Преодоление ограничений скорости передачи по беспроводному каналу

С развитием беспроводных технологий все более остро проявляется проблема увеличения скорости передачи. Так, одна из главных задач мобильной связи 3G — обеспечение высокой скорости связи, на порядки превышающей возможности существующих технологий. Речь идет не столько о пиковых скоростях, сколько о повышении скорости обмена на всем радиусе охвата сети, в т.ч. на краю зоны покрытия.

Фундаментальные ограничения

Согласно формуле Шеннона, максимальная скорость передачи данных С (пропускная способность или емкость канала связи) вычисляется следующим образом:

, (1)

где C — емкость канала в бит/с; BW — полоса пропускания канала, Гц; S — полная мощность принятого сигнала; N — полная мощность аддитивного гауссова шума; S/N — отношение сигнал-шум.

Из выражения (1) видно, что скорость передачи ограничивают два фундаментальных фактора: мощность принятого сигнала, или в более общем случае — отношение сигнал-шум, и полоса пропускания.

Пусть обмен идет с постоянной скоростью R. Тогда мощность принятого сигнала S = Eb.R, где Eb — величина энергии на бит информации, а мощность шума может быть выражена как
N = N0.BW, где N0 — постоянная спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц.

Учитывая, что скорость передачи информации не может превышать емкость канала и подставляя выражения для S и N в (1), получаем:

 

(2)

Обозначив отношение R/BW за γ — коэффициент использования полосы частот, получаем окончательное выражение:

. (3)

Перепишем это выражение, чтобы получить минимальное количество энергии на бит информации, отнесенное к плотности шумовой мощности:

. (4)

Зависимость (4) приведена на графике на рисунке 1. Видно, что при γ << 1, когда скорость передачи информации много меньше используемой полосы частот, отношение Eb/N0 становится практически постоянным относительно γ. При заданном уровне плотности шума увеличить скорость передачи можно, увеличив мощность информационного сигнала S = Eb.R. При γ >> 1 отношение Eb/N0 быстро растет с увеличением γ. В этом случае, если не изменять полосу частот, для сравнительно малого увеличения скорости передачи требуется значительное увеличение мощности сигнала.

Рис. 1. Зависимость отношения Eb/N0 в приемнике от коэффициента использования полосы

Уровень шума в канале

Скорость передачи информации зависит от уровня шума в канале связи — чем сильнее шум, тем выше должна быть мощность полезного сигнала. Если по тем или иным причинам увеличить мощность передаваемого сигнала нельзя, то мощность принимаемого сигнала может быть увеличена за счет сокращения расстояния между приемником и передатчиком. Проходя меньшую дистанцию, сигнал затухает слабее. Таким образом, теоретически скорость передачи данных всегда может быть увеличена.

Другой способ повысить мощность сигнала при заданной передаваемой мощности — использовать дополнительные приемные антенны. При сложении сигналов, принятых с разных антенн, отношение сигнал-шум может быть увеличено пропорционально количеству антенн. Соответственно, увеличится и скорость передачи данных. Однако следует иметь в виду, что этот способ работает только до некоторого предела, а именно, пока скорость передачи ограничена недостаточной мощностью сигнала, а не полосой частот. Эффективнее использовать несколько антенн на обоих концах канала (MIMO), и об этом будет сказано ниже.

Третий способ предполагает не увеличение мощности информационного сигнала, а уменьшение уровня шума. Плотность мощности шума в приемнике можно уменьшить схемотехнически, однако это предполагает изменение схемы приемного тракта, что не всегда желательно.

Зачастую источником помех в канале являются другие станции сети или соседние каналы связи. В основном, с интерференционными помехами борются, как и с шумом: увеличением отношения мощностей информационной и интерференционной составляющих, повышением эффективности использования канала (например, с помощью частотного уплотнения), использованием нескольких антенн либо уменьшением зоны покрытия. Последний способ позволяет уменьшить интерференционные помехи за счет уменьшения количества абонентов. Использование нескольких передающих антенн увеличит передаваемую мощность и сфокусирует сигнал в направлении приемника.

Основное различие между интерференционными помехами и шумом в канале заключается в том, что внешние помехи, по крайней мере, отчасти детерминированы, поэтому их можно ослабить или полностью убрать, например, методом пространственной обработки с помощью нескольких приемных антенн или путем подавления соответствующих частот в спектре.

Увеличение скорости в канале с ограниченной полосой частот

Как мы уже упоминали, увеличение скорости передачи данных за счет повышения коэффициента γ неэффективно в смысле расхода мощности. Тем не менее в беспроводных сетях, в т.ч. 3G, эта методика широко применяется. Эффективность использования канала повышается за счет различных видов модуляции высокого порядка, когда в одном передаваемом символе содержится несколько бит информации.

В первых версиях стандарта 3G использовалась квадратурная фазовая модуляция (QPSK), затем ее заменили на квадратурную амплитудную модуляцию 16QAM и 64QAM, которая позволяет передать, соответственно, в два и три раза больше информации при той же полосе частот.

В схемах QAM модулированный сигнал содержит две несущие, сдвинутые относительно друг друга на 90°. Информация содержится в амплитуде и фазе сигнала. Модуляция QPSK является частным случаем QAM, когда амплитуда сигнала остается постоянной.

Поток исходных данных делится на символы по n бит каждый. Всего получается 2n состояний. Символы поступают в приемник и демодулируются, после чего результаты объединяются для восстановления исходного двоичного кода.

С одной стороны, QAM повышает эффективность использования канала за счет одновременного изменения двух параметров сигнала. С другой, она более чувствительна к шуму, т.к. точки на фазовой диаграмме располагаются ближе друг к другу. Недостаток QAM заключается в том, что схема должна быть строго линейной, чтобы не допустить искажений амплитуды.

Поскольку в базовых станциях требования к эффективности усилителей мощности мягче, модуляция QAM больше подходит при передаче данных от станции к абоненту.

Нестойкость модулированного сигнала к шуму устраняют помехоустойчивым кодированием. Приведем пример. Если требуется эффективность использования канала, близкая к 2 битам информации на символ, модуляция QPSK позволит применить лишь ограниченное кодирование канала (скорость кодирования близка к 1). Модуляция 16QAM позволяет закодировать канал со скоростью ½. Аналогично, если эффективность должна составлять 4 бит на символ, то 64QAM оказывается более эффективной, чем 16QAM, учитывая возможность кодировать канал с меньшей скоростью.

Таким образом, для данного отношения сигнал-шум существует оптимальная по использованию канала комбинация схемы модуляции и скорости кодирования.

Расширение полосы

Высокой скорости передачи данных в ограниченной полосе можно достичь только тогда, когда отношение сигнал-шум достаточно велико. Учитывая, что быстродействие и качественное покрытие — главные цели технологий 3G, можно предположить, что поддержка широкополосной передачи — неотъемлемая часть технологии.

С широкополосной передачей данных связано несколько проблем: нехватка доступного спектра, сложность оборудования и временная дисперсия в канале. Последняя приводит к искажению сигнала и возникает из-за того, что передаваемый сигнал распространяется к приемнику несколькими путями с разными задержками (см. рис. 2а). В частотной области временная дисперсия соответствует непостоянному частотному отклику (см. рис. 2б). Эта частотная селективность ухудшает частотные характеристики передаваемого сигнала и повышает вероятность возникновения ошибок.

Рис. 2. Неоднозначность распространения сигнала (а) и частотный отклик (б)

При движении приемника его частотный отклик меняется, т.к. изменяются пути распространения сигнала. Происходит смещение несущей из-за эффекта Доплера fD = v/c . fc, где v — скорость мобильного устройства; fc — несущая; c — скорость света. Выравнивание на приемном конце, которое применяется в относительно низкочастотных устройствах (до 5 МГц), для устройств стандарта 3G не подходит, поскольку существенно усложняется схема.

Наиболее распространенные методы расширения полосы — разделение канала. Для беспроводных и радиовещательных сетей обычно применяется частотное (FDM) и кодовое (CDM) уплотнение, которые уже упоминались.

Передача на нескольких несущих

Один из способов увеличения полосы частот передаваемого сигнала без увеличения искажения из-за частотной селективности — использование нескольких несущих. Как видно из рисунка 3, этот способ передачи предполагает разбиение широкополосного сигнала на несколько узкополосных поднесущих, передаваемых по одному каналу одному приемнику. При передаче М параллельных сигналов скорость потока данных может быть увеличена в М раз. Однако из-за большей подверженности искажениям на практике выигрыш всегда оказывается скромнее.

Рис. 3. Схема передачи на одной и нескольких несущих

Данная методика применяется, например, в технологии WCDMA (широкополосный доступ с кодовым разделением каналов). WCDMA представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (DS-CDMA). Скорость передачи модулированного сигнала равна 3,84 Мчип/с (чип — закодированная квазислучайная последовательность CDMA). Однако используемая полоса частот превышает 3,84 МГц и достигает 4,7 МГц (см. рис. 4).

Рис. 4. Теоретический спектр сигнала WCDMA

Присущая системам WCDMA большая ширина полосы на несущей обеспечивает не только высокие скорости передачи данных, но и определенные преимущества в работе, например в каналах с повышенной многолучевостью. Не нарушая полученной лицензии на работу системы, оператор может использовать несколько таких несущих с полосой 5 МГц для увеличения пропускной способности.

Недостаток данного подхода заключается в неполном использовании канала (впадины в спектре на рисунке 3). Кроме того, в модулированном сигнале, как и в случае модуляции высокого порядка, появляются сильные всплески мгновенной мощности, которые снижают эффективность усилителей мощности на всем диапазоне.

Литература

1. Erik Dahlman. Wireless data rates//
www.embedded.com/210003604?pgno=1.

2. Е. Самкова. Увеличение ресурсов сети//Электронные компоненты, №6. 2009.

3. Е. Самкова. Виды модуляции сигналов//Приложение к журналу «Электронные компоненты». №5. 2009.

4. http://wcdma3g.ru.