Die Herausforderung für die Breitband-Wireless-Technologie ergibt sich aus der Knappheit der Funkfrequenzressourcen. Regulierungsbehörden auf der ganzen Welt haben nur eine begrenzte Menge an Frequenzen für die kommerzielle Nutzung bereitgestellt. Die Notwendigkeit, einer ständig wachsenden Anzahl von Benutzern und Angeboten gerecht zu werden
Bandbreitenreiche Anwendungen, die ein begrenztes Spektrum nutzen, stellen den Systementwickler vor die Herausforderung, kontinuierlich nach Lösungen zu suchen, die das Spektrum effizienter nutzen. Überlegungen zur spektralen Effizienz wirken sich auf viele Aspekte des Entwurfs drahtloser Breitbandsysteme aus.
Das grundlegendste Instrument zur Erzielung einer höheren systemweiten Spektraleffizienz ist das Konzept einer Mobilfunkarchitektur, bei der anstelle eines einzelnen Hochleistungssenders zur Abdeckung eines großen geografischen Bereichs mehrere Sender mit geringerer Leistung verwendet werden, die jeweils einen kleineren Bereich abdecken. sogenannte Zelle, verwendet werden. Die Zellen selbst werden häufig durch den Einsatz von Richtantennen in wenige Sektoren unterteilt. Typischerweise bildet eine kleine Gruppe von Zellen oder Sektoren einen Cluster, und das verfügbare Frequenzspektrum wird auf die Zellen oder Sektoren in einem Cluster aufgeteilt und intelligent zugewiesen, um gegenseitige Störungen zu minimieren.
Das Muster der Frequenzzuteilung innerhalb eines Clusters wiederholt sich dann im gesamten gewünschten Versorgungsbereich und wird als Frequenzwiederverwendung bezeichnet. Für eine höhere Kapazität und spektrale Effizienz muss die Frequenzwiederverwendung maximiert werden. Allerdings führt die zunehmende Wiederverwendung zu einem größeren Störpotenzial. Um eine engere Wiederverwendung zu ermöglichen, besteht die Herausforderung daher darin, Übertragungs- und Empfangsschemata zu entwerfen, die unter Bedingungen eines niedrigeren Signal-zu-Interferenz-plus-Rausch-Verhältnisses (SINR) arbeiten können, oder wirksame Methoden zur Bewältigung von Interferenzen zu implementieren.
Eine wirksame Möglichkeit, mit Störungen umzugehen, ist die Verwendung einer Mehrantennenverarbeitung. Über die Nutzung der Mobilfunkarchitektur und die Maximierung der Frequenzwiederverwendung hinaus können mehrere andere Signalverarbeitungstechniken verwendet werden, um die spektrale Effizienz und damit die Kapazität des Systems zu maximieren. Viele dieser Techniken nutzen Kanalinformationen, um die Kapazität zu maximieren.
Schauen wir uns das Beispiel an.
Adaptive Modulation und Codierung:Die Idee besteht darin, die Modulations- und Codierungsrate pro Benutzer und/oder pro Paket basierend auf den vorherrschenden SINR-Bedingungen zu variieren. Durch die Verwendung der höchsten Modulations- und Codierungsrate, die vom SINR unterstützt werden kann, können die Benutzerdatenraten – und damit die Kapazität – maximiert werden. Adaptive Modulation und Codierung ist Teil des WiMAX-Standards.
Räumliches Multiplexing:
Die Idee hinter räumlichem Multiplexing besteht darin, dass mehrere unabhängige Streams parallel über mehrere Antennen übertragen und beim Empfänger durch entsprechende Signalverarbeitung über mehrere Empfangsketten getrennt werden können. Dies ist möglich, solange die Mehrwegekanäle, wie sie von den verschiedenen Antennen gesehen werden, ausreichend dekorreliert sind, wie es in einer streuungsreichen Umgebung der Fall wäre.
Räumliches Multiplexing bietet Datenraten- und Kapazitätsgewinne proportional zur Anzahl der verwendeten Antennen. Diese und andere Mehrantennentechniken werden in einem anderen Teil behandelt.
Effiziente Multi-Access-Techniken:Neben der Sicherstellung, dass jeder Benutzer das Spektrum so effizient wie möglich nutzt, müssen wirksame Methoden entwickelt werden, um die Ressourcen effizient auf mehrere Benutzer aufzuteilen. Dies ist die Herausforderung, die auf der MAC-Ebene des Systems angegangen wird. Eine höhere Effizienz bei der Spektrumnutzung kann durch die Kopplung von Kanalqualitätsinformationen in den Ressourcenzuweisungsprozess erreicht werden. MAC-Layer-Techniken werden in einem anderen Teil ausführlicher besprochen.
Es sollte betont werden, dass Kapazität und spektrale Effizienz nicht von der Notwendigkeit getrennt werden können, eine angemessene Abdeckung bereitzustellen. Wenn es nur um eine hohe spektrale Effizienz oder Kapazität ginge, wäre ein naheliegender Weg, dies zu erreichen, die Verringerung des Zellradius oder die Unterbringung von mehr Basisstationen pro Flächeneinheit.
Offensichtlich ist dies eine kostspielige Möglichkeit, die Kapazität zu verbessern. Daher ist es wichtig, die spektrale Effizienz umfassender zu betrachten und den Begriff der Abdeckungsfläche einzubeziehen. Die große Herausforderung beim Entwurf drahtloser Breitbandsysteme besteht darin, das richtige Gleichgewicht zwischen Kapazität und Abdeckung zu finden, das gute Qualität und Zuverlässigkeit zu angemessenen Kosten bietet.