Chapter 6 Broadcasting Systems

Asymmetric communication (sender – receiver ปริมาณข้อมูลไปกลับไม่เท่ากัน) Unidirectional broadcasting คือ กรณีสุดโต่ง วิทยุและทีวีกำลังจะเป็นแบบ fully digital digital audio broadcasting (DAB) - ไม่ได้รับความนิยมแพร่หลายในประเทศไทย digital video broadcasting (DVB)

ใช้สถานีภาคพื้นดิน / TRUE ใช้ดาวเทียมไทยคม / CTH ใช้ดาวเทียมเวียดนาม

แบบไม่ฟรี ใช้จานรับสัญญาณหรือสายเคเบิ้ล มีการเข้ารหัสข้อมูล ต้องใช้กล่องพิเศษ

ผู้ส่ง broadcast ออกไปทุก packet แต่ผู้รับเลือกแค่บาง packet เท่านั้น เช่น ผู้รับบางคนเลือกฟังวิทยุ บางคนเลือกรับข้อมูลจราจร ผู้ส่งต้องตัดสินใจว่าจะเรียง packet ในแกนเวลายังไงให้ดีที่สุด (ปัญหาคล้ายๆ CPU Scheduling)

Cyclical repetition of data blocks (เรียกว่า broadcast disk) Flat disk แต่ละ block ใช้เวลาส่งเท่าๆ กัน Skewed disk ส่ง A ซ้ำ ถ้า A ตัวแรกเสียอ่านไม่ได้ ก็ยังมีโอกาสอ่านได้จาก block ถัดไป (อ่านข้อมูลได้ถูกต้องมากขึ้น) Multi disk กระจาย A ไปทั่วๆ ลด delay time (เพิ่ม responsiveness) ตัวอย่าง A คือ road conditions B คือ weather report C คือ latest events D คือ music และ menu สำหรับ access ช่อง A, B, C และอื่นๆ (ไม่ได้ fix ช่องรายการไว้) ใช้ broadcast disk คือ DADBDADCDADBDADC ฝั่งผู้รับต้องทำ cache เพื่อลด waiting time ของผู้ใช้ เช่น เดา pattern ของผู้ใช้ หรือเดาเวลาที่มักจะใช้ข้อมูลนั้น

Digital Audio Broadcasting (DAB) ใช้ single frequency networks (SFN) แบ่งช่องโดยใช้ time division (TD) ใช้ความถี่ VHF และ UHF ส่งสัญญาณ ใช้พลังงานน้อยกว่าสถานีวิทยุ FM ใช้ modulation แบบ DQPSK

รูปนี้จะอธิบายทีหลัง Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ปริมาณข้อมูลมาก ใช้ subcarriers เดียวไม่พอ OFDM ใช้กับ DAB, DVB, 4G Frequency Domain รูปนี้จะอธิบายทีหลัง

Digital Video Broadcasting (DVB) DVB-S ใช้ satellite DVB-C ใช้ cable technology DVB-T ใช้ terrestrial transmission ทุกมาตรฐานใช้ MPEG-2 เป็นหลัก Digital Radio https://www.youtube.com/watch?v=HewjoIVNvME Digital TV https://www.youtube.com/watch?v=ylNuJaB1OuQ

International Organization for Standardization (ISO) vs International Organization for Standardization (ISO) vs. International Telecommunication Union (ITU)

MPEG2 vs. MPEG4 The Moving Pictures Experts Group, or MPEG, is the body responsible for the standards that we often use for video encoding. MPEG2 is the standard that was created to encode high quality videos, meant to be used for the, then emerging, DVD media. MPEG4 was developed much later, as an encoding method for devices with limited resources. Portable devices, like media players and mobile phones, use this format, as well as online stores who provide the hiring of video and audio files. MPEG4 is the preferred format for devices, as it yields a file that is under 1G for most full length movies. This is a far cry from MPEG2, which can only produce files with five times the size. Storing MPEG2 files will not be a problem on DVDs, as the usual DVD capacity is over 4GB, but is a major issue with portable devices. MPEG4 also made it practical to buy and download videos online, as MPEG2 videos are quite large, and take a long time to download. The small file size of MPEG4 files directly translates to a lower bandwidth needed, when streaming recorded or real-time videos through the internet. http://www.differencebetween.net/technology/difference-between-mpeg2-and-mpeg4/

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) สัญญาณคลื่นปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดเดียวกัน แต่ first ray มาจาก short path ส่วน second ray มาจาก long path (มาถึงช้ากว่า) ส่วนที่ overlap กัน (มากถึง 40%) จะทำให้เกิด inter-symbol interference (ISI) เอามาจากหนังสือ An Introduction to LTE

ใช้ 4 sub-carriers (frequencies) ถ้ารักษา data rate ให้เท่าเดิม symbol duration จะยาวขึ้น 4 เท่า จาก 2.5 𝜇s เป็น 10 𝜇s ส่วนที่ overlap กันน้อยลงเหลือไม่เกิน 10% (ส่วนที่ overlap ระหว่าง symbol ที่ต่างกัน - ดูสีที่ต่างกัน) ใช้ OFDM (เพิ่ม #subcarriers) เพื่อลด Intersymbol Interference

การทำ digital modulation ใช้ Quadrature phase shift keying (QPSK) ถึงจะตั้งฉากกัน (orthogonal) เช่น fn = n × f0 ผู้ส่งทำ Inverse DFT หรือ Inverse FFT ไม่สร้าง Sin wave ของแต่ละความถี่ แล้วเอามาบวกกัน หรือผสมกันในอากาศ (แบบนั้นช้า) ผู้รับต้องทำ Discrete Fourier Transform (DFT) หรือ Forward Fast Fourier Transform (Forward FFT)

4G LTE eNB = Evolved Node B UE = User Equipment eNB = Base Transceiver Station

การจัดการความถี่ของ OFDM ที่ Base Transceiver Station (BTS) UE ต้องใช้ frequency ที่อยู่ติดกัน เพื่อทำ DFT/FFT ใช้ไปนานๆ เกิด Hole หรือ External Fragmentation แน่นอน

Why 15 KHz for sub-carrier spacing ? ทำไมถ้าลด sub-carrier spacing แล้ว จะเสี่ยงต่อการรบกวนเมื่อเคลื่อนที่เร็วๆ เช่น ขับรถ ขึ้นรถไฟความเร็วสูง ถ้าใช้ความถี่ f คำนวณได้มั๊ยว่าจะเคลื่อนที่ได้เร็วที่สุดเท่าใด ทำไมถ้าเพิ่ม sub-carrier spacing แล้ว จะเสี่ยงต่อการเกิด inter-symbol interference (ISI) เดาว่าเพื่อให้ data rate เท่าเดิม (ใช้ sub-carrier spacing น้อยๆ) ก็ต้องใช้ symbol duration ที่สั้นลงเพื่อชดเชย ก็เสี่ยงกับ ISI โดยเฉพาะใน cell ที่มีขนาดใหญ่ paths จะมีความยาวแตกต่างกันมาก Note: clutter is a term used for unwanted echoes in electronic systems, particularly in reference to radars.

เพื่อลดการรบกวน ดังนั้น re-use factor = 25% GSM (2G) มี re-use factor แค่ 25% เพื่อลดการรบกวนระหว่าง cell (แต่ละ cell ใช้ความถี่ได้แค่ 25%) CDMA (3G) มี re-use factor 100% มีการรบกวนสูงที่รอยต่อระหว่าง cell (ทุก cell ใช้ความถี่เหมือนกันหมด) OFDMA (4G) Cell center: re-use factor 100% Cell edge: re-use factor 33% GSM (2G) แต่ละ cell ใช้ความถี่แค่ 1/4 ของความถี่ทั้งหมด กรณีนี้ต้องการ cell ที่ใช้ความถี่เดียวกันอยู่ห่างกัน 1 ช่องเสมอ เพื่อลดการรบกวน ดังนั้น re-use factor = 25%

2016 เทคโนโลยี 4G ใช้คลื่นความถี่ที่ประมูลมาได้คุ้มค่ามาก รองรับปริมาณผู้ใช้งานใน cell ได้จำนวนมาก ลองคำนวณดู เช่น AIS ประมูลความถี่ได้ bandwidth ประมาณ 15 MHz จะรองรับผู้ใช้ใน cell ได้เท่าใด ?

Amplitude ติดลบได้ ในคณิตศาสตร์ จะเห็นว่าที่จุด peak ของ sub-carrier หนึ่ง จะตัดกับจุดที่ sub-carrier อื่นๆ เป็น 0 ดังนั้น ถ้าจะอ่าน sub-carrier หนึ่ง ก็ให้อ่านที่จุด peak ก็จะไม่โดน sub-carrier อื่นๆ รบกวน นี่คือเหตุผลที่ใช้ Orthogonal Frequency Amplitude ติดลบได้ ในคณิตศาสตร์

รูป sub-carrier ใน frequency domain เกิดจาก square wave ถ้าส่ง square wave จะเกิดการรบกวนที่ center frequency น้อยที่สุด (ใช้orthogonal frequency) แต่เวลาใช้งานจริงๆ ไม่ได้ส่ง square wave แต่ใช้ sine wave (QPSK) จะยังเกิดการรบกวนน้อยที่สุดหรือไม่ ? http://rfandwireless.com/5/

น่าจะใช้ random data ในการสร้างสัญญาณ QPSK QPSK Spectrum 1 sub-carrier น่าจะใช้ random data ในการสร้างสัญญาณ QPSK Frequency Domain http://www.etti.unibw.de/labalive/app/spectrumdemo/

รูปนี้เกิดจาก QPSK ไม่ใช่ Square Wave 10 sub-carriers

Inverse DFT ติดต่อขอ Textbook จากอาจารย์ ดูบทที่ 8 หน้า 141

Discrete Fourier Transform (DFT) ติดต่อขอ Textbook จากอาจารย์ ดูบทที่ 8 หน้า 141 เครื่องรับใช้ DFT เพื่อแยกสัญญาณ

ถ้าใช้ QPSK แล้วทำ DFT จะรู้ได้อย่างไรว่าที่ส่งมาเป็นแบบ 1, 2, 3 หรือ 4 เพราะ DFT แล้วจะได้ SINE กับ COSINE เท่านั้น ไม่มี phase shift 1 2 3 4 ต้องทำ DFT ของช่วงที่ 1, 2, 3, 4 แยกกัน sin(A + B) = sin(A)cos(B) + cos(A)sin(B) กรณี 1: f(x) = sin(x + 45) = sin(x)cos(45) + cos(x)sin(45) = 1 2 sin(x) + 1 2 cos(x) = (+, +) กรณี 2: f(x) = sin(x + 135) = sin(x)cos(135) + cos(x)sin(135) = – 1 2 sin(x) + 1 2 cos(x) = (–, +) กรณี 3: f(x) = sin(x + 225) = sin(x)cos(225) + cos(x)sin(225) = – 1 2 sin(x) – 1 2 cos(x) = (–,–) กรณี 4: f(x) = sin(x + 315) = sin(x)cos(315) + cos(x)sin(315) = + 1 2 sin(x) – 1 2 cos(x) = (+, –)

Term Project: OFDM (15 คะแนน) ส่งข้อมูลประมาณ 100 บิต ใช้ sub-carrier อย่างน้อย 5 ตัว Sub-carrier ตัวกลางอยู่ที่ประมาณ 850 - 2100 MHz แต่ละ sub-carrier อยู่ห่างกัน 15 kHz ใช้ modulation แบบ QPSK เทียบกับ reference signal หรือตัวเอง ภาคส่ง (Transmitter) แสดงรูปสัญญาณของทุก sub-carrier แสดงรูปสัญญาณรวม บังคับใช้ Inverse DFT ในการสร้างสัญญาณรวม (ผลบวกของ sub-carriers ทั้งหมด) ภาครับ (Receiver) บังคับใช้ DFT ในการแยก sub-carrier ออกมาจากสัญญาณรวม แสดงรูปสัญญาณของทุก sub-carrier และบอกว่าบิตข้อมูลที่ส่งมาคืออะไร (อ่านให้ฟังจากรูป)

Term Project: OFDM แสดงรูป frequency domain ของแต่ละ sub-carrier (Square Wave) แสดง time domain ของรูปนี้ (ใช้ 5 sub-carriers ก็พอ)

Term Project: OFDM แสดงรูป frequency domain ของแต่ละ sub-carrier (QPSK) แสดง time domain ของรูปนี้ (ใช้5 sub-carriers ก็พอ)