MONITIE-ETENEMISEN AIHEUTTAMA HÄIRIÖ Miten todellinen kanava poikkeaa AWGN-kanavasta? 1 521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari KärkkäinenSyksy 2015

2 MONITIE-ETENEMISEN AIHEUTTAMA HÄIRIÖ Ongelmana monitie-etenemisessä: symbolin kesto leviää ajan suhteen kanavan viivehajeen vuoksi. Häipyminen (hidas ja nopea) ja ISI ovat monitiekanavan kaksi perusilmiöitä. Kanavan tilastolliset ominaisuudet (kanavamallit) on tunnettava ns. ilmarajapinnan vastaanotinalgoritmien suunnittelemiseksi. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 2 Lähetetty signaali Vastaanotettu signaali Nopea häipyminen Hidas häipyminen t Vastaanotettu teho

3 LOS, HEIJASTUS, SIRONTA, DIFFRAKTIO, VARJOSTUMINEN Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 3 Hyvä kanavamallitutoriaali löytyy: http://www.telecomlab.oulu.fi/~kk/dtsp/tutoriaalit/Barocchi.pdf

4 HIDAS (VARJOSTUMINEN) JA NOPEA HÄIPYMINEN Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 4 Large-scale fading Small-scale fading 1/r 2 path loss Kohinan lisäystä lukuunottamatta kyseessä keskenään kertovat prosessit Huom. Koska molemmat akselit ovat logaritmisia, tulee eksponentiaalisesta 1/r n –laista laskeva suora.

5 HIDAS (VARJOSTUMINEN) JA NOPEA HÄIPYMINEN Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 5 Pelkkä 1/r 2 – vaimenemislaki

6 HIDAS (VARJOSTUMINEN) JA NOPEA HÄIPYMINEN Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 6 Huom. Koska molemmat akselit ovat logaritmisia, tulee eksponentiaalisesta 1/r n –vaimenemislaista suora. 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 ! Suoran yhtälö

7 KANAVAMALLIT Tähän asti on tarkasteltu BPSK-suorituskykyä: 1.Kaistarajoittamattomassa AWGN-kanavassa 2.Kaistarajoitetussa AWGN-kanavassa. Radiotietoliikenteen kanavamallinnuksessa käytetään AWGN-mallin lisäksi häipyvää monitiekanavaa. Monitie-eteneminen aiheutuu rakennusten, esineiden, maastokohteiden, veden, vuorien, näköesteiden, 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 yhdistettynä summautuvaan AWGN- kanavaan antaa hyvän pelkistetyn kuvan monitiekanavassa tapahtuvista ilmiöistä. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 7

8 SIGNAALIN SÄRÖYTYMISEN SYYT JA SEURAUKSET On olemassa syy- ja seuraussuhteiltaan kaksi erilaista kanavasta johtuvaa signaalin säröytymismekanismia: 1.KANAVAN KAISTARAJOITUS AIHEUTTAA SYMBOLIEN VÄLISTÄ KESKINÄISVAIKUTUSTA (ISI). 2.MONITIE-ETENEMINEN AIHEUTTAA SEKÄ HÄIPYMISTÄ (FADING) ETTÄ SYMBOLIEN VÄLISTÄ KESKINÄISVAIKUTUSTA (ISI) SIGNAALIN VIIVEHAJEEN VUOKSI. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 8

9 KAKSITIEKANAVAMALLI Pidetään mallijärjestelmänä edelleen BPSK-järjestelmää. Suoran s d (t)- signaalin lisäksi  m -viivästynyt ja  -vaimentunut  ∙s d (t–  m ). Lisäksi summautunut AWGN (PSD = N 0 /2), joka esitetään n c (t) ja n s (t) - osinaan (LP[  ] = alipäästö./kantataaj. -osa ilmaitusta signaalista korrelaattorin lähdössä). Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 9

10 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 eli häipymisen aaltojen ollessa 180  vaihe-erossa (aallot sammuttavat toisiaan). Lisäksi jo pienen viipeen lisäyksen jälkeen tapahtuu konstruktiivisen interferenssi 360  vaihe-erossa, jolloin aallot vahvistavat toisiaan ollen siis hyvä asia, kun vaihe-ero on jakson monikerta. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 10

11 KAKSITIEKANAVAMALLI Mallista saadaan kaksi erillistä interferenssin vaikutusmekanismia riippuen kanavan viipeen ja symbolin keston keskinäisestä suhteesta  m /T (suhteellinen viive): 1.  m /T  0 ja d(t–  m )  d(t): Ei synny ISI:ä. Tapahtuu vain signaalin destruktiivinen häipyminen tai konstruktiivinen interferenssi.  Koska  c  tasan jakautunut välille – ... , summan verhokäyrä on suurilla monitiekomponenttien määrällä joko Rayleigh- tai Rice-jakautunut, koska I- ja Q-komponenteilla Gaussiset amplitudit (käsitelty matematiikan kursseissa).  Rice-jakautuneella on yksi dominoiva komponentti, esim. LOS-signaali.  Rayleigh-jakautuneella ei ole LOS-komponenttia ja siksi Rice- kanavan suorituskyky on Rayleigh-tapausta parempi. 2.0 <  m /T  1 ja d(t–  m )  d(t): Kaiku merkittävästi viivästyneenä LOS-komponentin kanssa päällekkäin, eli syntyy ISI:ä ja tietenkin myös destruktiivista ja konstuktiivistä interferenssiä. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 11

12 P E, KUN: 0 <  m /T  1 JA d(t–  m )  d(t) (S) Symmetrian vuoksi neljälle eri bittikombinaatiolle saadaan: Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 12

13 P E, KUN: 0 <  m /T  1 JA d(t–  m )  d(t) (S) E=½ A 2 T on suoraan edenneen komponentin energia, Z 0 = ½ (A 2 T)/N 0, jossa vain osa kokonaislähetystehosta. Jos  = 0  Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 13

14 BPSK AWGN- kanavassa Ei esiinny ISI:ä. Konstruktiivinen interferenssi dominoi. ISI:ä esiintyy. Destruktiivinen interferenssi dominoi. P E, KUN: 0 <  m /T  1 JA d(t–  m )  d(t)  =  m /T = 0 vastaa BPSK-käyrää AWGN-kanavassa. z m =(1+  )·E/N 0 = (1+  )  z 0 on efektiivinen kokonaisenergia sisältäen heijastuneen komponentin. Koska käyrät on esitetty suoran komponentin z 0 = E/N 0 :n funktiona, joillakin ( ,  m )-arvoilla P E on parempi kuin AWGN. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 14

15 P E, KUN: 0 <  m /T  1 JA d(t–  m )  d(t) (S) SNR:n heikentyminen D kuvaa paljonko lähetystehoa on nostettava, jotta tietty P E -arvo säilytetään. Kun  0, suorituskyky paranee, mikä johtuu kuvien 8.27 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, niin ISI dominoi. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 15 Täällä ISI dominoi ISI:n vaikutus täällä pieni

16 KANAVAKORJAIMEN (EKVALISAATTORIN) PERUSIDEA Monitie-etenemisen aiheuttama ISI voidaan poistaa toteuttamalla vastaanottimeen aikavariantti MF-suodatin eli kanavakorjain (ekvalisaattori), joka kompensoi kanavan siirtofunktion. Se poistaa samalla myös kaistarajoitetun kanavan aiheuttamaa ISI:ä. Sen käyttö on useimmiten välttämätöntä siirtojärjestelmissä. Ongelmana on siis aikariippuvien parametrien  ja  m selvittäminen. Korjain on yleensä FIR-tyyppinen (finite impulse responce) lineaarinen poikittaissuodatin (transversal filter). FIR-suodatinparametrit saadaan selville mm. adaptiivisella algoritmilla, joka päivittää suodattimen ”tappikertoimia” w i ajassa. Joskus kanavakorjain voidaan toteuttaa myös ns. Viterbi-algoritmilla. Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 16

17 FIR-TYYPPINEN EKVALISAATTORISUODATIN Syksy 2015521361A Tietoliikennetekniikka II Osa 8 Kari Kärkkäinen 17 Tappikertoimet määrittelevät impulssivasteen (kertoimet yleisessä tapauksessa kompleksiarvoisia signaalin amplitudin ja vaiheen huomioimiseksi): w i vakiota ajan suhteen  aikainvariantti FIR w i ajan suhteen muuttuvia  aikavariantti FIR n  T ahdollistaa useiden peräkkäisten symbolien ISI:n vaimentamisen.