Modern Kablosuz Ağlarda Frekans Değiştirilmesine Giriş

Frekans Değiştirici (FSK) en eski ve en yaygın olarak kabul edilen dijital modulation teknikleri kablosuz iletişimde. temel prensibi - bağlantılama programının iki veya daha önceden belirlenmiş olan taşıyıcı frekansı değiştirmesiyle ikili verileri, özellikle FSK ve spektrum verimliliği arasındaki karmaşık ilişkiyi araştırıyor, aynı derecede sağlam sağlam sağlam bir şekilde ağ ağları ve bant genişliği ile çalışan ağ mühendisleri arasındaki ticari bağlantıları incelerken, bu makale, bu spektrumda kullanılan ağ mühendisleri arasındaki ilişkiyi inceler.

Spectrum verimliliği, çoğu zaman kendi başına ikinci başına ölçüldü (bps/Hz), FSK'nın ayak izi etkileri altında çalışan herhangi bir kablosuz sistem için kritik bir ölçümdür. Nesnelerin İnterneti (IoT) ve makine-makina iletişimi, düşük güç için popüler bir seçim olmaya devam ediyor, FSK, düşük güç için popüler bir seçim olmaya devam ediyor. Ancak, FSK'nın ayak izi etkilerinin multi-kulaklama ve genel ağ kapasitesinin verimli, gelecekteki dayanıklı sistemler tasarlamak için gerekli olduğunu anlamak.

FSK ve Spectrum Verimliliğinin Temelleri

FSK'nın spektrum verimliliğinin etkisini anlamak için, bu modülasyon tekniğinin temellerini ilk olarak gözden geçirmemiz gerekir. ikili FSK (BFSK), taşıyıcı frekansı iki farklı frekans arasında geçiş yapılır: ikili 1'i temsil eden ve bu iki frekansın arasındaki fark, bunu birden çok frekansa genişleterek, birçok bitleri daha karmaşıklığa ve artan karmaşıklığın ve gücü artırmanın maliyetine izin vermek için.

FSK sinyali tarafından işgal edilen bant genişliği, ortalama olarak aynı veri oranına eşitdir (veya M-DDDD)[Döneticileri kontrol etmek için aşağıdaki satırları otomatik olarak kontrol etmek için aşağıdaki satırları otomatik olarak kontrol etmek gerekir.[D) veya dört boyutlu ekranlara eşit olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak kapatılabilir.

Çok kullanıcılı bir bağlamdaki Spectrum verimliliği, kanal arasında ihtiyaç duyulan bekçi gruplarının fading kanal müdahalesinden kaçınmaları için de dikkate alınmalıdır. FSK'nin ⁇ yanlobes - enerji ana lob dışında yayılabilir – uygun filtreleme olmadan yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Multi-User Kablosuz Ağlarda FSK: Zorluklar ve Ticaret-Offs

Interference Problemi

Birden fazla cihazdan gelen eşzamanlı iletimler, aynı frekansta yayınlandığında (aynı frekansta yayınlandığında) ve bitişik kanal müdahale (konuş bantlarına sızdırıldığında) FSK sinyalleri özellikle de oldukça geniş ana lob ve önemli yanlobe enerjileri nedeniyle birbirine duyarlıdır.

Co-channel müdahalesi, diğer yandan, FSK sistemlerinde, sabit bir spektrumda desteklenebilen kullanıcıların frekans sapmalarının veya uçsuz olmasını sağlayarak azaltılabilir - frekans bölümünde birden fazla erişimde (FDMA) yaygın olarak kullanılır.

Birden Çok Access Teknikleri ve FSK

Çeşitli çoklu erişim stratejileri, spektrum verimliliğini artırmak için FSK ile eşleştirildi:

  • [FONT:0]Frequency Division Multi Access (FDMA): [FONTT:1] Her kullanıcı, düşük maliyet ve basitlik sağlayan bantlarda popüler kalır.
  • [[Dönetici:0)Time Division Multi Access (TDMA):) Kullanıcılar aynı frekansı paylaşıyor ancak TDMA-FSK'den ayrı bir süre sonra, özellikle de, modulation'ın daha geniş bant genişliği bu bağlamda olumsuz etkilemez, çünkü tüm grup bir kullanıcı tarafından sadece bir kullanıcı tarafından kullanılır. TDMA-K, özellikle de FDMA-FSK'dan daha yüksek verimlilik elde edebilir.
  • [[FİLMİN:0)Komün Çok Erişim (CDMA): [FONTT:1] CDMA'da, tüm kullanıcılar aynı frekans bandında aynı frekans bandında, benzersiz yayılma kodlarıyla ayrılmışlardır. FSK nadiren CDMA'de kullanılır, çünkü yayılma süreci daha dar bant müdahalesine karşı sağlam bir şekilde sağlar.
  • [FONT=0)Orthogonal Frekans Bölünmesi (OFDMA): [Dönderin, birçok veya alt köşeli alt taşıyıcılara, düşük seviyeli bir modülasyon şemasıyla yapılan her modda yüksek spektrum verimliliğini artırmaktadır.QAM veya PSK tipikken, FSK bireysel altkarrierler frekansta incelenmiştir.

Bu arasında FDMA ve TDMA, pratik sistemlerde FSK ile en yaygın kombinasyonlardır. Seçim, CSMA/CA'nın çok kullanıcı ortamları yönetmek için senkronizasyon gibi faktörlere bağlıdır ve örneğin IEEE 802.15.4 standart (Zigbee) FSK'nın bir formunu kullanır.

FSK'nın Spectrum Verimliliği Metrikleri Üzerine Etkisi

Multi-user ağlarında Spectrum verimliliği sadece modulation programı tarafından belirlenmiyor. Ayrıca kullanıcıların sayısına, trafik modellerine ve birden fazla erişim protokolüne bağlı. Bununla birlikte, FSK'nın özellikleri belli sınırlar getiriyor:

  • [FONT:0]Band genişlik kullanıcı başına:[Dönetici:[Dönetici:0))) Belirli bir veri oranı için, FSK, PSK veya QAM'dan daha fazla bant genişliği gerektirir. Bu nedenle, kullanıcı yoğunluğu sabit bir spektrum bloğunda, 20 MHz kanalda, BFSK'de 1 Mbps'de her biri 4 MHz ile en fazla 5 kanalda destek olabilir, aynı veri oranı 10 (2 MHz kanallarını destekler).
  • [FONTD:0]Spectral sidelobes ve bekçi grupları: [Dönetici: 1) Uygulamalı FSK vericileri (örneğin Gaussian FSK veya GFSK) kenarlarını azaltmak ve en aza indirmek için kullanılır. GFSK Bluetooth'ta kullanılır, kanal kanalın görüntülenmesi (1 MHz for Bluetooth Basic Rate) ve nispeten iyi verimlilik için Gaussian filtreleme ile, meşgul bant genişliği genellikle 2 kez sembolüdür.
  • [FONT:0]M-ary FSK daha yüksek verimlilik için: modulation order M belirli bir miktar için sembolü azaltır, böylece M-ary PS'nin yoğun verimliliğini daraltabilir, ancak daha yüksek sinyal-to-noise oranını azaltır ve aynı zamanda, frekans sapması küçük tutabilir ve M-ary FSK'nın genel bir bant genişliğine göre yüksek çözünürlükte artış sağlayabilir.

Tablo 1 ( HTML'ye dahil değil ama tarif edilen), ortalama FSK varyantlarının PSK ile karşılaştırdığı tipik ⁇ verimliliğini özetliyor ve örneğin, BFSK, artan bant ve güç ihtiyaçları nedeniyle geri dönüşler elde ediyor.Bu değerler mükemmel senkronizasyon ve öküzücü BPSK kanallarıyla; gerçek dünya çoklu kullanıcı senaryoları genellikle fading ve müdahale nedeniyle daha fazla verimsiz / edilebilmektedir.

FSK ile Spectrum Verimliliği Geliştirmek için Stratejiler

Adaptasyon ve Kodlama

Multi-user FSK ağlarında spektrum verimliliğini artırmak için en etkili yollardan biri, kanal koşullarına dayanan modulation parametrelerini adapte etmektir. Örneğin, kanal temiz olduğunda ve SNR yüksek olduğunda, temel sistem daha yüksek siparişlere geçiş yapabilir M-ary FSK, kanal artan bant genişliği olmadan biraz daha fazla artırmak için.Bu yaklaşım, yüksek verimlilik için BFSK'ye geri döner.

Gelişmiş Signal Processing ve Filtreleme

FSK sinyalini spektrumunu sınırlandırmak, filtrenin genişliği ve sembolünü azaltmak için kritiktir. Gaussian FSK (GFSK) en yaygın değişkendir, bir Gaussian düşük frekanslı filtre kullanarak, frekanslar arasında düzgün bir şekilde ilerleme sağlar. Filtreleme ve şekillendirme ürünü yanlobes'ü daha da azaltabilir, böylece daha sıkı kanal ve genel spektrumu 20-30 verimliliğini artırmak için% 30'u Bluetooth'ta sağlar.

Frekans Hopping ve Spectrum

FSK'yi frekans umutlu (FHSS) ile birleştirmek, aşırı koruma grupları olmadan aynı geniş bant etkisini azaltabilir.FHSS, taşıyıcı frekansını bir piçin dizisine göre umut ederek geniş bir grup üzerinden sinyale yaymaktadır. Bu, sistem daha dar bant müdahalesine daha dayanıklı hale getirir ve birden çok kullanıcı aynı geniş bantlı grubu aşırı koruma grupları olmadan paylaşmanızı sağlar. Bluetooth FHSS'yi kısa süreli bir şekilde kullanır.

Çok Kullanıcı Tespiti ve MIMO

Alıcıda, çoklu kullanıcı tespiti (MUD) FSK sinyalleri, frekanslarının dengelendiği veya tahmin edilebilirse örtüşebilir. Bu, birden çok kullanıcının aynı frekansta aynı frekansta, dramatik olarak artan spektrum verimliliğine sahip olmasına izin verir. MUD, önemli bir hesaplama kaynağı gerektirir, ancak modern dijital sinyal işlemcileri ile bağlantı kurmakta ve güvenilir bir şekilde kullanılabilir.

Vaka Çalışmaları: Gerçek Çok Kullanıcı Ağlarında FSK

Bluetooth / Bluetooth Low Energy

Bluetooth Basic Rate, GFSK'yı 0,8'in modulation indeksi ile 0,5'e kadar kullanır, 2.4 GHz ISM bandında 79 kanal 1 MHz ayrı. Standart, frekans umutlu ve bir resimde verimlilik 8 aktif cihazda desteklenebilir. tek bir Bluetooth bağlantı ile spektrum verimliliği, 1 Mbps /Hz'ye kadar 1 mm veya 1 bps /Hz'ye kadar sabit bir bant genişliğine sahiptir, ancak diğer fotonlardan gelen toplam verimlilik için 0.5'lik bir miktar daha düşük enerjidir.

IEEE 802.15.4 (Zigbee) ve Gelişen IoT Standartları

Zigbee, dengeleme QPSK (bu, FSK'nın bir biçimidir) doğrudan tutarlılık yay spektrumu (DSSS) ile 5 MHz kanalında 250 kbps çalışır, 0.05 bps /Hz. Düşük görünüyorken, spread spektrumu birden fazla Zigbee ağlarının daha düşük düzeyde koordinasyona olanak sağlar. Sistem çok fazla güvenliğe sahip olması ve müdahale ortamları endüstriyel IoT için uygun hale getirir.

LoRa (Uzun bir aralık)

LoRa, Chirp spread Spectrum (CSS) olarak bilinen FSK'dan elde edilen özel bir yayılma-spektrum tekniğini kullanıyor, frekans değiştirme ilkelerini paylaşıyor. LoRa, ortalama düşük veri oranlarının düşüklüğüne kadar düşük olan cihazlara (yaklaşık 157 dB) iletiyor - 300 bps'den 50 kbps'ye kadar – 500 kHz'ye kadar bir ölçeklendirme kapasitesinin veya uzun süre gecikmeli verimliliğin arttırılması için.

FSK için gelecek rotası Spectrum-Efficient Kablosuz Sistemleri

Kablosuz ağ büyük IoT'ye doğru hareket ettiğinde, ultra-reliable düşük-latency iletişim (URLLC), ve bilişsel radyo, FSK bazı nişlerde yenilenen bir ilgi görebilir.

Dahası, makine öğrenimi tabanlı alıcıların gelişimi, FSK'nın daha fazla ⁇ li verimli modulations ile birlikte çalışabilmesine izin verebilir. Neural network decoders, frekansları çakışma ile birden çok FSK sinyalleri ayırabilir ve kodlayabilir, bu yaklaşım hala araştırma aşamasındadır, ancak gelecekteki 6G sistemleri için söz verir.

Başka bir eğilim, FSK ile birlikte alıcı tasarımının kullanılmasıdır. NOMA, FSK-NOMA'nın tüm farklı güç seviyelerinin aşırı sağlanacağına dair birçok kullanıcının verdiği gibi, FSK'nın düşük gelirli bir güç oranıyla (PAPR) daha yüksek verimli hale getirilmesini sağlar.

Son olarak, FSK'nın Orthogonal Zaman Frekans Uzayı (OTFS) modulation ile kombinasyonu - yüksek hareket kanalları için tasarlanmış - araştırılıyor. OTFS gecikmeli alanda verileri yayıyor ve FSK bu tür bir çerçevede frekans çeşitliliği sağlayabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

FSK, çok kullanıcı kablosuz ağlarında değerli bir modülasyon tekniği olarak kalır, özellikle de FDMA sistemlerinde desteklenen kullanıcıların sayısını azaltır, M-ary FSK gibi stratejiler kullanarak, adaptif modülasyon, gelişmiş filtreleme (GFSK), frekans aralığı ve çoklu kullanıcı algılama, mühendisler bu dezavantajları azaltabilir ve kabul edilebilir düzeydeki verimliliği artırabilir.

Anahtar çeki, spektrum verimliliğinin izolasyonda değerlendirilmemesi gerektiğidir - makine öğrenimi gibi diğer kritik faktörlere karşı dengeli olması, güç tüketimi ve donanım maliyeti. Birçok gerçek dünya dağıtımlarında, FSK'nın bu alanlardaki avantajları, teknik olarak daha verimli modülasyonlar mümkün olduğunda tercih edilebilir bir seçim yapmak gerekir. makine öğrenimi gibi yeni teknikler, NOMA ve bilişsel radyo olgunluğu gibi, FSK muhtemelen kablosuz mühendisinin araçta faydalı bir araç olarak, yüksek çözünürlükte çok kullanıcı ağları için kullanışlı olacaktır.

FSK ve spektrum verimliliği hakkında daha fazla okuma için aşağıdaki referansları görün:

  • John G. Proakis, [[0) Dijital İletişim), 5. ed., McGraw-Hill, 2007 (Chapters 4-5 FSK ve bant verimliliği üzerinde).
  • IEEE Standard 802.15.4-2020, "Dört Kablosuz Ağlar", [[0)IEEE SA[Dönemli: 1) mevcut.
  • Bluetooth SIG, "Mavi Çokt Zorunlu Özellikler 5.3", [[Düzg.com).
  • L. Vangelista et al., "FSK Modulation"a Dayanlı Bilişsel Radyo Sisteminin Değerlendirilmesi", [[0)IEEE Transactions on Communications[[Dönetici: 1), vol. 65, no. 4, 2017.
  • A. Goldsmith, [[0)Wireless Communications), Cambridge University Press, 2005 (Chapter 6 modulation and multiple access).