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

Table of Contents