Ewolucja systemów radiowego dostępu
Zmiana przepustowości symbolowej
GSM / GPRS / EDGE GSM jest jak pianista, który gra allegro (tj. ruchliwie, wesoło*).
*przepustowość symbolowa modulacji 270 ksps
UMTS / HSDPA / HSUPA UMTS jest jak pianista, który gra prestissimo (tj. w bardzo szybkim tempie*).
*przepustowość symbolowa modulacji 3,84 Msps (14 razy szybciej od GSMu)
LTE LTE jest jak pianista, który gra largo (tj. szeroko*).
*przepustowość symbolowa modulacji 15 ksps (18 razy wolniej od GSMu)
Wniosek Dotychczas zwiększenie przepustowości bitowej realizowano głównie poprzez zwiększenie przepustowości symbolowej modulacji. W LTE zwiększenie przepustowości bitowej realizuje się innymi metodami. Jaka jest zaleta zmniejszenia przepustowości symbolowej modulacji?
Propagacja wielodrogowa
Propagacja wielodrogowa
Interferencje międzysymbolowe
Interferencje międzysymbolowe W systemie o wysokiej przepustowości symbolowej nawet drobne opóźnienia (różnice długości) ścieżek propagacji wielodrogowej powodują wielo-symbolowe przesunięcia pomiędzy ścieżkami, co utrudnia poprawną detekcję sygnału.
Interferencje międzysymbolowe Aby przeciwdziałać zjawisku interferencji międzysymbolowej stosuje się odbiornik grabiowy. Odbiornik grabiowy wymaga znacznych ilości szybkiej pamięci, nakładu obliczeniowego i wydatku energetycznego.
Odbiornik grabiowy finger #1
Sdl,n
1
CDPDCH
Demod.
C 256, 0 Correl.
finger #2 finger #n
Stopień skomplikowania odbiornika grabiowego rośnie wraz ze wzrostem przepustowości symbolowej.
Interferencje międzysymbolowe W systemie o bardzo niskiej przepustowości symbolowej (np. LTE) nawet znaczne opóźnienia (różnice długości) ścieżek propagacji wielodrogowej powodują jedynie drobne względne przesunięcia symboli występujące na granicach między kolejnymi symbolami, a pozostała część symbolu pozostaje wolna od interferencji.
Interferencje międzysymbolowe
Odbiornik LTE odrzuca początkową część symbolu, a dalszej analizie poddaje część symbolu wolną od interferencji.
Wielodostęp
1G FDMA (np. NMT) (dostęp wielokrotny z podziałem częstotliwościowym)
czas
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7 częstotliwość
1G FDMA FDMA jest jak pianino gdzie na kaĹźdej z oktaw gra inny pianista.
2G TDMA (np. GSM) (dostęp wielokrotny z podziałem czasowym)
czas
szczelina czasowa 4 szczelina czasowa 3
szczelina czasowa 2 szczelina czasowa 1 częstotliwość
2G TDMA TDMA jest jak pianino do którego kolejno podchodzą cyklicznie kolejni pianiści aby zagrać po kilka taktów
3G CDMA (np. UMTS) (dostęp wielokrotny z podziałem kodowym) kod
kod 4 kod 3 czas
kod 2 kod 1
częstotliwość
3G CDMA CDMA jest jak orkiestra, gdzie każdy muzyk może korzystać z pełnej skali swojego instrumentu, ale aby sobie nawzajem nie przeszkadzać muzycy grają pod batutą jednego dyrygenta.
System o pojedynczej nośnej NMT (1G), GSM (2G), UMTS (3G) są systemami z modulacją pojedynczej nośnej.
W analogi muzycznej oznacza to, że pianista gra tylko jednym palcem i nie jest w stanie wydobyć z instrumentu więcej niż jednego dźwięku jednocześnie (tj. gra melodycznie).
3G+ OFDMA (np. LTE) (dostęp wielokrotny z ortogonalnym podziałem częstotliwościowym) time
frequency f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7
System o wielu nośnych LTE i OFDMA jest rozwiązaniem wykorzystującym wiele nośnych (max. 1200). W analogii muzycznej oznacza to, że pianista gra wszystkimi palcami i jest w stanie wydobyć z instrumentu więcej niż jeden dźwięk jednocześnie (tj. gra harmonicznie).
System o jednej i wielu nośnych
Wniosek: Pomimo, że dźwięk trwa dłużej, liczba odegranych dźwięków może być wciąż duża, jeśli dźwięki odgrywane są jednocześnie.
OFDMA W LTE maksymalna liczba podnośnych, a zarazem podkanałów częstotliwościowych to 1026.
W analogii muzycznej, pianino zastępuje się instrumentem o znacznie większej skali i o znacznie większej liczbie klawiszy (np. organami).
OFDMA
Skale instrumentu można podzielić na grupy oktaw, a te przypisać różnym organistom.
Szerokość kanału i filtry
Transformata Fouriera F s f x
f x e
j 2 xs
F s e
j 2 xs
dx
ds
Transformata Fouriera t
F
f
t
F
f
t
F
f
Transformata Fouriera Człowiek słyszy „transformatę Fouriera” sygnału akustycznego (komórki rzęskowate w kolejnych odcinkach ślimaka są wyczulone na kolejne zakresy częstotliwości). ton 4 kHz nadawany w sposób ciągły ton 4 kHz nadawany cyklicznie z: • czasem trwania 0.001s, • czasem przerwy 0.001s Dla człowieka są to dwa różne dźwięki, a więc ich transformaty Fouriera są różne.
Transformata Fouriera t
F f
Filtrowanie
f
Filtrowanie
f
zakres pasma niezbędny do poprawnej detekcji sygnału w klasycznym odbiorniku
Filtrowanie, FDMA i OFDMA FDMA f
OFDMA f
Szerokość kanału szerokość kanału
t
F
f
t
F
f
szerokość kanału
Szerokość (pod)kanału System
Przepustowość symbolowa
Szerokość kanału
GSM
270 ksps
200 kHz
UMTS
3840 ksps
5 MHz
LTE
15 ksps
15 kHz
Transformata Fouriera t 66.6 μs (1/15 kHz)
F f 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz
OFDMA
f 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz kHz
MIMO
MIMO (LTE, HSPA) MIMO jest jak dźwięk stereofoniczny…
L
P
MIMO (2x2)
Tx
Rx
MIMO 2x2 w szczególnie sprzyjających warunkach umożliwia uzyskanie dwukrotnego wzrostu przepustowości
Efektywność MIMO Jeśli ścieżki propagacji MIMO są od siebie całkowicie niezależne efektywność MIMO jest bliska maksymalnej (tj. dochodzi do zwielokrotnienia przepustowości równego liczbie anten.
Efektywność MIMO
Jeśli ścieżki propagacji MIMO są od siebie zależne efektywność MIMO jest niewielka (tj. praktycznie nie dochodzi do wzrostu przepustowości).
LTE przepustowości Szczytowa przepustowość
Konfiguracja Kierunek w dół Kierunek w górę
2x2 MIMO/16QAM
172.8 Mbps
57.6 Mbps
4x4 MIMO/64QAM
326.4 Mbps
86.4 Mbps
Długość struktury danych
Długości struktur danych UMTS R99:
10/20/40/80 ms
UMTS (HSDPA): 2 ms LTE:
1ms
TTI
Nadmiarowość kodu (zabezpieczenie)
DĹ‚uga struktura danych (przypadek 1) - niezmienne warunki propagacji podczas transmisji
Długa struktura danych (przypadek 2) - pogorszenie warunków propagacji podczas transmisji
Długa struktura danych (przypadek 3) - poprawa warunków propagacji podczas transmisji
można było przesłać więcej
Kr贸tkie struktury danych
Op贸藕nienie pakietyzacji
Op贸藕nienie pakietyzacji
Op贸藕nienia: UE 1 ms
TTI + frame alignment 1.5 ms
eNode B 1 ms
HARQ RTT 5 ms* 1 ms
1.5 ms
1 ms
* Dla por贸wnania: HSDPA HARQ RTT 12ms, HSUPA HARQ RTT 40ms (min 16ms)
Modulacje cyfrowe BASK, BFSK, BPSK 0 BASK
BFSK
BPSK
1
0
1 t
t
t
Modulacja QPSK
00 QPSK
45 - 00
225 - 11
135 - 01
315 - 10
11
10
01 t
BPSK modulation (I/Q diagram) 180 - 1
0 -0
A
A
φ
φ
Q {Im}
φ 1
A
Aφ
0 I {Re}
QPSK modulation (I/Q diagram)
Q {Im} 135 - 01
45 - 00 01
00
I {Re} 11
225 - 11
10 315 - 10
Interference sensitivity TxBPSK 1
C 0
RxBPSK
I 1 0
ERROR
TxQPSK 01 00
11 10
RxQPSK
C I
01
00
11
10
Modulations for mobile systems
BPSK (1 bit/symbol)
QPSK (2 bits/symbol)
16QAM (4 bits/symbol)
32QAM (5 bits/symbol)
64QAM (6 bits/symbol)
Modulacje w systemach kom贸rkowych
GSM
UMTS
LTE
GMSK
QPSK
8PSK
16QAM
32QAM
64QAM
4 symbols (1 bit/symbol)
4 symbols (2 bits/symbol)
8 symbols (3 bits/symbol)
16 symbols (4 bits/symbol)
32 symbols (5 bits/symbol)
64 symbols (6 bits/symbol)
R99 EDGE
R7 eEDGE R7 eEDGE
R5 HSDPA R7 HSUPA
R7 eHSPA (DL only)