4. Problems of efficient wireless communication systems synthesis

The synthesis of effective communication systems for the given specifications includes the following main stages of selection:

• the system structure, which may differ from the typical - as towards complication of functional units set and towards its simplification;

• variations of functional units;

• levels of signal input / output of individual units.

On the basis of the studies (Fig. 1.4) the main scientific and technical problems and contradictions were identified that arise in the synthesis of wireless communication systems in view of increasing their efficiency.

Let us consider each of these contradictions.

1. A large number of variants of a given system specification. The fact that the technical requirements are formulated to ensure the system can use a large number of different options, methods and tools embedded in each of its functional units. It is in multiversion capabilities of each of the functional units (Fig. 1.3), either their absence incorporated as multiversion capabilities of the system as a whole, when provided with the set specifications.

But the search (at a minimum cost of time and calculation resources) among many possible and acceptable options for optimal system design, which provides increased efficiency of the system as a whole is quite complex. Of course, based on information about the structure of the system (Fig. 1.3) and the presence of the individual functional units analysis could be applied a primitive method of sorting the various alterversions to synthesize effective wireless communication system. But, being in era of widespread wireless communication technologies, during continuous changes of different generations of systems and standards [35, 74] an urgent problem of efficient wireless systems synthesis methods development is arised. Researches in this area, up to the development of synthesis algorithm, could greatly simplify and speed up the construction of effective wireless communication systems.

Fig. 1.4. The main problems of effective wireless communication systems synthesis.

2. The contradictions between system requirements and performance. System requirements for fulfillment of conditions (1.1, a, b) and necessary in this case requirements to system resources (1.2, a, b​​) are shown on Fig. 1.5.

Fig. 1.5. System requirements and the necessary system resources.

Obviously, given requirements could be realized with more reserve in cases:

• R/B ratio is increasing at В=B_nom;

• E_b/N₀ ratio is increasing at N₀=const.

Similarly, on Fig. 1.6 are presented the system requirements for the conditions (1.1, a,b) and the necessary changes of the requirements to system resources to improve systems’ efficiency.

Fig. 1.6. Requirements of the effective wireless communication system.

It is clear, that system efficiency is increasing in cases:

• R/B ratio is decreasing at R=R_nom;

• E_b/N₀ ratio is decreasing at N₀=const.

As we could see from the given data (Fig. 1.6, b,c) and (Fig 1.7, b,c), the conditions of effectiveness increasing of wireless communication systems and supporting process of given to these systems specifications contain some contradictions.

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

3. Вибір ефективної системи при наявності декількох часткових критеріїв ефективності. Також виникає питання, як серед декількох систем навіть з відомими значеннями (а тим більше з одинаковими значеннями) показників ефективності (1. 5,а-в) вибрати ефективну? Тому наявна проблема формування інтегрального критерію ефективності, який може також враховувати вказані часткові показники ефективності.

4.Обгрунтований вибір початкових етапів синтезу. Система безпровідного зв'язку (рис. 1.4) являється ніби «плаваючою», тобто в ній не задано конкретну структуру кожного з функціональних вузлів та рівні сигналів на вході/виході даних вузлів. Якщо ж задати тільки структуру хоча би одного з вузлів (наприклад, вид модуляції і т. д.) або рівні сигналів на вході одного з вузлів, система перетворюється з «плаваючої» ніби в «заземлену». Тому при синтезі ефективних структур систем безпровідного зв'язку виникає проблема: з чого почати синтез ефективної структури, адже необґрунтовано задавши структуру одного (початкового) функціонального вузла, або рівні сигналів на вході/виході даного вузла, немає гарантії, що синтезована на подальших етапах структура буде ефективною.

5.Тривалість переданих символів з врахуванням багатопроменевого поширення хвиль та нестаціонарного каналу зв'язку. Реально в системі наявні інформаційні біти тривалістю Т_b, які необхідно передати. При цьому необхідна швидкість передавання становить R=1/Т_b. Але часто в реальній системі неефективно (рис.1.8) передавати первинні біти тривалістю Т_b.

Тому біти можуть перетворюватись в символи з іншою тривалістю Т_s. Такі символи далі передаються в системі. Очевидно, що кінцевому споживачеві не принципово, як передавалась інформація. Його лише цікавить кінцевий ефект – достовірне отримання потрібної інформації з потрібною швидкістю R. Але зміна тривалості передаваних повідомлень Т_s≠Т_b (при збереженні швидкості передаваня інформації R для споживача) часто дозволяє підвищити ефективність системи

Рис. 1.8. Вибір тривалості символів для різних варіантів каналу звязку

Розглянемо детальніше причини зміни тривалості символів. Для безпровідних систем характерне багатопроменеве поширення хвиль (БПХ, або федінг). При цьому отриманий сигнал переважно складається з декількох дискретних багатопроменевих компонент. Для переданого одиночного імпульсу наявний час T_f між приходом першої і останньої компоненти. Останньою вважаємо таку компоненту, для якої сигнал припадає на задане порогове значення (А, дБ), порівняно з найбільшою компонентою. Отже, час T_f являється реально наявним параметром каналу зв'язку в конкретній ситуації, який змінити практично неможливо. Тому можна лише «підлаштовуватись» під даний канал змінюючи тривалість символів Т_s. При цьому можливі два випадки: Т_f>T_s та Т_f<T_s. В першому випадку прийнятий багатокомпонентний сигнал виходить за межі тривалості одного символу. В даному випадку будуть наявні спотворення типу ISI. В другому випадку всі багатопроменеві компоненти символу надходять протягом тривалості символу, що приводить до їх деструктивного сумування та зменшення відношення сигнал/шум. Кожен з варіантів має свої переваги і недоліки, але в більшості ситуацій слід віддати перевагу першому випадку, Т_f >T_s.

Для безпровідних систем також характерні мобільність абонентів та завад. Це, в свою чергу, спричинює нестаціонарність каналу зв'язку, оскільки мобільність приводить до безперервної зміни в часі шляху поширення сигналу. В даному випадку вводиться поняття часу когерентності Т_k, зумовленого мобільністю – тобто часу протягом якого характеристики каналу, практично, відповідають характеристикам стаціонарного каналу [26, 30]. При збільшенні швидкості час Т_k зменшується, а при зменшенні швидкості – збільшується. В результаті при нульовій швидкості час Т_k збільшується до безмежності, тобто канал стає повністю стаціонарним.

В даній ситуації також можливі два випадки: Т_k <T_s – «швидкого завмирання» та Т_k >T_s - «повільного завмирання». При швидкому завмиранні часовий інтервал, коли канал має стаціонарний характер, малий порівняно з часом, необхідним для передавання символу. Таким чином, за час передавання символу характер нестаціонарного каналу змінюється, що приводить до спотворень типу ISI. При повільному завмиранні можна вважати що характер каналу являється стаціонарним, а погіршення якості зв'язку спричинене зменшенням відношення сигнал/шум.

Також у випадку використання М-рівневих модуляцій тривалість передаваних символів значно збільшується та становить Т_m=kT_b (k-кількість бітів в символі, М=2^k).

Таким чином, при врахуванні характеру каналу зв'язку виникає потреба багатоваріантної зміни тривалості передаваних символів. Тому питання синтезу ефективних структур систем безпровідного зв'язку вимагають проведення узагального аналізу вказаних змін тривалостей сигналів, які реально передаються через канал зв'язку.

6. Неефективність застосування загальноприйнятих характеристик окремих функціональних вузлів. Детальніше дана проблема та шляхи її вирішення розглянуті в наступному розділі.