Результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде Matlab Simulink

УДК 681.3.07

Результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink

Олег Иванович Шелухин, д.т.н., проф., e-mail: sheluhin@mail.ru

ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» (РГУТиС), Москва Юрий Алексеевич Иванов, аспирант, e-mail: yurasic@bk.ru Чувашский государственный университет, г. Чебоксары

Константин Андреевич Ненахов, аспирант, e-mail: holod-iinna@yandex.ru, РГУТиС, Москва Андрей Владимирович Арсеньев, аспирант, e-mail: a.arseniev@mrsnet.ru, РГУТиС, Москва

Осуществлен анализ результатов имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink; определены основные параметры, влияющие на помехоустойчивость; приведены результаты оценки помехоустойчивости системы в условиях воздействия на передачу помех и многолучевых замираний; показано, что скорость передвижения в значительной степени влияет на помехоустойчивость системы WiMAX; рассмотрены возможности увеличения пропускная способность системы за счет одновременной передачи нескольких символов OFDM в один период времени при использовании нескольких передающих антенн.

The article analyzes the results of simulation of broadband WiMAX in the environment MATLAB Simulink. The authors focused on the key parameters that affect interference immunity. There are results of evaluation of interference immunity system in conditions of the effect on the transmission of noise and multipath fading. The article shows that speed has a significant impact on the immunity system of WiMAX. The authors considered the possibility of increasing the capacity of the system due to simultaneous transmission of several OFDM symbols in one time period when using multiple transmit antennas.

Ключевые слова: помехоустойчивость, схемы передачи, сдвиг Доплера, скорость терминала.

Keywords: interference immunity, transmission scheme, shift of the Doppler, speed of the terminal.

Постановка задачи

Рассмотрим результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа '1МАХ, блок-схема которой представлена на рис. 1 [1]. Имитации проводились с учетом реальных условий. С целью расчета производительности системы моделирование проводилось при различных сценариях влияния общих параметров.

На помехоустойчивость системы '1МАХ влияют коэффициент кодирования, тип модуляционного манипулирования, скорость передвижения пользовательского терминала, схема передачи по радиоканалу (8180/М1М0), применение вспомогательных технологий (АМС).

Результаты имитационного моделирования представлены в виде зависимости коэффициента ошибок (ВЕЯ) от соотношения энергии одного бита Еь сигнала к спектральной плотности мощности шума N в канале передачи. Данную зависимость можно принять за меру КПД моделируемой системы, из-за больших энергетических затрат для передачи, при высоком показателе соотношения энергии на бит к шуму.

При моделировании по умолчанию использовались следующие параметры канала: частота

нисходящих передач - 2 ГГц; пропускная способность канала - 20 МГц; коэффициент длины циклического префикса - О = 1/16, что соответствует небольшой задержке распространения сигнала; тип модуляции и коэффициент кодирования соответствуют режиму АМС3.

Параметры моделирования:

• остановка моделирования - при достижении 5 000 принятых ошибочных бит;

• остановка моделирования - при достижении 1*10е6 принятых бит;

• предельные значения уровня E\JN0 - от -5 до 30 дБ с шагом 1 дБ.

Анализ результатов моделирования

Рассмотрим влияние различных факторов на помехоустойчивость системы '1МАХ.

Влияние коэффициента кодирования. Алгоритмы сверточного кодирования, применяемые в системах передачи данных, предназначены для повышения надежности передачи и существенно зависят от качества канала [2]. При незначительных замираниях и шумах можно не опасаться возникновения ошибочных бит в канале и возможно использовать более высокие коэффициенты кодирования вплоть до 1 (что означает отсутствие кодирования).

Электротехнические и информационные комплексы и системы № 4, т. 6, 2010 г.

Модулированный сигнал Режим

Сравнение

SISO С игаал MIMO

АМС модуляция

SISO/MIMO на передающей стороне

Символы С ні на. і Настр. поел.

Символы

Выход

Преамбула

U Y

Сигнал Выход Индекс Размер

Задержка

Calculation

Вычисление Коэффициента Ошибок

BER

Фиксирование уровня BKR

Данные Режим

Разница уровня сигналов Сигнал

АМС демодуляция

То

Sample

тг

u и

дБ

Мультиплексор Переключение

OFDM на аходе канала

IFFT сдвиг

BER

Количество ошибочных бит Количество принятых бит

Дисплей

SISO/MIMO на принимающей стороне

MIMO

Сигнал

SISO

Выбор режима

Ч'-ЧІСІ I

дБ

Демул ьтип лексор OFDM

Добавление циклического префикса

Данные

Антенна 2

Передатчик ALAMOUTI

Канал I Р XI ее вс мо го замирания

Ї-----£

Rayleigh

Fading

Канал 2 Рхіссвского замирання

**—з: Rayleigh Fading

Принимающее устройство ALAMOUTI

Данные Антенна

П

A WON

SISO-канал Рылеевекого замирания

Настр. поел.

— Настр. поел.

Сигнал Символы «- Символы Вход щ Y U «- ITT м Y U

Данные * Данные

FD эквалайзер Переключение на выходе к

FFT сдвиг

:

1<а\ Ugh Fading

1 г

Удаление

циклического

префикса

Рис. 1. Общая схема системы моделирования WiMAX

Результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX..

Согласно спецификации стандарта 802.16 в системах передачи '1МАХ используются три коэффициента кодирования: 1/2, 2/3, 3/4.

При понижении качества радиоканала происходит резкое снижение достоверности передачи. Приемлемый уровень БЕЯ даже порядка 10-4 может быть достигнут только при соотношении энергии на бит к шуму не менее 22 дБ; для достижения гарантированного детектирования потребуется соотношение порядка 30 и более децибел.

Наблюдать снижение уровня коэффициента битовых ошибок при понижении коэффициента кодирования можно на графике, показанном на рис. 2. При выборе оптимального коэффициента кодирования стоит учитывать не только ожидаемое качество уровня радиоканала, но и требуемую скорость передачи данных. При понижении коэффициента кодирования может увеличиться число дополнительных бит в контрольной битовой последовательности, генерируемой блоком кодера канала, что, в свою очередь, приведет к снижению уровня информационных бит в передаваемом кадре, уменьшив пропускную способность канала.

Таблица 1. Схемы модуляции и коэффициенты кодирования

Режим модуляции Схема Коэффициент

и кодирования модуляции кодирования

АМС1 2-РАМ 1/2

АМС2 4^АМ 1/2

АМС3 4^АМ 3/4

АМС4 16^АМ 1/2

АМС 5 16^АМ 3/4

АМС6 64^АМ 2/3

АМС7 64^АМ 3/4

На рис. 3 приведены графики зависимостей коэффициента битовых ошибок от Еь/А0, полученные в результате моделирования с использованием различных режимов модуляции и кодирования.

Рис. 2. График зависимости БЕЯ от Еь/А0 при передаче кодированного сигнала

Влияние типа модуляции. Спецификацией стандарта '^МАХ определены семь режимов работы, соответствующих типам используемой модуляции и общим коэффициентам кодирования (табл. 1). Использование каждого режима модуляции и кодирования определяется оптимальностью данного режима при заданных качественных параметрах канала.

Рис. 3. График зависимости БЕЯ от Еь/А0 при использовании различных режимов АМС

Высокий уровень Еь/А0 означает, что для передачи каждого бита необходимо затратить большее количество энергии. Схемы модуляции с низкой спектральной плотностью, такие как 2-РАМ и 4^АМ, требуют меньшего уровня Еь/А0 и являются более энергоэффективными, в меньшей степени подверженными появлению ошибочных битов.

Теоретическое значение БЕЯ может быть оценено с помощью соотношения [3]

где РЬс - вероятность битовой ошибки на несущую; Ма - определяет алфавит схемы модуляции; Q(x) - дополнительная функция гауссовского распределения.

Влияние скорости передвижения пользовательского терминала. Проведем анализ изменения помехоустойчивости в зависимости от скорости

перемещения терминала пользователя относительно неподвижной базовой станции.

Перемещение передающего терминала в пространстве во время передачи сигнала по радиоканалу сопровождается эффектом Доплера. Для волн, распространяющихся в физической среде, нужно принимать во внимание движение как источника, так и приемника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн, для распространения которых не требуется среда, имеет значение только относительное движение источника и приемника. Зависимость длины электромагнитной волны от скорости передвижения можно выразить как

к = -

1+-

1 -

В случае электромагнитных волн формулу для частоты выводят из уравнений специальной теории относительности:

со = т0

1 -

1 + — соъв с

где с - скорость света; V - относительная скорость передатчика и приемника с учетом направления движения; 9 - угол между волновым вектором и скоростью передатчика.

Сдвиг Доплера можно представить в виде отношения его максимального и минимального значений в форме

/а = Л - С080,

с

проведено имитационное моделирование системы с учетом максимальной величины сдвига Доплера, одинакового для всех путей распространения сигнала рэлеевской модели канала и соответствующего определенным скоростям передвижения передатчика (табл.2).

Таблица 2. Соответствие максимальной величины сдвига Доплера и скорости передвижения пользовательского терминала

Скорость передвижения, км/час Максимальный сдвиг Доплера, Гц

0 0

6 11,2

30 56

60 112

120 224

где ш0 - частота, с которой передатчик испускает волны; с - скорость распространения волн в среде; V - скорость перемещения передатчика относительно приемника с учетом направления движения.

В общем случае, при учете перемещения и передатчика, и приемника, регистрируемая часто -та представляется в виде

Как показано на рис. 4, скорость передвижения в значительной степени влияет на помехоустойчивость. Скорости передвижения до 12 - 13 км/ч имеют небольшое влияние на коэффициент ошибок. Скорости порядка 30 - 60 км/ч уже ощутимо снижают надежность передачи. Скорости выше 100 км/ч совершенно нарушают передачу данных, так как при такой скорости передвижения коэффициент битовых ошибок не достигает даже уровня 10-1.

где / - максимальный сдвиг Доплера; / - частота несущей; V - скорость передвижения пользовательского терминала; с - скорость света; 9 - угол между волновым вектором и скоростью передатчика.

Для анализа влияния скорости передвижения на помехоустойчивость передачи данных было

Рис. 4. График зависимости помехоустойчивости передачи данных от скорости передвижения терминала пользователя

Влияние схемы передачи по радиоканалу. Главная проблема, возникающая при передаче радиосигнала, - это замирание сигнала вследствие многолучевого распространения. Алгоритмы пространственного мультиплексирования призваны уменьшить влияние замираний в канале на досто-

2

2

с

ошибок от Еь/Ы0 для каждого режима работы системы в схеме MIMO, аналогичные зависимостям в схеме SISO. Наблюдаемое существенное снижение коэффициента битовых ошибок при применении технологии MIMO с любым из режимов AMC подтверждает преимущество алгоритмов пространственного мультиплексирования.

Влияние технологии MIMO на помехоустойчивость передачи сигнала при перемещении передающего и принимающего устройств относительно друг друга иллюстрируется на рис. 7. Расчетное значение сдвига Доплера при этом остается тем же, но применение нескольких передающих или принимающих антенн теоретически должно ослабить влияние эффекта Доплера на передачу и упростить нахождение эталонного вида сигнала на принимающей стороне.

Рис. 5. Зависимости BER от Е^0 при передаче некодирован ного сигнала в схеме MIMO

Рис. 6. Зависимости BER от EbJN0 при передаче кодированного сигнала в схеме МІМО

верность передаваемых данных. На рис. 5 представлена кривая помехоустойчивости передачи данных с МІМО [4].

Анализ кривых, представленных на рис. 6, показывает, что введение дополнительной передающей антенны положительно влияет на помехоустойчивость передачи как некодированного информационного сигнала, так и закодированного на различных скоростях.

Рассмотрим влияние технологии МІМО на помехоустойчивость системы *^МАХ при использовании различных типов модуляции. В результате последовательности запусков моделирования системы с различными параметрами, определяющими режим работы и тип модуляции, были получены зависимости коэффициента битовых

Рис. 7. Зависимости помехоустойчивости передачи данных от скорости передвижения пользовательского терминала в схеме М1МО

Использование нескольких передающих и принимающих антенн ощутимо повышает коэффициент вероятности возникновения битовой ошибки, при относительном перемещении передающего и принимающего устройств. Это следует из того, что приращение помехоустойчивости системы вследствие применения технологии многоантенной передачи напрямую зависит от частоты смены канальных коэффициентов радиоканала. При увеличении скорости движения канальная матрица меняется с большей частотой, а следовательно, системе становится сложнее справиться с возросшей нагрузкой на функциональный блок STC.

В завершение рассмотрим, как влияет на помехоустойчивость увеличение числа передающих и принимающих антенн.

Рис. 8. Сравнение помехоустойчивости схем передачи данных

Анализируя графики, приведенные на рис. 8, можно определить, что степень влияния схемы передачи на помехоустойчивость В можно описать формулой

D = Nт Nr,

сравнения с аналогичными показателями, полученными в результате моделирования с фиксированным режимом AMC [5].

При моделировании используется динамический режим работы AMC и пусковой режим работы AMC1, означающий, что передача первого пакета данных осуществляется в наиболее помехоустойчивом режиме, чтобы обеспечить надежность передачи в условиях неопределенности канальных коэффициентов.

Из результатов моделирования, представленных на рис. 9, видно, что применение механизма AMC не позволяет полностью устранить вероятность битовых ошибок, а лишь поддерживает коэффициент BER ниже определенного уровня за счет динамической смены типа модуляции и скорости кодирования. Такой подход позволяет автоматически выбирать более энергетически выгодный режим работы системы, опираясь на данные о помехах в радиоканале, и в результате система приобретает схему более рационального использования производственных мощностей и пропускной способности радиоканала, жертвуя небольшим снижением помехоустойчивости.

где NT и Nr - число передающих и принимающих антенн соответственно.

Из графиков видно, что схемы передачи несимметричны, т.е. схема с двумя принимающими антеннами опережает схему с двумя передающими антеннами по помехоустойчивости примерно на

2 дБ SNR.

Таким образом, применение технологии MIMO при построении системы WiMAX имеет множество преимуществ, среди которых следующие:

• увеличенная по сравнению со схемой SISO устойчивость к возникновению вследствие замираний в радиоканале ошибочных битовых блоков в принимаемом сигнале;

• увеличенная по сравнению со схемой SISO пропускная способность системы в целом за счет одновременной передачи нескольких символов OFDM в один период времени при использовании нескольких передающих радиоантенн;

• лучшая устойчивость к влиянию со стороны эффекта Доплера.

Влияние применения вспомогательных технологий AMC. Проведем анализ последствий применения механизма адаптивных модуляции и кодирования на помехоустойчивость и производительность системы WiMAX. Степень полезности введения данного механизма определяется путем

Рис. 9. Зависимости коэффициента BER от E^JNq с применением механизма адаптивных модуляции и кодирования

При выборе режима AMC для следующей передачи предназначена таблица граничных значений SNR в функциональной подсистеме AMC (табл. 3), которая позволяет выбрать режим работы, опираясь на требуемый уровень коэффициента BER.

Механизм адаптивных модуляции и кодирования направлен на подстройку системы под состояние канала, из чего возникает вопрос надежности данного механизма при возникновении дестабилизирующих факторов, вызванных самим передающим или принимающим устройством, например эффектом Доплера.

Таблица 3. Граничные значения SNR для обеспечения уровней BER=10-1 и BER=10-2

Режим работы BER=10-1, дБ BER=10-2, дБ

AMC1 < 3 < 5

AMC2 3 - 6 5 - 7

AMC3 6 I 9 7 - 11

AMC4 9 - 12 11 - 14

AMC5 12 дБ - 16 дБ 14 - 18

AMC6 16 - 18 18 - 20

AMC7 > 18 > 20

С увеличением скорости движения коэффициент ошибок также ощутимо возрастает, как это видно из рис. 10. Объясняется это тем, что при увеличении сдвига Доплера функциональным модулям, обеспечивающим реализацию механизма АМС, необходимо гораздо быстрее переключаться из одного режима работы в другой. Вследствие этого задержка обратной связи между передатчиком и приемником становится главным фактором, определяющим качество работы всего механизма в целом.

„“li------------_iJ-----------і------------і-------------і------------і

0 5 10 15 20 25

Е/М<в)

Рис. 10. Зависимости коэффициента БЕЯ от Eъ/No при различных скоростях движения пользовательского терминала

Таким образом, показано, что скорость передвижения в значительной степени влияет на помехоустойчивость. Представлены такие преимущества технологии MIMO перед SISO при построении системы WiMAX, как увеличение устойчивости к возникновению в принимаемом сигнале ошибочных битовых блоков, увеличенная пропускная способность системы за счет одновременной передачи нескольких символов OFDM в один период времени при использовании нескольких передающих антенн и лучшая устойчивость к влиянию со стороны эффекта Доплера.

Показано, что применение механизма AMC позволяет поддерживать коэффициент BER ниже определенного уровня за счет динамической смены типа модуляции и скорости кодирования, вследствие чего можно автоматически выбирать энергетически выгодный режим работы системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шелухин О. И., Иванов Ю. А. Арсеньев А. В., Ненахов К. А. Разработка программного обеспечения для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т. 6. № 3. С. 25 - 35.

2. McEliece, R. J, and Stark, W. E., Channels with block interference // IEEE Transactions on Information Theory. 2000. Vol. 46. No. 2. P. 325 - 343. March.

3. Couch, L. W, Digital and Analog Communication Systems, 6th edition, Prentice Hall. 2001.

4. Schumacher, L., Kermoal, J. P., Pedersen, К. I., Mogensen, P. E., and Frederiksen, F, A Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2002. Vol. 20. No. 6. P. 1211 - 1226. August.

5. Goldsmith, J., and Chua, S. G., Adaptive Coded Modulation for Fading Channels // IEEE Transactions on Communications. 1998. Vol. 46. No. 5. P. 595 - 602. May. http://wsl.Stanford.edu/ ee359/adapt_cod.pdf (дата обращения 01.12.09).

Поступила 15.04.2010 г.