Exercise 4.7: Several Parallel Gaussian Channels
Die Kanalkapazität des AWGN–Kanals mit dem Kennzeichen $Y = X + N$ wurde im Theorieteil wie folgt angegeben
(mit der Zusatz–Einheit "bit”):
- $$C_{\rm AWGN}(P_X,\ P_N) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {P_X}/{P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$
Die verwendeten Größen haben folgende Bedeutung:
- $P_X$ ist die Sendeleistung ⇒ Varianz der Zufallsgröße $X$,
- $P_N$ ist die Störleistung ⇒ Varianz der Zufallsgröße $N$.
Werden $K$ identische Gaußkanäle parallel genutzt, so gilt für die Gesamtkapazität:
- $$C_K(P_X,\ P_N) = K \cdot C_{\rm AWGN}(P_X/K, \ P_N) \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei ist berücksichtigt, dass
- in jedem Kanal die gleiche Störleistung $P_N$ vorliegt,
- somit jeder Kanal die gleiche Sendeleistung $(P_X/K)$ erhält,
- die Gesamtleistung genau wie im Fall $K = 1$ gleich $P_X$ ist.
In nebenstehender Grafik sind die Signalraumpunkte für einige digitale Modulationsverfahren angegeben:
- Amplitude Shift Keying (ASK),
- Binary Phase Shift Keying (BPSK),
- Quadratur-Amplitudenmodulation (hier: 4-QAM),
- Phase Shift Keying (hier: 8–PSK für GSM Evolution),
- Kombinierte ASK/PSK-Modulation (hier: 16-ASK/PSK).
Zu Beginn dieser Aufgabe ist zu prüfen, welcher $K$–Parameter für die einzelnen Verfahren gültig ist.
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel AWGN–Kanalkapazität bei wertkontinuierlichem Eingang.
- Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite Parallele Gaußkanäle.
- Da die Ergebnisse in "bit” angegeben werden sollen, wird "log2” verwendet.
Fragebogen
Musterlösung
- Für ASK und BPSK ist $\underline{K=1}$.
- Für die Konstellationen 3 bis 5 gilt dagegen $\underline{K=2}$ (orthogonale Modulation mit Cosinus und Sinus).
(2) Richtig ist der Lösungsvorschlag 2:
- Für jeden der Kanäle $(1 ≤ k ≤ K)$ beträgt die Kanalkapazität $C = 1/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + (P_X/K) /P_N) \big]$. Die Gesamtkapazität ist dann um den Faktor $K$ größer:
- $$C_K(P_X) = \sum_{k= 1}^K \hspace{0.1cm}C_k = \frac{K}{2} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \frac{P_X}{K \cdot P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$
- Der Lösungsvorschlag 1 ist zu positiv. Dieser würde bei Begrenzung der Gesamtleistung auf $K · P_X$ gelten.
- Der Vorschlag 3 würde bedeuten, dass man durch die Nutzung mehrerer unabhängiger Kanäle keine Kapazitätssteigerung erreicht, was offensichtlich nicht zutrifft.
(3) Die Tabelle zeigt die Ergebnisse für $K = 1$, $K = 2$ und $K = 4$ sowie verschiedene Signal–zu–Störleistungsverhältnisse $\xi = P_X/P_N$. Für $\xi = P_X/P_N = 15$ (markierte Spalte) ergibt sich:
- $K=1$: $C_K = 1/2 · \log_2 \ (16)\hspace{0.05cm}\underline{ = 2.000}$ bit,
- $K=2$: $C_K = 1/2 · \log_2 \ (8.5)\hspace{0.05cm}\underline{ = 3.087}$ bit,
- $K=4$: $C_K = 1/2 · \log_2 \ (4.75)\hspace{0.05cm}\underline{ = 4.496}$ bit.
(4) Richtig sind die Vorschläge 3 und 4, wie die folgenden Rechnungen zeigen:
- Schon aus obiger Tabelle ist ersichtlich, dass der erste Lösungsvorschlag falsch sein muss.
- Wir schreiben nun die Kanalkapazität mit dem natürlichen Logarithmus und der Abkürzung $\xi = P_X/P_N$:
- $$C_{\rm nat}(\xi, K) ={K}/{2} \cdot {\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {\xi}/{K} \right )\hspace{0.05cm}.$$
- Für große $K$–Werte, also für kleine Werte des Quotienten $\varepsilon =\xi/K$ gilt dann:
- $${\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \varepsilon \right )= \varepsilon - \frac{\varepsilon^2}{2} + \frac{\varepsilon^3}{3} - ... \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} C_{\rm nat}(\xi, K) = \frac{K}{2} \cdot \left [ \frac{\xi}{K} - \frac{\xi^2}{2K^2} + \frac{\xi^3}{3K^3} - \text{...} \right ]$$
- $$\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} C_{\rm bit}(\xi, K) = \frac{\xi}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} \cdot \left [ 1 - \frac{\xi}{2K} + \frac{\xi^2}{3K^2} -\frac{\xi^3}{4K^3} + \frac{\xi^4}{5K^4} - \text{...} \right ] \hspace{0.05cm}.$$
- Für $K → ∞$ ergibt sich der vorgeschlagene Wert:
- $$C_{\rm bit}(\xi, K \rightarrow\infty) = \frac{\xi}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} = \frac{P_X/P_N}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} \hspace{0.05cm}.$$
- Für kleinere Werte von $K$ ergibt sich stets ein kleinerer $C$–Wert, da
- $$\frac{\xi}{2K} > \frac{\xi^2}{3K^2}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} \frac{\xi^3}{4K^3} > \frac{\xi^4}{5K^4} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} {\rm usw.}$$
Die letzte Tabellenzeile zeigt: Mit $K = 4$ ist man für große $\xi$–Werte noch weit vom theoretischen Maximum $($für $K → ∞)$ entfernt.