通訊原理與無線網路 - 07 Multiple Division Techniques

Chinese 通訊原理與無線網路

written by LiaoWC on 2021-05-31

Introduction and Comparisons

行動通訊系統的 channel 分成兩類：control channel 和 data channel。

  1. Multiple radio access: 此主題探討的是 random access 的 control channel。例如打電話你將電話號碼播出去時但還沒接通時。
  2. Multiple division techniques: 探討 data channel。在有限頻寬內，要切出多條使用者能使用的通道。例如電話打通後，就會拿到一條資料通道。

Classifications

資料的傳輸需要資源，那有哪些資源可以用來傳輸資料呢？

  • 頻譜
  • 時間
  • 空間(SDMA：可以用指向性天線讓多個人可以在同個空間 access 基地臺)

分類

  • 頻譜：FDMA （第一代行動通訊網路）（Frequency Division Multiple Access）
  • 時間：TDMA （第二代行動通訊網路）（Time Division Multiple Access）
  • Code：CDMA （第三代行動通訊網路）（Code Division Multiple Access）
  • 空間：SDMA （泛指一般加上指向性天線後的。可以加 frequency、time 一起使用）（Space Division Multiple Access）

※第四代行動通訊網路用到了：OFDM/OFDMA（後面會討論）

Model of Multiple Divisions

General model

$s(f,t,c) =s(f,t)c(t)$

為什麼 c 跟時間有關？

一個系統的正交碼是固定的長度（正交碼：兩個碼的內積為零），例如四個位元的正交碼可以產生四種正交碼。正交碼的長度不會因為使用人數上升而變長。使用中的裝置（例如在講電話）數量是受控制的，若你閒置（像是沒有在通話中）就不會配給你正交碼，所以跟你當下時間的狀況有關。

在一個你要通話的時間點，系統會看可以配的正交碼有多少，然後配給你一個正交碼，但過了一小時，你又撥了一通電話，這時候你前一個通話用的正交碼可能被用掉了，配給你的就可能是另外一個正交碼。保持現在使用中的用戶的正交碼彼此的內積皆為零。

假設沒有用正交碼的model

$s(f,t,c) =s(f,t)$

第二代、第四代、第五代行動通訊沒有使用正交碼。Wifi 有版本有用到，但效果據說沒那麼好。

Duplex Communication

基地臺如果要同時送跟收，那應該至少要有幾個天線？兩個？但現階段的技術我們也不會讓基地台的兩根天線同時送跟收。可以兩根同時當傳送者或兩根同時當接收者。

  • 如果兩根天線都一樣做送者，可以一根傳給一個人另一根傳給另一個人；也可以兩根都給同一個人（spatial diversity。但接受者通常只有一根天線）。
  • 如果兩根都一樣做接收者的話，使用者送的時候即使AP天線再多，都收同一個人的。最新的Wifi（如ax, be）才能做到同時收不同人的訊號。但要做到收不同人的訊號需要做到時間同步(至少要大概微秒等級的同步)而且要消除一些頻道的干擾才做得出來。所以 uplink（上行）可能永遠沒有辦法把基地台所有的天線用完，要多個使用者能一起送就要做到時間同步等，增加overhead。

Full duplex vs half duplex

  • Full duplex: 送跟收同時進行。（至少要有兩根天線）
  • Half duplex: 可以送跟收，但同時間只能做一件事。（可以只有一根天線）

Forward vs reverse channel

  • A forward (downlink) channel: BS → MS
  • A reverse (uplink) channel: MS → BS

Two types: FDD vs TDD

  • FDD: frequency division duplexing

    （例如買來的頻譜切兩段，一段給基地台送出用，一段給基地台接收用）

    （範例：ALOHA，上行在一個頻率，下行在一個頻率，所以在送了之後要到另一個通道聽聽看有沒有 ACK，沒有的話就知道是失敗了。所以 ALOHA 使用 FDD 但 duplex 是 half duplex。）

  • TDD: time division duplexing

    （沒有辦法做到 full duplex，因為時間是有序列的，不可能同一時間切成可以同時送跟收！）

有A vs 沒A ！？

FDMA <=> FDM

TDMA <=> TDM

CDMA <=> 無

SDMA <=> 無

OFDMA <=> OFDM

左邊這群在網路分層架構的第 2 層，右邊這群在第 1 層

  • 有沒有"A"差別：

    有 A 的是 BS ↔ 一群人

    沒 A 的是 BS ↔ 一個人

  • 例如：FDM 在網路五層架構裡，比較像哪一層的技術？而 FDMA 呢？

    FDM: physical layer

    FDMA: link layer

FDMA + FDD? FDMA + TDD?

FDMA, TDMA跟FDD, TDD排列組合：

  • FDMA over FDD: ✅
  • FDMA over TDD: 可，但通常不會這樣做
  • TDMA over FDD: ✅
  • TDMA over TDD: ✅

※ CDMA的也需要 FDD 或 TDD

FDMA

  • 用頻率切
  • Reverse channels 和 forward channels 之間有 protecting bandwidth、不同的 suband 之間有 guard band：因為現在的濾波器設計並不完美，波的形狀不可能完美地變成方形的，稍為隔開能避免通道間的干擾。

TDMA

  • 用時間切
  • TDMA 的 frame 有 guard time，用來減少不同路徑下傳播延遲的干擾。
  • Frame 傳輸時配給 data 的單位時間是一樣的，所以傳輸速度慢（如通道狀況不好），會傳比較少的資料。

CDMA

  • 基於 spectrum-spread （展頻通訊） technology
  • 每個使用者會得到一組跟別人不一樣的 spread-spectrum （展頻通訊） code
  • 功率控制能改善頻率使用的效率
  • 兩種 CDMA 實作方法：direct sequence (DS) and frequency hopping (FH)
  • DSSS: direct sequence spreading spectrum. FHSS: frequency hopping spreading spectrum

範例

假設共有四組正交碼：

  • [+1 +1 +1 +1]
  • [+1 -1 +1 -1]
  • [+1 +1 -1 -1]
  • [+1 -1 -1 +1]

※ 它們兩兩內積皆為零

如果我要傳的 bit 是 0 ⇒ 用 -1 算

如果我要傳的 bit 是 1 ⇒ 用 1 算

如果我沒有要傳(silent) ⇒ 用 0 算

以這個例子來看，原本一個位元會變成四個位元（時間仍沒有拉長） ⇒ 頻率變高

正交碼如何產生

Spreading spectrun（展頻通訊）

  • 展頻通訊是一種使用比所需更多頻寬來傳輸的技術。
  • 一開始被用在軍用上，因為訊號聽起來像是雜訊，防止竊聽。
  • 傳輸前先用獨立的 code 去做處理，接收者用相同的 code 去做反調變。
  • 如何做展頻的調變？有兩種：DSSS 和 FHSS（DSSS: direct sequence spreading spectrum. FHSS: frequency hopping spreading spectrum）。

DSSS

直接將 message symbol 和 wideband pseudo noise (PN) spreading sequence 乘起來。

傳送者：

$m(t) = c(t) \otimes b(t)$

$c(t)$: wideband PN signal

$b(t)$: narrowband message signal

接受者：

收到 $r(t) = m(t) + i(t) = c(t) \otimes b(t) + i(t)$

$i(t)$ 是干擾。

如何解調變？乘上$c(t)$

$z(t) = c(t) \otimes r(t) = c^2(t)b(t) + c(t)i(t)$

由於$c^2(t) = 1$

$z(t) = b(t) + c(t)i(t)$

干擾$i(t)$也一樣會被$c(t)$ spread，最後再用 filter 濾掉。

FHSS

  • 傳輸時迅速的跳到別的 carrier。
  • 可以同時不同頻，多人使用。
  • 換通道的原因：換位置環境的干擾會換。藍芽用此減少 frequency-selective fading，跳到不同頻率的就不會一直拿到 fading 很嚴重的通道。（某通道對你來說不好，對他人來說不一定就不好。）
  • FHSS 需要精準的同步。
  • Fast hopping：一個位元時間跳多條通道。
  • Slow hopping：停在某通道上傳送多個位元。
  • 藍芽使用這個。
  • 比較慢。看看藍芽的速度就知道了。
  • 可能會跟別人碰撞，如果跳到同一個地方的話。

SDMA

  • 用 smart antenna: 指向性天線，會跟著人轉。
  • 註：九十度角能量最集中。

OFDM & OFDMA

  • OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • Multi-carrier 的調變，意即各子載波自己做自己的調變。
  • 大量接近的正交 sub-carrier 平行地傳輸。
  • 每個 sub-carrier 用一些傳統 low symbol rate 的調變方法，維持 data rates 跟 single-carrier 相似。
  • 優點是在一些通道狀況較差的地方可以用。Low symbol rate 讓 symbol 之間的 guard interval 比較小，讓它比較可能去減低 ISI 的發生。另外還有節省頻寬的優點。