Имитационное моделирование системы широкополосного доступа

УДК 681.3.07

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА

Ненахов Константин Андреевич, аспирант, holod-iinna@yandex. ru,

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,

г. Москва

The author presents a simulation model of the complex wireless network WiMAX with the using of OFDM with 256 subcarriers. The analysis of results of modeling with instructions of key parameters influencing a noise stability of system at influence of hindrances and a multibeam dying down is presented. The model is developed by means of program complexMatlab with application of package Simulink.

Приведена модель имитационного комплекса беспроводной сети WiMAX с использованием OFDM с 256 поднесущими. Представлен анализ результатов моделирования с указанием основных параметров, влияющих на помехоустойчивость системы при воздействие помех и многолучевых замираний. Модель разработана при помощи программного комплекса Matlab с применением пакета Simulink.

Keywords: Matlab Simulink, imitation, WiMAX, a noise stability, speed of the terminal

Ключевые слова: Matlab Simulink, имитация, WiMAX, помехоустойчивость, скорость терминала

Постановка задачи

Все элементы системы WiMAX можно объединить в трех основных частях: передатчик, получатель, и канал. Приведем описание каждой части.

Передатчик

В передатчике генерируется сигнал, которые в результате будет послан по каналу связи. Прежде чем послать сигнал, его разбивают на пакеты и адаптируют к условиям канала, используя определенную схему модуляции и кодирование.

Блок AMC модуляции [1] содержит один входной и два выходных порта. Назначения первого порта - передача модулированного и кодированного сигнала, готового к передаче в канале связи. Второй выходной порт подает изначально сформированный пакет данных, требующийся для сравнения с пакетом на стороне Получателя и подсчетом коэффициента ошибочно принятых битов информации, появившиеся под влиянием канальных помех. В качестве источника сигнала в модели используется двоичный генератор Бернулли, вырабатывающий случайный двоичный сигнал с вероятностью нулевого бита 0,5. Выходной сигнал генератора преобразуется в сетевые пакеты, с длинной, определенной режимом АМС.

Как указано в стандарте [2], пакетные данные должны быть приведены к случайной последовательности, с помощью операции рандомизации, для минимизации возможности передачи смодулированных поднесущих (процесс реализуется с помощью сложения по модулю два шума и информационного сигнала). Затем сигнал кодируется с помощью объединенного кодирования Рида-Соломона [3] и сверточного кодирования, с дальнейшим перемежением битов.

Указанная схема, исходя из полученных через базовую станцию данных от пользовательского терминала, позволяет использовать различные коэффициенты кодирования и размеры блоков. Последний функциональный блок в кодере -«Чередование» - обеспечивает перемежение кодированных информационных битов, используя 12 уровней чередования, повышая помехоустойчивость системы к блочным замираниям, воздействующим на последовательные группы битов.

Пройдя через все функциональные блоки подсистемы кодера, сигнал преобразуется таким образом, чтобы оптимально повысить скорость его передачи и устойчивость к помехам в среде передачи. После чего он поступает на вход подсистемы модуляции, для дальнейшей подготовки гармонической формы сигнала.

Входной сигнал конвертируется в числовое представление блоком «Конвертер бит-число» и затем поступает на вход блока устройства модулирования. Системой поддерживаются модуляции 2-PAM, 4-QAM, 16-QAM и 64-QAM. Представленная подсистема однозначно определяется соотношением количества бит на число и вектором сигнального созвездия. Совокупность этих параметров образует схему модуляции, являющуюся составной частью механизма AMC. Режим AMC выбирается автоматически, опираясь на показатели передачи в канале. В результате работы представленного блока был получен модулированный информационный сигнал.

Следующий после него функциональный блок осуществляет переключение режима передачи между SISO и MIMO. Передача сигналов через SISO и MIMO в схеме различаются, но последовательность функциональных блоков, которые необходимо пройти сигналу сохраняются вне зависимости от режима.

После кодирования и модуляции информационного сигнала, спецификация WiMAX требует построения символов OFDM. Для выполнения поставленной задачи вводится функциональная подсистема «Мультиплексор OFDM».

Построение символов OFDM требует от блока выполнения соответственно следующих функций: формирование контрольных символов OFDM, формирование настроечной последовательности, компоновка поднесущих сигнала в символьную

последовательность, дальнейшая передача по каналу. Реализация каждого из блоков рассмотрена далее.

После формирования последовательности поднесущих OFDM сигнал поступает на вход устройства обратного быстрого преобразования Фурье. Сигнал на данном этапе переводится во временную область, исходя из того, что после этапов модуляции, и мультиплексирования каждый символ последовательности можно рассматривать как амплитуды набора синусоид. Двумя главными достоинствами применения данного устройства являются: 1) обеспечение ортогональности символов OFDM, 2) обеспечение параллельной модуляции всех поднесущих без необходимости ввода дополнительных блоков модуляции и демодуляции.

Далее требуется добавить циклический префикс в начало передаваемых символов для перестановки копии некоторой части информации из конца передаваемого символа в его начало. Это функцию выполняет блок «Добавление циклического префикса», выполненый на основе блока векторной выборки библиотеки пакета Matlab Simulink и позволяет в результате позволяет осуществлять надежную OFDM-передачу.

Канал передачи

При моделировании беспроводного канала связи необходимо учитывать множество дестабилизирующих факторов среды передачи, поэтому имитация канала связи имеет большое количество различных функциональных блоков, приближающие результаты к реальным условиям. Перечислим главные факторы влияния среды передачи.

1. Аддитивный белый гауссовский шум.

2. Замирание сигнала, вследствие многолучевого распространения.

3. Межсимвольная интерференция.

Передача SISO

Передача SISO основана на реализации двух функциональных блоков: канал релеевских замираний и блок адаптивного белого гаусовского шума.

Функциональный блок Канал релеевских замираний (RFC) представляет в моделе последствия многолучевого распространения сигнала в среде беспроводной передачи данных, а также влияние, оказываемое на сигнал [4]. Блок RFC выполняет поэлементное наложение на входной сигнал псевдо-случайной комплексной составляющей, распределенной по закону Рэлея с учетом эффекта Допплера. Относительное перемещение передатчика и приемника относительно друг друга вызывают

допплеровские сдвиги сигнальной частоты. Влияние этого эффекта характеризуется значением параметра «Спектр Допплера» (Doppler spectrum, англ.) [5] с выбором значения относительно скорости передвижения пользовательского терминала и используемой полосы частот.

Функциональным блоком AWGN в модели представлено наложение белого гауссовского шума. Блок AWGN выполняет генерацию псевдослучайного шумового сигнала, характеризующегося гауссовским распределением в частотно-временной области, и последующего сложения уровней сигнала и шума.

Передача MIMO

Передача MIMO (Multiple Input Multiple Output) [6]— это технология передачи данных с помощью нескольких передающих и принимающих антенн, которые разнесены настолько, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.

Функциональный блок Канал релеевских замираний для MIMO имеет ряд своих параметров. Из-за неоднородности многолучевого распространения сигналов, прошедших вдоль различных путей и отразившихся разное количество раз, каждый из этих путей будет иметь свою длину, а соответственно свою временную задержку и мощность сигнала на приемнике, значение которых задается параметрами «Вектор задержек» (Delay vector, англ.) и «Вектор приращений» (Gain vector, англ.). В случае нормализации сигналов на принимающей стороне предусмотрен параметр «Нормализация» (Normalize gain vector to 0 dB overall gain, англ.), значение которого определяет, будут ли иметь эффект канальные приращения. Количество путей прохождения сигнала определяется размерностью наибольшего вектора среди параметров «Вектор задержек» и «Вектор приращений».

Общий принцип передачи сигнала в системе MIMO сводится к следующему: каждый канал между i-ой передающей и j-ой принимающей антеннами описывается комплексными коэффициентами hij, которые в совокупности формируют общеканальную матрицу H.

Для моделирования системы MIMO был выбран алгоритм блочного пространственно-временного кодирования по схеме Аламоути.

В указанной системе настроечные последовательности необходимо делить на четные и нечетные, как того требует спецификация стандарта. Это необходимо для того, чтобы синхронно передавать преамбулу сигналов с обеих антенн. Надежность передачи сигнала также достигается за счет неоднократной посылки сигнала. При передаче так же меняется контрольный символ. В остальном представленная схема схожа со схемой

мультиплексора OFDM: используется та же компоновка поднесущих, обратное быстрое преобразование Фурье и добавление циклического префикса.

Приемник

Приемник в основном выполняет все функции передатчика в обратном режиме, такие как демультиплексирование и усиление сигнала, декомпоновка поднесущих OFDM, демодуляция и декодирование данных. На принимающей стороне предпринимаются меры по устранению искажений на принятый сигнал, вызванных влиянием среды передачи. Кроме того, именно на принимающей стороне реализована оценка качества передачи сигнала в канале и подстройка передатчика под возникшие условия, используя обратную связь.

В приемнике происходят последовательно следующие операции: в начале из сигнала выделяется и удаляется циклический префикс, затем сигнал проходит блоки быстрого преобразования Фурье (FFT) и циклического сдвига, что позволяет демодулировать поднесущие. Далее происходит декомпоновка поднесущих, из сигнала удаляются защитные нулевые интервалы. Полученные в результате символы OFDM передаются на демультиплексор. Последний блок «AMC демодуляция» принимает сигнал, демодулирует и декодирует его. Каждая из описанных подсистем будет подробно описана далее в этом разделе.

Расчетный модуль

В модели имитации для сбора и анализа данных присутствуют расчетные модули. Они необходимы для фиксирования и отображения информации о качественных показателях системы передачи, которыми являются: 1) количество переданных бит, 2) количество ошибочно принятых бит, 3) коэффициент битовых ошибок BER.

Результаты имитации

С целью расчета производительности системы моделирование проводилось при различных сценариях влияния общих параметров. К основным параметрам, влияющим на помехоустойчивость системы WiMAX. можно отнести следующие:

• коэффициент кодирования;

• тип модуляционного манипулирования;

• скорость передвижения пользовательского терминала;

• схема передачи по радиоканалу (SISO/MIMO);

• применение вспомогательных технологий (AMC).

Результаты имитационного моделирования представлены в виде зависимости коэффициента ошибок (BER) от соотношения энергии одного бита Eb сигнала к спектральной плотности мощности шума No в канале передачи. Указанную зависимость можно принять за меру КПД моделируемой системы. При моделировании по умолчанию использовались следующие параметры канала: частота нисходящих передач 2 ГГц; пропускная способность канала 20 МГц; коэффициент длины циклического префикса G=1/16, что соответствует небольшой задержке распространения сигнала; тип модуляции и коэффициент кодирования, соответствующие режиму AMC3.

Перечислим параметры моделирования:

• остановка моделирования при достижении 5000 принятых ошибочных бит;

• остановка моделирования при достижении 1*10e6 принятых бит;

• предельные значения уровня Eb/No [-5;30] дБ с шагом 1 дБ.

Влияние коэффициента кодирования

Алгоритмы сверточного кодирования, применяемые в системах передачи данных, предназначены для повышения надежности передачи и существенно зависят от качества канала [7]. При незначительных замираниях и шумах можно не опасаться за возникновение ошибочных бит в канале и, возможно, использовать более высокие коэффициенты кодирования вплоть до 1, что означает отсутствие кодирования.

При понижении качества радиоканала происходит резкое снижение достоверности передачи. Приемлемый уровень BER 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 дБ.

При выборе оптимального коэффициента кодирования стоит учитывать не только ожидаемое качество уровня радиоканала, но и требуемую скорость передачи данных.

Влияние типа модуляции

Спецификацией стандарта WiMAX определены семь режимов работы, соответствующие типам используемой модуляции и общим коэффициентом кодирования. Использование каждого режима модуляции и кодирования объясняется оптимальностью данного режима при определенных качественных параметрах канала.

Высокий уровень Eb/No означает, что для передачи каждого бита необходимо затратить большее количество энергии. Схемы модуляции с низкой спектральной плотностью, такие как 2-PAM и 4-QAM, требуют меньшего уровня Eb/No и являются более энергоэффективными, в меньшей степени подверженными появлению ошибочных битов.

Влияние скорости передвижения пользовательского терминала

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. В результате имитации было выяснено, что скорость передвижения в значительной степени влияет на помехоустойчивость.

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 достоверность передаваемых данных. Как показала имитация, помехоустойчивость передачи данных с MIMO [8] растет по сравнению со схемой SISO.

Применение технологии MIMO при построении системы WiMAX имеет множество преимуществ, среди которых:

• 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 применение вспомогательных технологий

Проведем анализ последствий применения механизма адаптивных модуляции и кодирования на помехоустойчивость и производительность системы WiMAX. Степень полезности введения данного механизма определяется путем сравнения с аналогичными показателями, полученными в результате моделирования с фиксированным режимом

AMC [9].

Из результатов моделирования видно, что применение механизма AMC не позволяет полностью устранить вероятность битовых ошибок, а лишь поддерживает коэффициент BER ниже определенного уровня за счёт динамической смены типа модуляции и скорости кодирования.

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.

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

Представлено описание разработанной в среде MATLAB Simulink программы для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX, с описанием основных функциональных блоков системы. Показано, что скорость передвижения в значительной степени влияет на помехоустойчивость. Указаны преимущества технологии MIMO перед SISO при построении системы WiMAX. Показано, что применение механизма AMC позволяет поддерживать коэффициент BER ниже определенного уровня за счёт динамической смены типа модуляции и скорости кодирования, позволяя автоматически выбирать энергетически выгодный режим работы системы.

Литература

1. A.J. Goldsmith, S.G. Chua. Adaptive Coded Modulation for Fading Channels, IEEE Transactions on Communications, Ch. 46, P. 595-602, May, 1998. http://wsl.Stanford.edu/ ee359/adapt_cod.pdf (Дата обращения: 01.12.2010).

2. LAN/MAN Standards Committee. 802.16 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. IEEE Standards, Октябрь, 2004.

3. A.M. Michelson, A.H. Levesque. Error Control Techniques for Digital Communications, Wiley-Interscience Publications, 1985.

4. R.J. McEliece, W.E. Stark. Channels with block interference // IEEE Transactions on Information Theory, Ch. 46, P. 325-343, March, 2000.

5. W.C. Jakes. Microwave Mobile Communications, IEEE Press, 1994.

6. L. Schumacher, J.P. Kermoal, K.I. Pedersen, P.E. Mogensen, F.Frederiksen. A Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Ch. 20, P. 1211-1226, August, 2002.

7. R. J. McEliece, W.E. Stark. Channels with block interference // IEEE Transactions on Information Theory, Ch. 46, P. 325-343, March, 2000.

8. L. Schumacher, J. P. Kermoal, К. I. Pedersen, P. E. Mogensen, F. Frederiksen. A Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Ch. 20, P. 1211-1226, August, 2002.

9. J. Goldsmith, S.G. Chua. Adaptive Coded Modulation for Fading Channels // IEEE Transactions on Communications, Ch. 46, P. 595-602, May, 1998. http://wsl.Stanford.edu/ ee359/adapt_cod.pdf (Дата обращения: 01.12.2010).