מבוא ל- Frequency Shift Keying in Modern Wireless Networks

Frequency Shift Keying (FSK) הוא אחד הטכניקות הישנות והמצוחות ביותר של מודולציה דיגיטלית בתקשורת אלחוטית.עקרון היסוד שלה - נתונים בינאריים על ידי שינוי תדירות המוביל בין שני תדרים שנקבעו מראש יותר - הופך אותו במיוחד לזמין לאסטרטגיות של רעש אמפודה וסימן של שימוש.ברשתות אלחוטיות מרובותK, שבו עשרות או אפילו אלפי מכשירים מתחרים על אותו ספקטרום נדיר, כך שלעתים קרובות, יש השפעה יעילה על מערכת יחסים מורכבת של FDS.

יעילות Spectrum, שנמדדה לעתים קרובות ב ביט לשנייה להרץ (bps/Hz), היא מדד קריטי לכל מערכת אלחוטית שפועלת תחת מגבלות רגולטוריות או פיזיות רוחב פס, כמו האינטרנט של הדברים (IoT) והודעות מכונה למכונה למכונה ממשיכות להתרחב, FSK נשאר בחירה פופולרית עבור כוח נמוך, יישומים מורכבים נמוך.

יסודות FSK ו- Spectrum Efficiency

כדי לתפוס את ההשפעה של FSK על יעילות ספקטרום, עלינו קודם לבדוק את היסודות של טכניקה זו מודולציה. in binary FSK (BFSK), תדירות המוביל עוברת בין שני תדרים נפרדים: אחד המייצג את בינארי 0 ואחד המייצג את אחד מבני 1. ההבדל בין שני התדרים האלה ידוע בשם סטיית תדרים.

(ב) בפרשת ה-FSK שווה בערך ל-FLT:0.2 ⁇ f + 2RirFLT:1bjectFLT:203FLT 3, שבו ⁇ f הוא סטיית התדר ו-RFLT:4breafer יכול להפחית את מספר 1:5 הוא שיעור ה bit (או סמל עבור M-SK בדרך כלל דורש יותר שלב של שינוי רוחב פס (FD) עבור מספר 1D) עבור ספקטרום 2D (או 1D) רק עבור מספר 1FD) של 2D) עם שיעור 2D) ספקטרום כולל 1R-1 (או 1DV3 (או LT (או LT (או LT (או ציון 2FD) עם שיעור 2FD) של 2D) עם שיעור 2D) עם שיעור 2 LT (או ציון 2FD) עם שיעור 2FD) עם קצב רוחב פס 1FD) של 2.

יעילות ספציפית בהקשר רב-משתמש חייבת גם לקחת בחשבון את להקות השמירה הדרושות בין ערוצים כדי להימנע מהתערבות צמודה-ערוצית. pSK של ספקטרום ספקטרלי - האנרגיה מתפשטת מחוץ ללובבה העיקרית - דעיכה לאט יחסית ללא סינון הולם, עוד צריכת ספקטרום ניתן למדידה.לכן, בעוד שעוצמתה של FSK לריאציות מפוסקות היא יתרון מרכזי בערוצי הפודינג רחב יותר, דיקור, הדורש קיבולת קפדנית כדי לשמור על יעילותה.

FSK ב- Multi-User Wireless Networks: אתגרים ו- Trade-Offs

בעיית ההתערבות

בכל רשת מרובה משתמשים, שידורים בו זמנית של מכשירים מרובים יכול לגרום להפרעה משותפת (כאשר שני משתמשים משדרים באותו תדירות) והתערבות של ערוצים סמוכים (כאשר אותות דולפים ללהקות שכנות) אותות FSK רגישים במיוחד להפרעות ערוצים סמוכים בגלל האנרגיה העיקרית שלהם יחסית רחב יותר וגישה משמעותית של אנרגיה.ללא סינון או הפרדה גבוהה, שידור חזק FSK יכול להפליג מעוקבים למקבלים הסמוכים לערוצים, באופן כללי.

התערבות של ערוץ משותף, מצד שני, ניתן לצמצם במערכות FSK על ידי הבטחת כי סטיית תדר של משתמשים שונים הם אוטגוניים - עיקרון מנוצל בתדירות של גישה מרובות (FDMA), עם זאת, FDMA קלאסי עם FSK לעתים קרובות דורש להקות שמירה נדיבות, צמצום מספר המשתמשים שניתן לתמוך בתוך הקצאה קבועה.

טכניקות גישה מרובות ו-FSK

כמה אסטרטגיות גישה מרובות נוספו עם FSK כדי לשפר את יעילות הספקטרום:

  • (FLT:0) חטיבת השקיפות מספר גישה (FDMAura): FLT:1 כל משתמש מוקצה ערוץ תדר ייחודי.עם FSK, רוחב הפס חייב להיות רחב מספיק כדי להכיל את האות המובנה בתוספת להקות שמירה.בעוד פשוט, FDMA-FSK הוא לא מאוד יעיל כי להקות השמירה וספקטרום רוחב הפס רחב יותר FSK עם זאת, הוא נשאר פופולרי במערכות מוגבלות לפני כן, כאשר יש מגבלות נמוכות יותר.
  • (FLT:0)Time Division Multiple Access (TDMA): משתמשים חולקים את אותו תדירות אבל לשדר ב חריצים זמן נפרדים. FSK ניתן להשתמש במערכות TDMA, אבל רוחב הפס הרחב של Modulation אינו משפיע לרעה על יעילות ספקטרלית בהקשר זה, כי כל הלהקה משמשת רק משתמש אחד בכל פעם.
  • (FLT:0 ,code Division Multiple Access) (CDMA): ההרחבה 1 ב- CDMA, כל המשתמשים משדרים בו זמנית על אותה להקת תדר, מופרדים על ידי קודים ייחודיים להפצת מידע (FSK) משמשת לעתים רחוקות ב- CDMA, משום שתהליך ההפצה כבר מספק אינטנסיונות נגד התערבות בפס צר.עם זאת, תוכנית היברידית בשם FSK-CDMA נחקרה-P (UWB) עבור מערכות אולטרה-פרכות רבות.
  • (FLT:0) Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA): המחשה 1 שלDMA מחלק את רוחב הפס ללוחיות רבות אוטגוניות, כל אחת מהן מנוסחת עם תוכנית מודולציה דלת-נמוכת. בעוד QAM או PSK הם אופייניים, FSK על תת-מטוסים בודדים נחקר בהקשר של תדירות של גיוון גבוה של MPSMA יכול להשיג יעילות גבוהה על ידי ספקטרום שמירה על ידי ספקטרום גבוה על ידי ספקטרום גבוה.

בין אלה, FDMA ו-TDMA הם השילובים הנפוצים ביותר עם FSK במערכות מעשיות.הבחירה תלויה בגורמים כמו מורכבות סינכרון, צריכת חשמל, ואת האיכות הנדרשת של השירות.לדוגמה, תקן IEEE 802.15.4 (Zigbee) משתמש בצורת FSK (השלב QPSK בגרסאות מסוימות, אבל בינארי FSK באחרים) עם CS/MA כדי להשיג יעילות נמוכה מאוד.

ניתוח ההשפעה של FSK על Spectrum Efficiency Metrics

יעילות Spectrum ברשתות מרובות משתמשים אינה רק נקבעת על ידי תוכנית המודולציה.זה גם תלוי במספר המשתמשים, דפוסי התנועה, ופרוטוקול הגישה הרבים.

  • (FLT:0)Bandwidth למשתמש:FearLT:1) עבור שיעור נתונים נתון, FSK דורש רוחב פס יותר מ-PSK או QAM. זה מקטין את המספר המקסימלי של משתמשים בו זמנית בלוק קבוע. לדוגמה, בערוץ 20 MHz, BFSK ב 1Hz יכול לתמוך ברוב 5 ערוצים עם 4 מהרץ, בעוד BPSK באותו מידע יכול להיות 10.
  • (FLT:0) להקות צד מרכזי ו-GFSK (G.Spectral Sidelobes and Guard להקות: Reverse FSK:1 מעשי FSK משדרים משתמשים מסנן (למשל, Gausian FSK או GFSK) כדי להפחית את ה- Sidelobes ולצמצם את ההתערבות הסמויה של ערוץ GFSK בשימוש ב-Bluetooth, המאפשרתיחה קצרה יותר (1 MHz ל-Firemethalthal Rate) ויעילהאפקט טוב יחסית ל-1.5 פעמים, אפילו ל-D2, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 2, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 1.5 פעמים, לעומת 1.5 פעמים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 1.5 פעמים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, יותר מ-1.5 פילטר רוחב פס רחב יותר מאשר ב-1.5 פעמים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 1.5 פעמים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, יותר מ
  • (FLT:0) M-ary FSK ליעילות גבוהה יותר: ההרחבה של סדר המודולציה M מפחיתה את קצב הסמל עבור קצב מסוים מסוים מסוים, ובכך לצמצם את רוחב הפס.לדוגמה, 4FSK משדר 2 ביטים לסמל, שאיפת קצב הסמל וצמצום רוחב הפס הגבוה יותר של MS-S) אך ניתן לשמור על רוחב פס נמוך יותר, וכתוצאה מכך גישה מוגבלת של MS ל-FS-R (R) ל-R-R-p-p-R-R-S-S-p-p-S-R) גבוהה יותר, אך ורק ל-p-p-p-p-R.

טבלה 1 (לא נכלל ב- HTML אבל שתואר) מסכם את היעילות הספקטרוםית האופיינית של גרסאות FSK נפוצות בהשוואה PSK.לדוגמה, BFSK עם גילויים לא קבועים משיגה כ-0.5 bps/Hz עם סינון מעשי, בעוד coherent BPSK מגיע 1 bps/Hz 4FSK יכול להגיע 1 bps/Hz, ו- 8-FK בערך 1.5 Bps/GNSK, אך לעתים קרובות מקבל יעילות רבה יותר עם קיבולת מוגברת עם , אך ורק לאחר קיבולת גבוהה יותר גבוהה יותר עקב GNXDXDX.

אסטרטגיות לשיפור היעילות של Spectrum עם FSK

שינוי הסתגלות וקידוד

אחת הדרכים היעילות ביותר לשיפור יעילות הספקטרום ברשתות מרובות משתמשים FSK היא להתאים את הפרמטרים מודולציה המבוססים על תנאי ערוצים.לדוגמה, כאשר הערוץ נקי וה-SNR הוא גבוה, המערכת יכולה לעבור לזמין גבוה יותר M-ary FSK כדי להגדיל את קצב ה bitp ללא הגדלת רוחב הפס. כאשר הערוץ מתדרדרדרדר, המערכת נופלת חזרה ל- BFSK עבור הסתגלות.

עיבוד אותות מתקדמים וסינון

מסנן את אות FSK להגבלת הספקטרום שלה הוא קריטי לצמצום ההתערבות הסמויה של ערוץ. Gaussian FSK (GFSK) הוא הגירסה הנפוצה ביותר, באמצעות מסנן נמוך גאוססי לפני המנטרן התדירות כדי להחליף מעברים חלק בין התדרים.המוצר של רוחב הפס של המסנן ותקופת הסמל (BT) קובע את הסחר בין קומפקטיות מרכזית לבין הפרעה דיגיטלית (APTI) הוא שיפור מוקדם יותר מ-PTI) ב-PTI הוא שיפור משמעותי יותר מ-PTI הוא ספקטרום (PTI).

תדירות ההוגות והפצה

שילוב FSK עם תדירות הנפיחות (FHSS) יכול להפחית את ההשפעה השלילית של התערבות ברשתות מרובות משתמשים. FHSS להפיץ את האות על להקה רחבה על ידי הפחתת תדירות המוביל על פי רצף פסאודורנטיות. זה הופך את המערכת לעמידה יותר להפרעות פס צר ומאפשר למשתמשים מרובים לשתף את אותו פס רחב ללא להקות משמרות מופרזות.

Multi-User Detection ו- MIMO

ב המקלט, Multi-user זיהוי (MUD) יכול להפריד אותות FSK חופפים אם תדירות ההסרות שלהם ידועים או ניתן להעריך.זה מאפשר למשתמשים מרובים להעביר בו זמנית באותו תדירות, עלייה דרמטית ביעילות ספקטרום. MUD דורש משאבים חישוביים משמעותיים, אבל עם מעבדי אותות דיגיטליים מודרניים, זה אפשרי עבור מספר קטן של משתמשים.טכניקה מבטיחה אחרת היא השימוש של מספר רב-in מרובים-חומר (MOS) בדרך כלל על ידי שימוש באמינות מבוסס FK.

מחקרים: FSK ברשתות משתמשיות

Bluetooth Low Energy

Bluetooth Rate משתמש GFSK עם אינדקס מודולציה של 0.28 ל 0.35, פועל ב-2.4 GHz ISM עם 79 ערוצים הרץ 1 MHz בנפרד.הסטנדרט מאפשר לתדירות הנפיחות, ו- piconet יכול לתמוך עד 8 מכשירים פעילים.הספקטרום של קישור Bluetooth אחד הוא בערך 1 מ"מHz 1 MHz או 1 bps /, אבל בגלל כבלקומטר נמוך יותר (Fbsp) עם יעילות Bluetooth אחת נמוכה יותר מ- Bps) הוא פחות Bps (מ- BBLE) הוא פחות Bps) עם 1 Bps) נמוך יותר מאשר BBLE B2 BBLE) הוא פחות B2 נמוך יותר מאשר Bps (מרווחה- Bps) עם 1 מ- Bps) הוא פחות Bps) עם 1 מ- BBLE) הוא פחות Bps עבור 1 מ- Bps עבור 1 מ- Bps עבור 1 מ- Bps נמוך יותר מאשר B2 נמוך יותר מאשר B2 נמוך יותר מ- Bps) הוא פחות Bps עבור 1 דחוסה פחות Bps עבור 1 מ- Bps עבור 1 קיבולת נמוכה יותר מאשר Bps עבור 1 קיבולת נמוכה יותר מאשר B2 Bps עבור 1Hz 1 דחוסהת B2 B2

IEEE 802.15.4 (Zigbee) ו-Educing IoT

Zigbee פועל ב-2.4 GHz הלהקה באמצעות ההרחבה QPSK (אשר הוא צורה של FSK) עם ספקטרום התפשטות ישירות (DSSS) שיעור הנתונים הגולמי הוא 250 kbps בערוץ 5 MHz, נותן 0.05 bps / הרץ. בעוד שנראה נמוך, הספקטרום ההתפשטות מאפשר רשתות Zigbee מרובים כדי coexist עם מינימום תיאום.

לור (Long Range)

LoRa משתמשת בטכניקת ספקטרום קניינית שמקורה ב-FSK הידועה בשם Chirp Spread Spectrum (CSS) בעוד שלא קלאסית FSK, היא משתפת עקרונות מעצימות תדירות. LoRa משיגה תקציבים גבוהים מאוד (עד 157 dB) על חשבון מגבלות נתונים נמוכות מאוד - מ-300 bps ל- 50 kbps - בתוך 125 kHz ל- k ל-Crepbactrepbactrep.

כיוונים עתידיים עבור FSK במערכות אלחוטיות ספציפיות

כמו רשתות אלחוטיות לנוע לעבר IoT מסיבי, מערכות רדיו קוגניטיביות בעלות נמוכה יחסית (URLLC), ורדיו קוגניטיבי, FSK עשוי לראות רלוונטיות מחודשת במערכות רדיו קוגניטיביות מסוימות.מערכות רדיו קוגניטיביות מסוימות, כי חורים ספקטרום הגיוני מבחינה דינמית יכולים להשתמש FSK עבור האינטנסיביות שלה בזיהוי אותות חלשים וסובלנותו לרעש. על ידי שילוב FSK עם גישה דינמית, משתמשים משניים יכולים לנצל שבריריים, שיפור חלקי ספקטרום, כולל.

יתר על כן, פיתוח מקלטים מבוססי מכונה יכול לאפשר FSK לשתף פעולה עם יותר ספקולציות יעילות ספקטרליות. Neural Networkcoders יכול להפריד ולפענוח אותות FSK מרובים עם תדרים חופפים, ביעילות הגדלת יכולת מרובה משתמשים ללא רוחב פס גדל.גישה זו עדיין בשלב המחקר אבל יש הבטחה עבור מערכות 6G עתידיות שעשויות להעדיף גמישות על פני יעילות הגלומה.

מגמה נוספת היא השימוש ב- non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) עם FSK. NOMA מאפשר למשתמשים מרובים לשתף את אותו תדר ומשאבים זמן על ידי הקצאת רמות כוח שונות. האופי הלא-הכיו של FSK יכול לפשט את עיצוב המקלט עבור כוח-דומיין NOMA, המאפשר יעילות גבוהה יותר בתרחישים של קישוריות מוקדם כי FSKNO-MA יכול להגיע לקצב קריטי נמוך יותר, ללא הגבלת זמן, אשר עשוי להיות בעל יכולת גבוהה יותר, כלומר, בתנאי כוח-Q-MA, כלומר, בתנאי אבטחה נמוכה יותר, כלומר, ללא הגבלת זמן, כלומר, כלומר, ללא הגבלת זמן נמוכה יותר, בתנאי אבטחה נמוכה יותר, ללא הגבלת זמן, ללא הגבלת זמן, כלומר, כלומר, עם רמות אבטחה נמוכה יותר, כלומר, בתנאי אבטחה נמוכה יותר, ללא הגבלת זמן, ללא הגבלת זמן גבוהה יותר גבוה יותר, ללא הגבלת זמן, כלומר, ללא הגבלת זמן, ללא הגבלת זמן נמוכה יותר, בתנאי אבטחה נמוכה יותר, עם רמות אבטחה נמוכה יותר, ללא הגבלת זמן, עם תרחישים של תרחישים של תרחישים של רזולוציה גבוהה יותר, ללא הגבלת זמן, ללא הגבלת זמן, אשר יכול להגיע לרמה גבוהה יותר, ללא הגבלת זמן, ללא הגבלת זמן, ללא הגבלת זמן גבוהה יותר גבוהה יותר גבוהה יותר

לבסוף, השילוב של FSK עם Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) Modulation - המיועד לערוצי יוקרה - נחקר. OTFS להפיץ נתונים בתחום עיכוב דופלר, ו- FSK יכול לספק הטבות שונות תדירות במסגרת זו. בעוד עדיין תיאורטית, התפתחויות אלה מצביעות על כך ש-FSKS תמשיך להתפתח ולמצוא יישום ברשתות מרובות משתמשים שבו יש צורך ביעילות מקסימלית יותר ויותר על יעילות.

מסקנה

FSK נשאר טכניקת מודולציה חשובה ברשתות אלחוטיות מרובות משתמשים, במיוחד עבור יישומים בעלי עוצמה נמוכה, מורכבות נמוכה כגון IoT ותקשורת לטווח קצר.ההשפעה שלה על יעילות ספקטרום היא אחת מעורבת: רוחב הפס הרחב ושפל הדרגתי יכול להפחית את מספר המשתמשים שניתן לתמוך בהקצאת ספקטרום קבוע, במיוחד במערכות FDMA, עם זאת, תוך שימוש באסטרטגיות כגון M-SKS, פילטר מתקדם, קידוד מתקדם, ו-FKSKback-S), קידוד מתקדם (הפחתת רמות הפחתת יעילות), קידוד מתקדמות), קידוד (הפחתת יעילות רבה יותר), קידוד Multi-FKSKSKback) ו-FDMA).

הסלק המרכזי הוא כי יעילות ספקטרום לא צריך להיות מוערך בבידוד - זה חייב להיות מאוזן נגד גורמים קריטיים אחרים כמו עוצמה, צריכת חשמל, ועלות חומרה. בפריסה של עולם אמיתי רבים, היתרונות של FSK בתחומים אלה להפוך את הבחירה המועדפת גם כאשר יותר מודולציות יעילות יותר הם טכנית אפשרי. כמו למידת, NOMA, ורדיו קוגניטיבי בוגר, FSK סביר להניח להיות שימושי כלי אמין עבור רשתות אלחוטיות.

לקריאה נוספת על יעילות FSK וספקטרום, ראה את ההפניות הבאות:

  • ג'ון פרוקיס, (FLT:0)Digital CommunicationsearFLT ( 1:1, 5th ed., מקגרו-היל, 2007 (פרקים 4-5 ב-FSK ויעילות רוחב הפס).
  • תקן IEEE 802.15.4-2020, "Low-Rate Wireless Networks" זמין ב-FLT:0IEEE SAIRFLT:1.
  • Bluetooth SIG, "Bluetooth Core Specification 5.3", "Bluetooth.comveFLT 1".
  • L. Vangelista et al., "Performance of a Cognitive Radio System" המבוסס על FSK Modulation, FLT:0IEEE עסקאות על תקשורת 10LT:1, Vol. 65, לא. 4, 2017.
  • A. Goldsmith, (FLT:0)Wireless CommunicationsearFLT:1, Cambridge University Press, 2005 (פרק 6 על מודולציה וגישה מרובה).