האתגר של מחסור בספקטרום במערכות אלחוטיות מודרניות

תקשורת אלחוטית היא עמוד השדרה של החיים המודרניים, תמיכה בכל דבר מסטרימינג וידאו ומדיה חברתית למכוניות אוטונומיות ואינטרנט תעשייתי.כפי שמספר המכשירים המחוברים מתפוצץ ויישומים רגישים לנתונים הופך להיות כל כך לא זמין, טווח הרדיו - המשאב הטבעי הסופי שעליו כל אותות אלחוטיים - הפך יותר ויותר קבוע של מערכות מסחר - במקום זאת, הוא הופך להיות מכווץ יותר ויותר גבוה יותר, ללא צורך בלהקות חדשות, אשר הם בקושי מסוגלים לחקור את אותו פרק זמן קצר יותר ויותר.

מימון של M-ary Modulation

(הופנה מהדף ה-BPSK) או תוכניות של שינוי בינארי (BPSK) או מפתח קבוע בתדר בינארי (BFSK), קודמים קצת לסמל.זה אומר שיעור הסמל ב-Bud שווה את קצב ה bit ב bps. בעוד פשוט, גישה זו אינה יעילה במונחים של שימוש רוחב פס.

(ב) ויקרא י"ד:2 ויקרא י"ד:

(ב) למשל, M=4 (4-ary) מעביר 2 ביטים לסמל, M=8 משדר 3 ביטים, ו- M=16 משדר 4 ביטים.שיעור הסמל (שיעור ה-baud) הופך ל-FLT:0RIRFLT:1s:2=RLT3bn) לעומת זאת, הוא מספר גבוה יותר של רוחב פס רוחב פס של 10-10Fbn.

תהליך ה- Modulation ו- Constellation Diagrams

במודולציה M-ary, ממפה מודולטור כל קבוצה אפשרית של ההרחבה:0kkekcioFLT:1 bits to a waveform ייחודי. these waveforms different in amplitude, שלב, תדירות או שילוב של שם של כל אותות המועברים בדרך כלל מיוצגים באמצעות תרשים FLT:2consation דיאגרמות של 3FLT, שבו כל נקודה להפחתה של נקודות קצה של טווח מסוים בין הסימנים לדרגה גבוהה יותר של המשתנים של המשתנים (או-או-או-ה) לבין המשתנים באופן ישיר בין הסימנים.

סוג של M-ary Modulation Schemes

משפחות רבות של מודציה M-ary משמשות באופן נרחב, כל אחת מהן עם מאפיינים ייחודיים המתאימים ליישומים שונים.

M-ary Phase Shift Keying (M-PSK)

ב M-PSK, שלב המוביל לוקח אחד מערכי M באותה מידה.לדוגמה, QPSK (M=4) משתמש ארבע מדינות שלב נפרדות על ידי 90 מעלות, ומאפשר 2 ביטים לסמל.תוכניות סדר גבוה יותר כמו 8-PSK ו-16-PSK קיימים, אך ככל שמגבר מעבר לשמונה מדינות שלב הופכות כל כך קרובות עד כי רעשים קלים משחיתים את האות.

M-ary Quadrature Amplitude Modulation (M-QAM)

M-QAM משתנה גם את האמפולדה ואת שלב של המוביל, יצירת קבוצה מלבנית דו-ממדית.עם M=16, 64, 256, 256, ואפילו 1024, QAM משיגה יעילות גבוהה מאוד של ספקטרלית.לדוגמה, 256-QAM משדר 8 מ"ג לסמל ומשמש ב-4G LTE מתקדם ו-5G רדיו חדש.

M-ary Frequency Shift Keying (M-FSK)

M-FSK משתמשת בתדרים שונים כדי לייצג סמלים.It שומרת על מעטפה קבועה, מה שהופך אותו חסין לעיוותים של mplitude. רוחב הפס של M-FSK גדל ליניארי עם M (כיוון שכל סמל משתמש בתדירות נפרדת), כך שהוא לא כמו מכשירים רוחב פס-יעילות כמו PSK או QAM. עם זאת, M-FK מציעה עמידות מעולה נגד fading והפרעה.

Bandwidth Efficiency Analysis

המדד העיקרי להערכת ניצול רוחב הפס הוא FLT:0spectralיעילות FLT:1, נמדד ב ביטים לשנייה בהרץ (bps/Hz) עבור תוכניות M-ary Modulations בתוסף אידיאלי תוספת לבן Gaussian רעש (AWGN) ערוץ ספקטרום הוא בערך שווה ל-FLT2(M)R=1=L=1=L2K) , אך הוא מציע שיפור בסיסי (ApQ) 2.

כדי להמחיש, לשקול מערכת Wi-Fi הפועלת בערוץ 20 MHz.שימוש 256-QAM עם שיעור קידוד של 5/6, השכבה הפיזית יכולה להשיג בערך 7.5 bps/Hz, הניב שיעור נתונים גולמי קרוב ל-150 Mbps.אם אותה מערכת המשמשת QPSK, יעילות ספקית תרד ל-1.5 Bps/Hz, תוך הגבלת חישוב ל- Mbps זה שיפור משמעותי של רוחב פס.

השוואות נפוצות M-ary Schemes

הסיכום הבא ממחיש את ההסכמים בין יעילות ספקטרלית לבין עוצמה:

  • (ב) ⁇ (ב-PSK) (ב"ג): 1 bps/Hz, חזק מאוד, בשימוש בערוצי בקרה ובקשרי מדרגה נמוכה.
  • (ב) ⁇ :0 (QPSK (4-PSK): 1FLT:1 2 bps /Hz, איזון טוב, בשימוש נרחב בלוויינים ובשליטה סלולרית.
  • (FLT:0)16-QAMIR: 1FLT 4 bps/Hz, דורש גבוה יותר SNR, נפוץ בערוצי נתונים של 3G/4G/5G.
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) 256-QAMI: 1FLT 1 8 bps/Hz, דורש SNR מעולה, נמצא ב-5G NR ו-Wi-Fi 6.
  • (FLT:01024-QAM: 10 bps/Hz, המתעורר ב-5G מתקדם, דורש תיקון גבוה מאוד של SNR ושגיאה מתקדמת.

סחר-offs ומגבלות מעשיות

היתרונות של M-ary Modulation מגיעים עם אתגרים משמעותיים שיש לנהל באמצעות עיצוב מערכת זהיר.

אותות ל-Noise Ratio ו-שגיאה Performance

ככל שמגדל, נקודות הקונסטלציה הופכות ארוזות יותר, מצמצם את המרחק המינימלי בין סמלים סמוכים.זה הופך את המודולציה לרגישה יותר לרעש, הפרעה ופגיעה בתקשורים.עבור שיעור שגיאה מעט (ER), המודולציה גבוהה יותר דורשת מודולציה:0 גבוה יותר SNRFLT:1 לדוגמה, כדי להשיג ערימה של 10-6 ב-AWGNW, 24BQ זקוקה ל-DQ1, כלומר, 1DQ1, 1DQ1, כלומר, 1DQ1, 1DQ1, 1 8.51, 1DQ1, כלומר, 1DQ1, 1DQ1, 1DQ1, כלומר, כלומר, כלומר, 1DQ דורש, 1DQ1, 1DQ1, 1DQ1, כלומר, כלומר, 1DQ1, 1DQ דורש, ל-DQ דורש פחות גבוה, כלומר, ל-DQ1, כלומר, כלומר, כלומר, ל- 10.

כוח Amplifier Linearity

תוכניות שינוי עם וריאציות amplitude, במיוחד QAM, דורשות מגברי כוח ליניאריים מאוד כדי למנוע מעוות את האות.מגברים לא-לינאריים לגרום לקונסטלציה של ספקטרום ו-spectral regrowth, ביצועים משפילים ולהגדיל את פליטות מפס.

המונחים: Complexity

מודולציה גבוהה יותר דורש עיבוד אותות דיגיטליים מתוחכמת יותר (DSP) עבור הן Modulation והן הדגמה. המקלט חייב לבצע התאוששות נושא מדויקת, סינכרוניזציה תזמון, ושווה כדי לפענח נכונה את הסמלים. as M עולה, המקלט הופך מורכב יותר, הדורש רזולוציה גבוהה יותר של אנלוגי-ל-דיגיטליים, שבבי DSP חזקים יותר, ואלגוריתמים מתקדמים יותר כגון מקסימום-lihood או גילוי רך על ידי צריכת גבוהה יותר.

יישומים מעשיים במערכות אלחוטיות מודרניות

המודולציה M-ary אינה מושג תיאורטי; היא מופקת בכל תקן אלחוטי גדול כיום.

רשתות סלולריות (4G LTE ו-5G NR)

Long-Term Evolution (LTE) משתמש QPSK, 16-QAM, ו-64-QAM עבור הקישור שלה, עם 256-QAM הציג LTE מתקדם Pro. 5G רדיו חדש (NR) מרחיב את הקופס כדי לכלול 256-QAM כתנאי חובה ו -1024-QAM כאופציונלי עבור תרחישים ביצועים גבוהים.מודולציה הסתגלות וקידוד (AMC) באופן דינמי את סדר בפועל ערוץ זה מבוסס על ידי התאמה אישית של המכשיר (C) באמצעות התקן מבוסס על ידי התקן טיפול סלולרי של מערכת הפעלה (I לוח זמנים קריטי עבור איכות).

רשתות שטח אלחוטיות (Wi-Fi)

משפחת IEEE 802.11 אימצה בהדרגה את המודולציה M-ary. Wi-Fi 4 (802.11n) שימשה עד 64-QAM, Wi-Fi 5 (802.11ac) הוסיף 256-QAM, ו-Wi-Fi 6 (802.11ax) הציגה 1024-QAM. Wi-Fi 7 (802.11be) צפוי לתמוך 4096-AM, כדי להשיג מספר רב של מבנים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, בתדירות גבוהה יותר של מספר רב-i-F (D) ו-i-i-i-F) באמצעות , ב-i-i-i-i-i-i-i-i-F) כדי לאפשר ל-QD-QD) ל-QD-QD-QD) ל-QD-QD-QD-QD-Qx (D) גישה ל-QD-QD-QD-QKMAx (בסביבות מספר מבנים מרובים (בסביבות מספר רב-QD) ל-QD) ל-QD-QKMAx) ל- 1024-QD-QD-QD-QD

תקשורת לווין

לווינים פועלים עם כוח מוגבל ולעתים קרובות על פני מרחקים ארוכים, מה שהופך את המודולציה החזקה חשובה.מערכות לוויין ישנות יותר בשימוש QPSK, אבל לווייני high-pput מודרני (HTS) להשתמש 8-APSK, 16-APSK (השינוי ב-amplit-phase Shift keying), ו-32-APSK כדי להגביר את יעילות הספקטרום הדיגיטלי של שידור וידאו סטנדרטי-S2X תומך עד 256A-Repation.

אינטרנט של דברים (IoT) ורשתות בעלות עוצמה נמוכה

בהפוך קיצוני, יישומים רבים של IoT עדיפות טווח חיי סוללה על פני שיעור נתונים.טכנולוגיות כמו LoRaWAN להשתמש מפתח מו-ריי-תדירות משתנה (M-FSK) עם טכניקות ספקטרום מבוזרות כדי להשיג תקשורת ארוכת טווח בעוצמה נמוכה מאוד.כאן, M הוא בדרך כלל קטן (למשל, 2 או 4), וההתמקדות היא על יעילות לא ספקית.

טכניקות מתקדמות: Modulation וקידוד הסתגלות

אין סדר מודולציה יחיד הוא אופטימלי עבור כל התנאים.מערכות מודרניות להעסיק את המודולציה של FLT:0 , codingFLT 1 (AMC) כדי לבחור באופן דינמי את התוכנית הטובה ביותר M-ary המבוססת על מדידות איכות קישור בזמן אמת. המקלט מעריך את יחס אות-ל-מעבר להגדרה (SI) ומזין בחזרה אינדיקטור איכות (CQI) כדי לשדר את השגיאה גבוהה באמצעות התקן QM.

מדגימים את אתגר רעש: תיקון שגיאות ושוויון

הפגיעות המוגברת של מודולציה גבוהה M-ary לרעש והתערבות מטופלים על ידי תיקון שגיאות מתקדם (FEC) קודים ושווי ערוץ שווה.קודים מודרניים כגון קודים טורבו, קודים LDPC, וקודים קוטביים יכולים לתקן שגיאות סמל רבות, המאפשרים M גבוה יותר לשימוש ב SNRs נמוך יותר מאשר במקרה של טיפול רב-מחדש (למשל, 5GNR משתמש קודים עבור נתונים עם ערוצים עם ביצועים חד-מונים חזקים יותר, והשגת תפקודים).

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר ממשיך לדחוף את המודולציה M-ary למגבלותיה.מחקר חוקר אפילו קבוצות גדולות יותר, כגון 4096-QAM עבור Wi-Fi 7 ו-16384-QAM לתקשורת עתידית של טרההרץ.עם זאת, ה-Fal-off היסודי בין יעילות ספקטרום ו-SNR כופים גבולות מעשיים. Beyond QAM, תוכניות מודולריות חדשות מפותחות:

  • (FLT:0)Geometric מעצב: FLT:1, אופטימיזציה של עמדות נקודת הכוכבים כדי למקסם את המרחק המינימלי עבור כוח ממוצע נתון, שיפור ביצועים על פני ריבוע סטנדרטי QAM.
  • (FLT:0) עיצוב פרובביליסטי: 1FLT: שימוש בהסתברות של סמל לא אחידה להפחית את הכוח הממוצע הנדרש, ומאפשרת ל-M יעיל יותר עבור אותו SNR.
  • (FLT:0) Index Modulation:FLT:1 Encoding מידע נוסף על ידי הפעלת תת-תחומים שונים של משאבים (למשל, אנטנה מדדי, תת-קרר אינדקס), בעצם יצירת מימד חדש עבור M-ary Modulation.
  • (FLT:0) Machine Learning-sted Demodulation:cioFLT) 1 מודלים למידה עמוקה יכולים לסווג נקודות קבוצות מסדר גבוה בנוכחות ליקויים מורכבים, פוטנציאל לאפשר גבוה יותר M מאשר גלאי קלאסי.

חידושים אלה, בשילוב עם אי-פעם של עיבוד דיגיטלי תיקון שגיאות, ישמרו את המודולציה M-ary בחזית עיצוב מערכת אלחוטית במשך שנים.

מסקנה

M-ary Modulation היא טכניקה בסיסית לשיפור ניצול רוחב פס בתקשורת אלחוטית.על ידי העברת ביטים מרובים לסמל, היא מאפשרת שיעורי נתונים גבוהים יותר באותה הקצאה ספקטרלית, ישירות בהתמודדות עם הבעיה של מחסור בספקטרום. Schemes החל מ QPSK חזק ל- 256 קיבולת אלחוטית 256-QAM ומעבר לכך הם מפוזרים על פני התא, Wi-Fi, לווין, ומערכות IoT המעשיות של יישום יעיל של יעילות מתקדמת ו-of-the-of-the-the-of-of-the-the-the-the-of-the-the-the-the-the-the-the-the-the-the-of-of-the-the-the-the-the-the-the-the-the-the-the-in-of-the-in-in-the-in-in-the-in-the-the-the-in-in-in-in-the-the-the-the-the-the-the-the-in-the-the-the-of-of-the-the-the-the-the-the-in-the-the-the-in-in-the-in-