Wyzwaniem dla szerokopasmowej sieci bezprzewodowej jest niedobór zasobów widma radiowego. Organy regulacyjne na całym świecie przeznaczyły jedynie ograniczoną ilość widma do użytku komercyjnego. Konieczność dostosowania się do stale rosnącej liczby użytkowników i ofert
aplikacje o dużej przepustowości i ograniczonym widmie stanowią wyzwanie dla projektanta systemu do ciągłego poszukiwania rozwiązań, które efektywniej wykorzystują widmo. Kwestie związane z wydajnością widmową mają wpływ na wiele aspektów projektowania szerokopasmowego systemu bezprzewodowego.
Najbardziej podstawowym narzędziem służącym do osiągnięcia wyższej wydajności widmowej całego systemu jest koncepcja architektury komórkowej, w której zamiast jednego nadajnika o dużej mocy do pokrycia dużego obszaru geograficznego, stosuje się kilka nadajników o niższej mocy, z których każdy pokrywa mniejszy obszar, zwane komórką. Same komórki są często podzielone na kilka sektorów za pomocą anten kierunkowych. Zazwyczaj mała grupa komórek lub sektorów tworzy klaster, a dostępne widmo częstotliwości jest dzielone pomiędzy komórki lub sektory w klastrze i inteligentnie przydzielane, aby zminimalizować wzajemne zakłócenia.
Wzór alokacji częstotliwości w klastrze jest następnie powtarzany w całym żądanym obszarze usług i nazywany jest ponownym wykorzystaniem częstotliwości. Aby uzyskać wyższą pojemność i wydajność widmową, należy zmaksymalizować ponowne wykorzystanie częstotliwości. Jednak częstsze ponowne wykorzystanie prowadzi do większego potencjału zakłóceń. Dlatego też, aby ułatwić ściślejsze ponowne wykorzystanie, wyzwaniem jest zaprojektowanie schematów transmisji i odbioru, które będą mogły działać w niższych warunkach stosunku sygnału do zakłóceń plus szum (SINR) lub wdrożyć skuteczne metody radzenia sobie z zakłóceniami.
Jednym ze skutecznych sposobów radzenia sobie z zakłóceniami jest zastosowanie przetwarzania wieloantenowego. Oprócz wykorzystania architektury komórkowej i maksymalizacji ponownego wykorzystania częstotliwości, można zastosować kilka innych technik przetwarzania sygnału, aby zmaksymalizować wydajność widmową, a tym samym pojemność systemu. Wiele z tych technik wykorzystuje informacje o kanale w celu maksymalizacji przepustowości.
Sprawdźmy przykład.
Adaptacyjna modulacja i kodowanie:Pomysł polega na różnicowaniu szybkości modulacji i kodowania w zależności od użytkownika i/lub pakietu w oparciu o panujące warunki SINR. Dzięki zastosowaniu najwyższego poziomu modulacji i szybkości kodowania obsługiwanego przez SINR, można zmaksymalizować szybkość transmisji danych użytkownika, a tym samym pojemność. Adaptacyjna modulacja i kodowanie są częścią standardu WiMAX.
Multipleksowanie przestrzenne:
Ideą multipleksowania przestrzennego jest to, że wiele niezależnych strumieni może być przesyłanych równolegle przez wiele anten i rozdzielanych w odbiorniku za pomocą wielu łańcuchów odbiorczych poprzez odpowiednie przetwarzanie sygnału. Można tego dokonać pod warunkiem, że kanały wielościeżkowe widziane przez różne anteny są dostatecznie zdekorelowane, jak miałoby to miejsce w środowisku bogatym w rozpraszanie.
Multipleksowanie przestrzenne zapewnia wzrost szybkości transmisji danych i pojemności proporcjonalny do liczby używanych anten. Tę i inne techniki wieloantenowe opisano w innej części.
Efektywne techniki wielodostępu:Oprócz zapewnienia możliwie najefektywniejszego wykorzystania widma przez każdego użytkownika, należy opracować skuteczne metody efektywnego podziału zasobów pomiędzy wielu użytkowników. Jest to wyzwanie skierowane do warstwy MAC systemu. Większą efektywność wykorzystania widma można osiągnąć poprzez łączenie informacji o jakości kanału w procesie alokacji zasobów. Techniki warstwy MAC są omówione bardziej szczegółowo w innej części.
Należy podkreślić, że pojemności i efektywności widmowej nie można oddzielić od konieczności zapewnienia odpowiedniego pokrycia. Jeśli chodziłoby wyłącznie o wysoką wydajność lub pojemność widmową, oczywistym sposobem osiągnięcia tego byłoby zmniejszenie promienia komórki lub upakowanie większej liczby stacji bazowych na jednostkę powierzchni.
Oczywiście jest to kosztowny sposób na poprawę wydajności. Dlatego ważne jest, aby spojrzeć na efektywność widmową szerzej, aby uwzględnić pojęcie obszaru pokrycia. Dużym wyzwaniem przy projektowaniu szerokopasmowego systemu bezprzewodowego jest znalezienie właściwej równowagi pomiędzy pojemnością i zasięgiem, która zapewniłaby dobrą jakość i niezawodność przy rozsądnych kosztach.