Опубликован: 03.05.2012 | Доступ: свободный | Студентов: 2641 / 447 | Оценка: 4.39 / 4.14 | Длительность: 19:41:00
Лекция 8:

Основы ортогонального доступа с частотным разделением каналов (OFDMA).

Адаптивная Модуляция и Кодирование (ADAPTIVE MODULATION AND CODING)

Беспроводные системы связи используют такие современные решения адаптивную модуляцию и кодирование. Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ -Hybrid Automatic Repeat Request) и Индикатор Качества Канала (CQI -Channel Quality Indicator) чтобы учитывать изменения в канале и приспосабливать его к текущему состоянию.

Адаптивная Модуляция в OFDMA. В системе OFDMA, каждому пользователю распределен блок поднесущих частот, каждая из которых имеет различный набор SNR (Signal to Noise Ratio - отношение сигнал-шум). Поэтому, надо обратить внимание, чтобы набор совокупности модуляции/ и скорости кодирования были выбраны с учетом изменяющихся SNR поднесущих частот.

Основная идея весьма проста: применять методы модуляции и кодирования, рассчитанные на передачу данных как можно на более высокой скорости, когда канал в хорошем состоянии, и передавать на более низкой скорости, когда канал плохой, чтобы избежать чрезмерного числа забракованных пакетов. Более низкие скорости передачи данных получаются, в случае применения совокупности средств – "созвездий" (constellation)с малой исправляющей способностью.

Мобильный широкополосные системы связи поддерживают различные виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является поддержка QPSK(Quadrature Shift Keying – Квадратурно-фазовая манипуляция), 16QAM и 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation Квадратурно амплитудная модуляция).

В направлении "вверх"(UL) может применяться 64QAM. Для кодирования могут применяться:

  • сверточное кодирование (CC- Convolution Coding);
  • сверточное турбо - кодирование (CTC Convolution Turbo Coding) с переменной скоростью кода и повторным кодированием;
  • блочное турбо - кодирование (BTC- Block Turbo Code)
  • кодирование низкой плотности с проверкой на четность (LDPC –Low Density Parity Check Coding);

В целом, в настоящее время можно применить свыше пятидесяти различных конфигураций типа модуляции и кодирующих и скоростей, из множества реализаций будут применяться в широкополосных системах только часть из них. Эти конфигурации называются профили пакета, и перечислены в табл. 8.5 (принципы модуляции см. главу 4).

таблица 8.5.

Таблица 8.5. Применяемые коды и модуляции
Модуляция Вниз Вверх
QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM
Кодирование Сверточное 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
Турбокод 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
Повторение x2, x4, x6 x2, x4, x6

Блок-схема системы AMC приведены на рис. 8.12.

Блок – схема адаптивной модуляции и кодирования

Рис. 8.12. Блок – схема адаптивной модуляции и кодирования

Для простоты, мы сначала рассмотрим только единственную пользовательскую систему, пытающуюся передать информацию насколько возможно быстро через канал с переменным отношением SNR - Signal to Noise Ratio, например из-за замираний. Цель передатчика состоит в том, чтобы передать данные так, чтобы они были надежно демодулированы и декодированы в приемнике.

В результате сравнения производительности и  текущего SNR предполагается лучшая  система  средств  и конфигурация кодирования выбранная для каждого значения SNR. На этом  рисунке показаны только 6 конфигураций и турбо декодеров с максимальным 8 –ми кратным повторением передачи информации

Рис. 8.13. В результате сравнения производительности и текущего SNR предполагается лучшая система средств и конфигурация кодирования выбранная для каждого значения SNR. На этом рисунке показаны только 6 конфигураций и турбо декодеров с максимальным 8 –ми кратным повторением передачи информации

рис. 8.13 показывает, что, используя шесть из типов модуляции и кодирования из возможных профилей можно достигнуть большого диапазона спектра. Это позволяет увеличить производительность при увеличении SNR согласно формуле Шеннона:

C = Blog_2 (1 + S / N ) = Blog_2 (1 +SNR)
  • C — eмкость канала; бит/с
  • B — полоса пропускания канала, Гц
  • S — полная мощность сигнала над полосой пропускания, Вт
  • N — полная шумовая мощность над полосой пропускания, Вт
  • S / N —отношение сигнала к шуму (SNR), выраженное как отношение мощностей

В этом случае, самая низкая предлагаемая скорость данных использует модуляцию - QPSK и скорость кодирования 1/2 Турбо кодом, в то время как самая высокая скорость данных использует - 64QAM и скорость кодирования 3/4 Турбо кодом. Достигнутая производительность, нормализованная к ширине полосы частот определятся [Jeffrey Andrew]

T = (1-BLER)\times r\times\log_2 (M) \text{\qquad бит в сек/Гц } ( 8.2)

где

  • BLER - коэффициент ошибок блока,
  • r \leqslant 1- скорость кодирования,
  • М - число точек в системе модуляции совокупности.

Например, 64QAM (M =2^6) со скоростью кодирования r =3/4, достигает максимальной производительности 4,5 битов в сек/Гц (при BLER= 0), в то время как QPSK(M =2^2) со скоростью кодирования 1/2, достигает максимальной производительности 1 бит в сек/Гц.

Настройка Адаптивной Модуляции и управления кодированием.

Ключевая проблема, что AMC должна эффективно управлять тремя различными величинами сразу: мощность передачи, скорость передачи (совокупность), и скорость кодирования. Это соответствует развитию соответствующей стратегии для контроллера AMC, показанного на рис. 8.12.

На рисунке управление модуляцией происходит путем выбора:

  • кодов:
  • выбора формы преобразования символов
  • выбора мощности передачи.

Эти процессы происходят в зависимости от данных поступающих по каналу индикатора качества. Хотя разумные рекомендации могут быть разработаны, исходя из теоретического изучения адаптивной модуляции. На практике системный инженер должен разработать алгоритм точной настройки, основанный на большом числе опытов моделирования, потому что рабочие характеристики зависят от многих факторов. Ниже мы перечислим и рассмотрим несколько из них, которые ни в коем случае не исчерпывают все случаи.

Индикатора Качества Канала (CQI)

Информация обратной связи является очень важной для модуляции и кодирования: передатчик должен знать "отношение входного сигнала к шуму" -SNR для данного канала, \gamma - который определяется как полученный SNR \gamma_r разделенный на мощность передачи P_t (которая является обычно функцией\gamma). Полученный SNR - таким образом, равен

\gamma_r=P_t\times\gamma

Индикатора Качества Канала (CQI) используется для того, чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от пользовательских терминалов к программе - планировщику базовой станции. Информация о состоянии, передаваемая по каналу CQICH может включать в себя: оценку интерференции и коэффициента сигнал/шум, выбор частоты и способа работы антенн (MIMO) для отдельного канала. При дуплексном режиме с временным разделением для адаптации каналов может использоваться процедура более точного измерения состояния каналов (периодическое зондирование состояния каналов.).

  • BLER(Block Error Rate – коэффициент ошибок по блокам) и полученный SNR. В адаптивной теории модуляции, передатчик должен только знать статистику и мгновенный шум канала SNR. Зная отношение сигнал - шум канала - SNR, передатчик может определить оптимальную стратегию кодирования/модуляции и мощность передачи. Однако на практике, BLER должен тщательно проверяться на устойчивость, прежде чем решить, должна ли быть увеличена или уменьшена скорость передачи данных (если BLER низкий).
  • Автоматический Повторный Запрос (ARQ - Automatic Request Repeat). Для улучшения пропускной способности системы применяется Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ> -Hybrid Automatic Repeat Request). Он позволяет использовать N каналов в старт-стопном режиме с поблочным повторением. ARQ позволяет быстрые повторение передачи в случае, и ARQ вообще улучшает идеальный BLER (отношение блоков принятых с ошибками к общему числу переданных блоков) в к, использующий точку примерно в 10 раз.

При использовании этого старт стопного метода, после отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное - ACK или отрицательное - NAK) источник передает следующий кадр или повторяет предыдущий. Многоканальный стартстопный режим с небольшим числом каналов - эффективный, простой протокол, который минимизирует память.

Иногда применяется сигнализация, позволяющую работу в асинхронном режиме, что обеспечивает устойчивость работы в условиях переменной задержки. При ретрансляции сигналов это дает больше гибкости программе - планировщику, но требует размещения лишней информации в заголовке при каждой ретрансляции.

Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ) вместе с Каналом Индикатора Качества Канала (CQICH) и адаптивной модуляцией и кодированием обеспечивает (AMC – Adaptive Modulation and Coding) обеспечивает помехоустойчивую линию связи. Эта линия с большим энергетическим запасом, обеспечивающая мобильную связь в различной окружающей среде при скорости передвижения свыше 120 км/час.

Сергей Соловьенко
Сергей Соловьенко
Украина, Киев, verna.ua, Remote Support Engineer
Алмаз Зарипов
Алмаз Зарипов
Россия, Набережные Челны