Βασικές αρχές ασύρματης επικοινωνίας

1. ΒασικέςαρχέςασύρματηςεπικοινωνίαςΒασικέςαρχέςασύρματηςεπικοινωνίας David Tse University of California, Berkeley Pramod Viswanath University of Illinois, Urbana-Champaign

2. 2. Τοασύρματοκανάλι

3. Ασύρματο κανάλι με πολλές διαδρομές Το κανάλι έχει δύο είδη χωρικών διακυμάνσεων: διαλείψεις μεγάλης κλίμακας διαλείψειςμικρήςκλίμακας

4. Διαλείψειςμεγάληςκλίμακας • Στον ελεύθερο χώρο, η εξασθένηση της λαμβανόμενης ισχύος είναι ανάλογη του 1/r2 (αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης). • Αν γίνονται ανακλάσεις ή υπάρχουν εμπόδια, η εξασθένηση μπορεί να είναι ακόμα πιο απότομη όσο αυξάνεται η απόσταση. Η λεπτομερής μοντελοποίηση είναι πολύ σύνθετη. • Οι χρονικές σταθερές που σχετίζονται με τις διακυμάνσεις του καναλιού, κατά τη μετατόπιση του κινητού, είναι πολύ μεγάλες, της τάξης πολλών δευτερολέπτων ή και λεπτών. • Μεγαλύτερη σημασία στην επιλογή της τοποθεσίας των κυψελών, μικρότερη σημασία στο σχεδιασμό συστημάτων επικοινωνίας.

5. ΠολυδιαδρομικέςδιαλείψειςμικρήςκλίμακαςΠολυδιαδρομικέςδιαλείψειςμικρήςκλίμακας • Η ασύρματη επικοινωνία συνήθως υλοποιείται σε πολύ υψηλές συχνότητες των φορέων(για παράδειγμα, fc = 900 MHz ή 1,9 GHz για τα κινητά τηλέφωνα) • Οι πολυδιαδρομικές διαλείψεις οφείλονται στην ενισχυτική και καταστροφική παρεμβολή των μεταδιδόμενων κυμάτων. • Όταν το κινητό μετακινείται σε απόσταση της ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος κύματος του φορέα, το κανάλι μεταβάλλεται. Για κινητά τηλέφωνα που λειτουργούν στη συχνότητα των 900 Mhz, αυτή η απόσταση είναι περίπου 0,3 m. • Αν αναφερόμαστε σε ταχύτητες κίνησης οχημάτων, αυτό συνεπάγεται ότι ο ρυθμός διακύμανσης του καναλιού είναι της τάξης των 100 Hz. • Είναι ο κινητήριος μοχλός του σχεδιασμού συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας.

6. Πλάνοδράσης • Θέλουμε να κατανοήσουμε πώς οι φυσικές παράμετροι • η συχνότητα του φορέα • η ταχύτητα του κινητού • το εύρος ζώνης • η εξάπλωση καθυστέρησης • η γωνιακή εξάπλωση επηρεάζουν τη συμπεριφορά του ασύρματου καναλιού από την προοπτική των συστημάτων επικοινωνίας. • Θα ξεκινήσουμε από τα αιτιοκρατικά φυσικά μοντέλα και θα προχωρήσουμε στα στατιστικά μοντέλα, τα οποία είναι πιο χρήσιμα στην αξιολόγηση του σχεδιασμού και της απόδοσης.

7. Φυσικάμοντέλα • Τα ασύρματα κανάλια μοντελοποιούνται ως γραμμικά χρονικά μεταβαλλόμενα συστήματα: όπου ai(t) και i(t) είναι η απολαβή της κεραίας και η καθυστέρηση της διαδρομής i. • Η κρουστική απόκριση για το χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι είναι: • Πρώτα θα εξετάσουμε την ειδική περίπτωση στην οποία το κανάλι είναι χρονικά αμετάβλητο:

8. Μετατροπή από ζωνοπερατή περιοχή στη ζώνη βάσης • Η επικοινωνία γίνεται στο εύρος • Η επεξεργασία γίνεται στη ζώνη βάσης

9. Ισοδύναμο μιγαδικό κανάλι ζώνης βάσης • Η συχνοτική απόκριση του συστήματος μετατοπίζεται από τη ζωνοπερατή περιοχή στη ζώνη βάσης. • Με κάθε διαδρομή σχετίζεται μια τιμή καθυστέρησης και μια μιγαδική τιμή απολαβής κεραίας.

10. Διαμόρφωσηκαιδειγματοληψία

11. Ανάλυσηδιαδρομών Μοντέλο ισοδύναμου καναλιού ζώνης βάσης με δειγματοληψία: όπου hl είναι η i-οστή μιγαδική θυρίδα καναλιού και γίνεται άθροιση σε όλες τις διαδρομές που ανήκουν στο τμήμα (bin) της καθυστέρησης Το σύστημα αναλύει τις διαδρομές για καθυστερήσεις που φτάνουν και ως το 1/W.

12. Ερμηνείατηςδειγματοληψίας • hl είναι το i-οστό δείγμα της χαμηλοπερατής εκδοχής της απόκρισης hb(¢) του καναλιού. • Η συνεισφορά της i-οστής διαδρομής είναι η προβολή του aib(-i) στο sinc(W-l).

13. Κανάλια επίπεδων (ως προς τη συχνότητα) διαλείψεων και συχνοεπιλεκτικά κανάλια • Όταν η παρεμβολή των πολλών διαδρομών που συνεισφέρουν σε μια θυρίδα καναλιού είναι καταστροφική, τότε προκαλούνται διαλείψεις. Εξάπλωσηκαθυστέρησης Σύμφωνοεύροςζώνης μία θυρίδα, επίπεδες (ως προς τη συχνότητα) διαλείψεις πολλέςθυρίδες, συχνοεπιλεκτικόκανάλι

14. Η απόδοση του καναλιού εξαρτάται τόσο από το φυσικό περιβάλλονόσο και από το εύρος ζώνης!

15. Σύνοψη • Κατανοήσαμε τον τρόπο με τον οποίο η χρονική και συχνοτική επιλεκτικότητα των ασύρματων καναλιών εξαρτάται από κομβικές φυσικές παραμέτρους. • Διατυπώσαμε στατιστικά μοντέλα καναλιών τα οποία είναι χρήσιμα στην ανάλυση και το σχεδιασμό.