1 Úvod do předmětu A Informace o předmětu Předmět je určen pro studenty doktorského studijního programu na VUT. Na jeho vytvoření se podíleli Ing. Jan Šimša, CSc. z AV ČR, prof. Miroslav Kasal, prof. Stanislav Hanus, doc. Aleš Prokeš, doc. Otakar Wilfert a prof. Vladimír Šebesta. Snahou autorů bylo presentovat současné přístupy k řešení úkolů rádiové komunikace a poukázat na hlavní předpokládané směry rozvoje metod a prostředků. Výuka je rozdělena do 13 tříhodinových přednášek a probíhat bude v letním semestru. Látka začíná vybranými teoretickými nástroji a rychle přechází k praktickým metodám. B Náplň předmětu 1. Úvod do moderních bezdrátových komunikačních systémů. Obsah kurzu. Nadějné metody v rádiové komunikaci. MIMO. 2. Teorie radiokomunikačních signálů. Množiny signálů s diskrétním časem a se spojitým časem, zobrazení. Prostory signálů. Úplné ortonormální systémy a jejich aplikace při zpracování a přenosu signálu. Ortogonální rozprostírací posloupnosti. Ortogonalita u signálů UWB. Diskrétní náhodné procesy a jejich počítačové modelování, komplexní náhodné procesy. Rozprostírací posloupnosti PN. 3. Systémy s rozprostřeným spektrem Systémy s přímým rozprostřením, optimální příjem v AWGN kanálu, odolnost proti interferencím, frekvenční diverzita, vícecestné šíření, přijímač typu hrábě (Rake), počáteční kódová synchronizace. Systémy s frekvenčním skákáním (SFH, FFH), s časovým skákáním. Metody počáteční kódové synchronizace přijímače signálu s přímým rozprostřením spektra. Základní třídění systémů s více nosnými Ortogonální frekvenční multiplex (OFDM). Systémy pracující v kódovém multiplexu CDM. CDMA, signatury, přizpůsobený filtr, čipový přizpůsobený filtr.multiuživatelská interference (MUI), optimální detektor, citlivost na výkonovou nevyváženost signálů multiplexu (near-far problem), Dominantní interference v multiuživatelském prosředí, asymptotická multiuživatelská účinnost, dekorelující detektor, MMSE detektor, adaptivní detektory, nezbytné apriorní informace a synchronizace pro jednotlivé typy detektorů. 4. Zpracování radiokomunikačních signálů Synchronizace, obnova nosné vlny, odhad fáze, PLL (Phase-Locked Loop), obnova časování symbolů, využití ML (Maximum Likelihood) algoritmu, DLL (Delay-Locked Loop). Ekvalizace, ISI, ekvalizéry ZF (Zero Forcing), MMSE (Minimum Mean Square Error), LS Least Squares), DF (Decision Feedback), přijímač MLSE (Maximum Likelihood Sequence). 1
5. Mobilní komunikace Koexistence mobilních systémů a její modelování v programu MATLAB (Bluetooth, WiFi, UMTS, GSM). Systém WiMAX (standard IEEE 802.16), popis možností řešení fyzické vrstvy. Základní body návrhu spojení z pohledu úrovní signálu a kmitočtového plánu. Systém Flarion (standard IEEE 802.20), popis technického řešení. Princip FLASH OFDM, metody zprůměrování interferencí v buňce. Úvodní poznámky k systému Flexband, popis fyzické vrstvy. 6. Metody a nástroje družicové komunikace Zvláštnosti družicových spojů a metody z nich vyplývající. Šumové poměry, vlivy vzdálenosti a pohybu družic, architektura družicových systémů. 7. Atmosférické optické spoje Skladba spoje. Atmosférické přenosové prostředí. Stacionární a statistický model spoje. Spolehlivost a dostupnost atmosférických optických spojů. Vybrané aplikace. C Nadějné metody rádiových komunikačních systémů V samotných počátcích bezdrátového spojení se používaly z dnešního hlediska jednoduché technické prostředky, jako jiskřiště, skleněná trubička naplněná železnými pilinami, zvonek. Ty se však rychle zdokonalovaly. První rozhlasové vysílače vznikaly v meziválečném období a používaly amplitudovou modulaci. Důležité bylo že přijímače, tzv. krystalky, byly velmi jednoduché a daly se poměrně snadno pořídit (anténa, uzemnění, cívka, pevný kondenzátor, sluchátka, krystal = jednoduchý přechod kov-polovodič). Podle mého názoru právě dostupnost přijímačů napomohla masovému rozmachu rozhlasového vysílání a radiotechniky vůbec. V období druhé světové války se vyráběla pro potřeby armád poměrně vyspělá zařízení využívající elektronky. Přecházelo se i na metrové vlnové délky, v některých radiolokátorech i na centimetrové vlny. V poválečném období hledal radiotechnický průmysl nová civilní uplatnění. Sem patří zejména oblast rozhlasového FM vysílání na VKV a dále pak postupný rozvoj televize. Zásadní obrat přinesl vynález tranzistoru, později výroba integrovaných obvodů. Při rozhlasovém vysílání se používaly velké výkony. Například v tehdejším Československu byly dva vysílače s vyzařovaným výkonem 1,5 MW. Rozsah použitelných kmitočtů pro rádiový přenos se postupně zaplňoval, až v podstatě došlo k jeho saturaci. Rozvoj radiotechniky se zpomalil. Přispěl k tomu i rozvoj televizního vysílání, používajícího buď velké výkony nebo vysoké stožáry. Důsledky toho vidíme i dnes, kdy se obtížně hledají kanály pro digitální televizi. Obrat přineslo zavedení buňkových systémů, které pracují s malým dosahem velkého počtu základnových stanic. Svým způsobem obdobné jsou i systémy UWB, které mají malý dosah. Jistě je možné uvést i další příklady. Velkým přínosem z hlediska hospodaření se spektrem je systém OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), který dovoluje používání tzv. jednokmitočtových sítí. OFDM patří mezi systémy s mnoha nosnými (MC), ale díky ortogonalitě nosných vystačí s menší šířkou pásma, než klasické systémy MC. U digitální televize je názorně vidět, jaké úspory požadované šířky spektra může poskytnout moderní digitální modulace doplněná kódováním a kompresí dat. 2
Dalšími perspektivními modulačními systémy jsou DS-CDMA a FH-CDMA. U těchto systémů se stále rozvíjejí a zdokonalují metody příjmu. V několika obměnách se také kombinují OFDM a CDMA. Stále se pracuje na optimalizaci a zdokonalení dílčích postupů a metod, jako jsou kódování a dekódování, diversita, tvarování signálových prvků, synchronisace nosné a taktová synchronizace, potlačení mezisymbolových přeslechů aj. V poslední době se projevuje snaha některé operace kombinovat. To přináší zlepšení kvality zpracování ale také větší složitost systému. Je například možné spojit do jednoho systému dekódování turbo kódu a synchronizaci nosné, nebo sdružit zdrojové a kanálové kódování. Zvláštní zmínku si jistě zasluhují systémy s více vysílacími a s více přijímacími anténami (MIMO, Multiple Input Multiple Output). Ty se kombinují s tzv. časoprostorovým kódováním (STC, Space-Time Coding). Může se použít buď blokové kódování (STBC, Space-Time Block Coding), nebo trellis (mřížové) kódování (STTC, Space-Time Trellis Coding). Druhé dává teoreticky lepší výsledky, ale dekódování je složitější. STC musí pracovat v únikovém prostředí, nejlépe s hladkým únikem. Úniky pro jednotlivé dvojice vysílacích a přijímacích antén by měly být nezávislé. Pak lze při vhodném kódování dosáhnout toho, že se kapacita kanálu zvýší oproti hodnotě odpovídající systému s jedinou dvojící antén (SISO, Single Input Single Output) nebo s klasickým diversitním příjmem. U systému MIMO představuje dílčí problém získávání informace o stavu kanálu (CSI, Channel State Information). Ten se však vyskytuje i u jiných rádiových systémů. Další možnosti dávají spolupracující rádiové soustavy (Cooperative Communications). Ke spolupráci dochází uvnitř soustav mezi jejími dílčími podsoustavami [22], [23], [24]. Zkoumá se možnost uplatnění tohoto přístupu v mobilních ad hoc sítích (MANETs). Spolupracující spoj se skládá z jednotlivých v prostoru rozmístěných radiostanic, z nichž jedna je zdrojem přenášené zprávy, další pracují jako reléové buď jednotlivě nebo ve skupinách. Zkoumají se vhodné modulace, diversitní techniky a způsoby řízení systému. Vlastnosti radiotechnických metod se stále zlepšují a to buď cestou malých změn, nebo průlomovými objevy. K těm zřejmě patří objevy systémů CDMA, OFDM a MIMO. V krátkém úvodu nebylo možné zmínit vše podstatné, s většinou podstatných metod a principů se však setkáte v dalších přednáškách. LITERATURA [1] V. Tarokh, et al., Space-time codes for high data rate wireless communication: Performance criteria in presence of channel estimation errors, mobility and multiple paths, IEEE Trans. Commun., vol. 47, pp. 199-207, Feb. 1999. [2] E. Larson and P. Stioca, Space-Time Block Coding for Wireless Communications. Cambridge University Press. UK, 2003. [3] C. E. Shannon, A mathematical theory of communication, The Bell System Technical Journal, vol. 27, June 1948. [4] S. M. Alamouti, A simple transmit diversity technique for wireless communications, IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 1999. [5] J. G. Proakis, Digital communications. McGraw-Hill, 4 th ed., 2001. [6] I. Sever, et al., A Dual-Antenna Phase-Array Ultra-Wideband CMOS Transceiver, 3
IEEE Commun. Magazine, vol. 44, pp. 102-110, August [7] R. Bagheri, et al., Software-Defined Radio Receiver: Dream to reality, IEEE Commun. Magazine, vol. 44, pp. 111-118, August [8] N.-J. Oh and S.-G. Lee, A CMOS 868/915 Mhz Direc Conversion ZigBee Single-Chip Radio, IEEE Commun. Magazine, vol. 43, pp. 100-109, Dec. 2005. [9] D. J. Shyy and J. Dunyak, Capacity Enhancement of CDMA Network Using Interference Cancellation Techniques, IEEE Commun. Magazine, vol. 44, pp. 86-93, July [10] E. Biglieri, G. Caire, and G. Taricco, Limiting performance of block-fading channels with multiple antennas, IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 47, pp. 1273 1289, May 2001. [11] I. Bahceci and T. M. Duman, Combined turbo coding and unitary space-time modulation, IEEE Trans. Commun., vol. 50, pp. 1144-1249, Aug. 2002. [12] J. Sun and M. C. Valenti Joint Synchronization and SNR Estimation for Turbo Codes in AWGN Channels, IEEE Trans. Commun., vol. 53, pp. 1136-1144, July 2005. [13] G. T. Zhou and L. Peng Optimality Condition for Selected Mapping in OFDM, IEEE Trans. Signal Process., vol. 54, pp. 3159-3165, August [14] A. Aggarwal and T. H. Meng Minimizing the Peak-toAverage Power Ratio of OFDM Signals Using Convex Optimization, IEEE Trans. Signal Process., vol. 54, pp. 3099-3110, August [15] R. Cardinali, et al., UWB ranging accuracy in high- and low-data-rate applications, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 54, part 2, pp. 1865-1875, June [16] B. Ai, et al., On the synchronization techniques for wireless OFDM systems, IEEE Trans. on Broadcasting, vol. 52, pp. 236-244, June [17] J.-H. Lee, J. Ch. Han and S.-C. Kim, Joint carrier frequency synchronization and channel estimation for OFDM systems via the EM algorithm, IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 55, pp. 167-172, Jan [18] H. Zheng, J. Tang and B. Shen, Minimizing the Peak-to-Average Power Ratio of OFDM Signals Using Convex Optimization, IEEE Trans. Consumer Electronics, vol. 51, pp. 483-789, Aug. [19] A. Aggarwal and T. H. Meng Minimizing the Peak-toAverage Power Ratio of OFDM Signals Using Convex Optimization, IEEE Trans. Signal Process., vol. 54, pp. 3099-3110, August [20] G-C. Zhu and F. Alajaji Joint Source-Channel Turbo Coding for Binary Markov Sources, IEEE Trans. Wireless Communications., vol. 54, pp. 3099-3110, August [21] M. O. Damen, A. Tewfik and J. C. Belfiore, A Construction of Space-Time Code Based on Numer Theory, IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 48, pp. 753 760, Mar. 2002. [22] A. Sever, D. L. Goeckel and J. N. Laneman, Cooperative Communications in Mobile Ad Hoc Networks, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 23, pp. 18-29, September [23] H. Li and Q. Zhao, Distributed Modulation for Cooperative Communications, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 23, pp. 30-36, September [24] V. Stankovic, A. Host-Madsen and Z. Xiong, Cooperative Diversity for Wireless Ad 4
Hoc Networks, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 23, pp. 37-49, September 5