View page as slide show

Langaton Tietoliikenne

Kohina ja häiriö

  • Kohinainen ympäristö (Noise Limited)
    • Yhden kommunikoivan parin tapauksessa ihmisen aiheuttamat kohinat (noise) ovat määräävinä
    • Vaimennus suurin huolenaihe
  • Häiriöinen ympäristö (Interference limited)
    • Useiden kommunikoivien parien tapauksessa muiden käyttäjien häiriöt määräävinä
    • co-channel, adjacent-channel
    • Edellinen malli sisällytettävissä

Kohina

  • Aiheutuu muista ilmassa liikkuvista signaaleista.
  • Neljä eri tyyppistä kohinaa
    1. Lämpökohina (Thermal noise)
    2. Keskinäismodulaatiokohina (Intermodulation noise)
    3. Ylikuuluminen (Crosstalk)
    4. Impulssi kohina (Impulse noise)

Lämpökohina

  • Johtuu lämmön aiheuttamasta elektronien liikkeen kasvusta
    • Esiintyy kaikissa kommunikointimedioissa ja sähköisissä laitteissa
    • Ei voida eliminoida
  • Jakautuu tasaisesti kaikille taajuusalueille
    • Valkoinen kohina (white noise)
    • Ei ole riippuvainen signaalin taajuudesta
  • Yhden hertsin kaistalla Lämpökohinan määrä on:
    \Huge N_{0}=kT(W/Hz)

\Huge N_{0} = Kohinan voimakkuus watteina / 1 Hz kaistanleveys
k = Boltzmannin vakio (~1.38*10^{-23}J/K)
T= lämpötila Kelvineinä

  • Yleisesti kohina kaistanleveydelle
    \Huge N=kTB
  • desibeliwatteina:

\Huge N=10\log(k)+10\log(T)+10\log(B)
\Huge -228.6dBW+10\log(T)+10\log(B)

  • Esimerkki: Huoneen lämpötila on 17 astetta, laske lämpökohina 1 Hertzin kaistalle desibeli-watteina

\Huge -228.6dBW+10\log(290.15)+10\log(1) =\\ (-228.6+24.6+0)dBW/Hz = -204dbW/Hz

Keskinäismodulaatiokohina

  • Samaa siirtotietä käyttävät eritaajuudella olevat signaalit häiritsevät toisiaan
  • Lähetettäessä signaalia taajuuksilla \Huge f_{1}ja \Huge f_{2}voi lähetys aiheuttaa häiriötä taajuudella \Huge(f_{1}+f_{2})
  • Syynä yleensä vialliset laitteet.

Ylikuuluminen (Crosstalk)

  • Muut kommunikointisignaalit kuuluvat läpi.esim vierekkäiset johdot häiritsevät toisiaan
  • Vastaanotin ottaa vastaan toisen kommunikointilinkin signaaleja
  • Yleistä ISM-kaistalla

Impulssi kohina

  • Lyhyitä voimakkaita energia piikkejä
  • Häiritsee enemmän digitaalista kuin analogista kommunikointia.
  • Ei voida ennustaa kuten muuta kohinaa

Signaalin bitin energia kohina suhde

  • Signaalin energia per bitti suhteessa kohinan voimakkuuteen per yksi hertsi \\E_{b}/N_{0}
  • Käytetään signaalikohinasuhteen (SNR) sijaan digitaalisessa tiedonsiirrossa

\Huge \frac{E_{b}}{N_{0}}=\frac{S/R}{kT}=\frac{S}{kTR}\\
E_{b}= Energia bittä kohden(W =J/s)
R = siirtonopeus (bps)
S= Signaalin voimakkuus

  • Desibeleinä: \Huge (\frac{E_{b}}{N_{0}})_{db}=S_{dBW}-10\log(R)-10\log(T)+228.6\, dBW

Siirtovirheiden määrä (BER, bit error rate)

  • BER digitaaliselle datalla on funktio suhteesta
    • Siirtonopeuden kasvaessa pitää signaalin voimakkuutta lisätä jotta \Huge E_{b}/N_{0} säilyy
  • \Huge E_{b}/N_{0} ei ole riippuvainen kaistanleveydestä kuten SNR vaan on määritetty yhden hertsin kaistalle
    \Huge \frac{E_{B}}{N_{0}}=\frac{S}{N_{0}R}
  • Shannonin kaavaa hyödyntäen voidaan laskea tarvittava E_{b}/N_{0} suhde jotta saadaan haluttu siirtotehokkuus käytetylle kaistalle (spectral efficiency) C/B
    \Huge C=B\log_{2}(1+\frac{S}{N})\Rightarrow\frac{S}{N}=2^{\frac{C}{B}}-1
  • Korvataan siirtonopeus R koko kaistankapasiteetilla C ja yhdistetään kaavat

\Huge \frac{E_{b}}{N_{0}}=\frac{B}{C}\,(2^{\frac{C}{B}}-1)

  • Laske tarvittava \Huge E_{b}/N_{0} suhde, jotta saavutetaan spektri tehokkuus 6 bps/Hz (V: ~10.21 dB)

Co-channel interference

  • Kanavan sisäinen häiriö
    • Kaksi tai useampia kommunikointi-kanavia käyttää samaa taajuutta
    • Syynä usein taajuusalueen tehokkaampi hyödyntäminen (kapasiteettia lisää)
  • Ei riipu lähetystehosta
    • Riittää, että minimilähetysteho ylitetään (kohinaisen ympäristön asettama raja)
    • Mitä tahansa lähetystehoa voidaan käyttää (jos samaa käytetään kaikkialla)
  • Co-channel häiriötä voidaan vähentää esimerkiksi suuntaavilla antenneilla, antennin korkeutta säätämällä
    • Verkkosuunnitelu on tärkeää
  • co-channel reduction factor (yhteiskanavan vähennyskerroin) \Huge a=\frac{D}{R}

Kukin tukiasema kattaa oman alueensa (säde R)
Kahden samaa taajuutta käyttävän solun välinen etäisyys D

  • vähennyskerroin voidaan määrittää halutulle signaalihäiriö-tasolle (\Huge N_{0} voidaan lisätä häiriöön, jos kohinaa on merkittävästi)

\Huge \frac{S}{I}=\frac{S}{\sum_{i=1}^{M}I_{i}}=\frac{R^{-\gamma}}{\sum_{i=1}^{M}D_{k}^{-\gamma}}
M = häiriölähteiden määrä (esim tukiasemien määrä)
I= häiriön määrä
\Huge \gamma=signaalin vahvuuden määrityksen etenemismallista riippuva potenssi (free space propagation = 2, kahdenpolun etenemisellä =4), määrittää etenemisvaimennuksen (-4 → 40dB/dec vaimennus) (etenemisvaimenemisen potenssi)

Adjacent-channel interference (viereisten kanavien häiriö)

  • Jako
    • In-band (kanavan sisäinen): co-channel tyyppinen eikä kontrolloitavissa.
    • Out-of-band (kanavan ulkopuolinen: Häriötä voidana kontrolloida suotimilla.
  • Tyypit
    • Naturally adjacent channels
      • Taajuusalueella vierekkäiset kanavat
    • System adjacent channels
      • Kanava-alueessa vierekkäiset kanavat huomioiden myös kanavien välinen erotus
  • Suotimen vaikutus \Huge L_{dB}=K\log_{2}(\frac{f_{2}}{f_{1}}) \simeq\frac{K}{0.3}\log(\frac{f_{2}}{f_{1}})

K = suotimen tehokkuus (slope) (esim. 6dB)
\Huge f_{1}= signaalin reuna taajuuden etäisyys kantoaallon taajuudesta (eli kaistanleveys/2)
\Huge f_{2}= Viereisen kanavan etäisyys kantoaallosta.

  • Esim: K= 6 dB/oct suodatin, kaistanleveys 30 kHz
    • Kanavan laidalla ollaan siis 15 kHz signaalin keskuksesta
    • Lasketaan vaimennus signaalille 240 kHz päässä kantoaallosta

\Huge L_{dB}=\frac{6}{0.3}\log\frac{240}{15}=24dB

  • Signaalin teho vaimenee siis 24 dB, mikäli se vastaanotetaan 240 kHz päässä kanavan keskuksesta
  • Lisäksi huomioitava etenemisvaimennukset
  • Jos kohde on kauempana kuin häiriölähde
    Lisävaimennus=\Huge 40\log(\frac{d_{1}}{d_{2}})
  • Yhdistämällä kaavat saadaan

\Huge (  \frac{d_{1}}{d_{2}})^{4}=(\frac{f_{2}}{f_{1}})^{\frac{K}{3}}\Rightarrow \\ f_{2}=f_{1}(\frac{d_{1}}{d_{2}})^{\frac{12}{K}}

  • Kun taajuus f2 on löydetty, niin kanavien välille tarvittave erotus voidaan laskea

Kanava-erotus\Huge =\frac{\mid f_{2}-f_{1}\mid}{B}

  • Häiriötä voidaan vähentää joko
    • Kasvattamalla etäisyyttä (D/R)
    • Kasvattamalla taajuuksien väliä (\Huge|f1 - f2|)

Keskinäismodulaatio (ristimodulaatio, Intermodulation (IM)

  • Keskinäismodulaatiota esiintyy epälineaarisen signaalinkäsittelyn takia (vrt. keskinäismodulaatio kohina)
    • Käytettyjen taajuuksien monikerrat.
  • IM termejä tuottaa signaalin ajaminen:
    • Vahvistimeen (Power amplifiers)
    • Rajoittimeen (Hard limiters)
  • IM termien välttäminen vaatii kaistanleveyden kasvattamista

Near-end-to-far-end ratio

  • near-far interference
  • Etäisyyden kasvattaminen päätelaitteiden välillä auttaa aina pienentämään signaalin häiriöitä
  • Mobiilikommunikoinnissa on kuitenkin yksi tapaus, missä etäisyydestä voi olla haittaa
    • Oletetaan että mobiilit liikkuvat tukiaseman alueella (lähempänä tai kauempana)
    • Kaksi mobiilia lähettää signaalin yhtä aikaa
    • Lähempää saapuva signaali on voimakkaampi kuin kauempaa saapuva ja voi peittää heikomman alleen ⇒ near-end-to-far-end ratio interference

Near-end-to-far-end ratio \Huge=X\log\frac{d_{2}}{d_{1}}
\Huge d_{1}= Halutun signaalin etäisyys tukiasemasta (far end)
\Huge d_{2}= Häritsevän signaalin etäisyys tukiasemasta (near end)
X = etenemisvaimennus etäisyyden suhteen \Huge(db/dec)

  • Esimerkki:
    • Olkoot molempien mobiileiden lähetysteho sama, \Huge Tx_{1} haluttu signaali etäisyydellä \Huge d_{1} = 16 km ja Tx_{2} häiritsevä signaali etäisyydellä \Huge d_{2} = 0.8 km. Käytetään 40 dB/dec etenemisvaimennusta
    • Suhteeksi saadaan \Huge 40\log\frac{0.8}{16} \simeq -52 Eli kauempana lähtenyt signaali on 52 desibeliä lähempänä olevaa signaalia heikompi.
    • Vaikutuksenminimoimiseksi täytyy signaaleiden taajuusero olla riittävä. \Huge \frac{f_{2}}{f_{1}}=10^{\eta} \\ 
\eta=\frac{L*0.3}{K}, jossa

K=Suodin, L= on far-end-to-far-end-ratio

  • Jos käytössä on 12 dB/oct suodin. Taajuuksien suhde tulee olla edellisessä esimerkissä 20.
  • Ongelma esiintyy kahdessa tapauksessa
    • mobiililta tukiasemalle
    • mobiililta mobiilille
  • Ongelmaa voidaan pienentää
    • Taajuusjaolla (kanava jako)
    • Tehosäätelyllä (kauempana oleva lähettää kovemmalla teholla kuin lähempänä oleva)

Intersymbol interference (ISI)

  • Lähetetty signaalin “kopiot” aiheuttavat häiriöitä vastaanotossa.
  • Johtuu vastaanottimen liikkeestä sekä monitiestä.
    • Hajaantuneet signaalit aiheuttavat häiriöitä toisilleen.
    • Yksi tai useampi kopio samasta signaalista saapuu hieman viivästyneenä vastaanottimella häiriten primääripulssin loppupään bittejä
    • Heijastuvan signaalin matka on pidempi kuin LoS signaalin
  • Signaalin vaihe voi muuttua heijastuessa
    • Maasta heijastuva signaalin vaihesiirtymä on 180^{\circ}, jolloin LoS signaali ja heijastunut signaali kumoavat toisensa
  • Rajoittaa siirtonopeutta

Simulcast interference

  • Liittyy audioinformaation siirtoon kahdella tai useammalla samaa taajuutta käyttävällä lähettimellä
  • Tarkoituksenmukainen multipath ominaisuus
  • Voidaan käyttää joissakin järjestelmissä (paging) tavoitettavuuden parantamiseksi

Local scatterers (paikallinen heijaste)

  • Aiheuttavat lyhyt aikaista häipymistä
  • Vaatimukset paikalliselle heijasteelle
    • heijastajan täytyy olla aallonpituutta suurempi
    • antenni ei saa olla heijastajaa korkeammalla
  • Esimerkiksi lähellä olevat talot

Taajuus suunnittelu

  • Taajuussuunnittelu on tarpeen häiriöiden minimoimiseksi
  • Kun häiriötasot tiedetään, voidaan taajuuksien uudelleenkäyttöä harkita
    • A = D/R määrittää etäisyydet
    • average / worst case
  • Taajuuksien uudelleenkäyttö
  • Tavoitteena palvella mahdollisimman monia käyttäjiä (kapasiteetti)
  • Taajuuksien uudelleenkäyttö aiheuttaa häiriöitä
    • C/I:lle märitelty tasot kanavan kaistan suhteen
Last modified: 2013/07/01 14:42