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Desarrollo del Simulador para un modelo de propagación del análisis de cobertura en
conformidad con el estándar IEEE 802.16-2009 (Fixed Wireless MAN OFDM)
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
JAIME LEONARDO JARRÍN VALENCIA
PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERÍA
2012
Agenda
a) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos
a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)
b) Modelo Matemáticoc) Canal Inalámbrico
c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas
d) Conclusiones y Recomendaciones
Antecedentes La tecnología de redes
inalámbricas de banda ancha que está revolucionando es WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), el cual es un sistema que permite la transmisión inalámbrica de voz, datos y video en áreas de hasta 48 km de radio (zonas rurales).
Su importancia radica en presentarse como una alternativa inalámbrica al acceso de banda ancha ADSL o fibra óptica, y una forma de conectar nodos Wi-Fi en una red de área metropolitana (WMAN).
Alcance
Estudio del estándar IEEE 802.16-2009• Análisis de la capa física Fixed Wireless MAN OFDM
Estudio del Modelo de propagación• Comprensión y análisis del modelo de propagación
propuesto.Implementación• Implementación del estándar IEEE 802.16-2009 en
lenguaje de programación de MATLAB.
Obtención de Resultados• Obtención de gráficas de pérdidas del canal, BER.• Convalidación del Modelo de propagación.
Objetivo GeneralImplementar un modelo de
propagación en un simulador para el análisis de la capa física Fixed Wireless MAN OFDM en conformidad con el estándar IEEE 802.16-2009 .
Objetivos
Específicos
Analizar la capa física específica
para Fixed WirelessMAN
OFDM del estándar IEEE 802.16-2009
Analizar el modelo
matemático del modelo de
propagación propuesto por Yon
Soo Cho y Won Yon Yang
Realizar un código en MATLAB que
permita simular en función de una señal de entrada, potencia
de transmisión, ganancia de
antenas, pérdidas en el canal y obtener
una señal resultante de la transmisión.
Realizar un código en MATLAB que permita obtener gráficas de
las pérdidas del canal en función de la
distancia
Realizar comparaciones
entre las modulaciones definidas en el estándar IEEE
802.16-2009 para determinar su
eficiencia y desempeño
Convalidar el modelo matemático propuesto con otros modelos ya
existentes..
Agenda
a) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos
a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)
b) Modelo Matemáticoc) Canal Inalámbrico
c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas
d) Conclusiones y Recomendaciones
Fixed WirelessMAN OFDM
Características
Uso de OFDM
Únicamente disponible
para enlaces punto a punto.
Soporte de las
frecuencias de 2 hasta
11 GHz.
Ambientes LOS y NLOS.
FTT de tamaño
256.
Modulaciones BPSK,
QPSK, 16QAM y 64QAM.
Diversas tasas de
codificación de canal.
Soporte de varios BW
(desde 1.25MHz)
Esquema Básico de Tx y Rx
Transmisor
Receptor
Codificador de Canal (I)
• Tasa de código nativa=1/2
• Longitud de palabra=7• Polinomio Generador:
Ratas de Codificación
Out 1/2 2/3 3/4 5/6
X 1 10 101 10101
Y 1 11 110 11010
XY X1Y1 X1Y1Y2 X1Y1Y2X3 X1Y1Y2X3Y4X5
Proceso ‘Punctured’
• Codificador Convolucional
Codificador de Canal (II)• Codificación Concatenada RS-CC
• Interleaver
• Constelaciones usadas (Modulador)
Generación del Símbolo OFDM
Prefijo Cíclico
Tg: Tiempo de GuardaTb: Tiempo útil de símboloTs: Tiempo de Símbolo
Inmunidad al
Multicamino
Agendaa) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos
a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)b) Modelo Matemático del modelo de
propagaciónc) Canal Inalámbrico
c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas
d) Conclusiones y Recomendaciones
Modelo Matemático del modelo de propagación (I)
Modelo Matematico del Modelo de Propagación(II)Coeficiente de correlación de la
frecuencia
Coeficiente de correlación de la antena receptora
Distancia de Referencia modificada
Agendaa) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos
a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)b) Modelo Matemático del modelo de
propagaciónc) Canal Inalámbrico
c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas
d) Conclusiones y Recomendaciones
Presupuesto de Enlace (Link Budget)
Relación entre la Prx y la Eb/No Relación Señal a Ruido
B: Ancho de banda en Hz
K: Constante de Boltzman 1,380x10-23
Energía de Bit con relación a la densidad espectral de potencia de ruido
Fs=floor(n.BW/8000)x8000∆f=Fs/NFTT
Tb=1/∆fTg=GxTb
Tsym=Tb+Tg
Tsam= Tb/NFTT
Parámetros definidos en el Estándar
Diseño del Canal Inalámbrico
Ruido AWGN
Caso BPSK
Agendaa) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos
a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)b) Modelo Matemático del modelo de
propagaciónc) Canal Inalámbrico
c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas
d) Conclusiones y Recomendaciones
Simulador
Ventana de presentación
Menú de Opciones
Caso 1: Simulación con una ráfaga de Bits
Caso 2: Simulación con una señal de Audio
Caso 3: Obtención de la gráficas de pérdidas de canal en función de la distancia
Caso 4: Obtención de gráficas de BER Vs Eb/No
Caso 5: Obtención de la gráfica BER Vs PTx
Caso 6: Obtención de Gráficas Ptx Vs Eb/No
Agendaa) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos
a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)b) Modelo Matemático del modelo de
propagaciónc) Canal Inalámbrico
c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas
d) Conclusiones y Recomendaciones
Pérdidas del Canal
100
101
102
103
104
40
60
80
100
120
140
160
180
200Modelo de Yon Soo Cho, fc=3.5GHz
Distancia[m]
Pat
hlos
s[dB
]
htx=20 [m],hrx=10[m], terreno=A
100
101
102
103
104
40
60
80
100
120
140
160
180
200Modelo de Yon Soo Cho, fc=3.5GHz
Distancia[m]
Pat
hlos
s[dB
]
htx=20 [m],hrx=10[m], terreno=A
Sin corrección de Shadowing Con corrección de Shadowing
Pérdida a 5Km=165.6dBPérdida a 5Km=169.6dB
3.7dB
Simulación con una señal de Audio
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1Señal Analóga
x/8000 s
Am
plit
ud
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000
50
100
150
200
250
300Señal Cuantizada PCM 8 bits
Am
plitu
d
x/8000 s
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000
50
100
150
200
250
300Señal Recuperada
x/8000 s
Am
plitu
de
Señal Analógica
Valores referidos a:d=5KmPtx=0.251[W]modulación: 64QAM 3/4htx=20mhrx=10mGtx=17=Grxf=3.5GHzBW=3.5MHzPérdidas adicionales=2.8dB
Obtención del BER G=1/16 (1)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-10
-5
0
5
10
15
20
25
30Ptx Vs Eb/N0 G=1/16, BW=3.5GHz
Ptx [W]
Eb/N
0 [
dB
]
BPSK 1/2QPSK 1/2
QPSK 3/4
16QAM 1/2
16QAM 3/4
64QAM 2/364QAM 3/4
0 2 4 6 8 10 12 1410
-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
Eb/No [dB]
BE
RBER vs Eb/No G=1/16
BPSKQPSK1/2
QPSK 3/4
16QAM 1/2
16QAM 3/4
64QAM 2/364QAM 3/4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Eb/No [dB]
Pb
erro
r
BER vs Eb/No G=1/16
BPSKQPSK1/2
QPSK 3/4
16QAM 1/2
16QAM 3/4
64QAM 2/364QAM 3/4
Obtención del BER G=1/16 (II)
Valores referidos a:d=5Kmhtx=20mhrx=10mGtx=17=Grxf=3.5GHzBW=3.5MHzPérdidas adicionales=2.8dB
Resultado Ptx Vs. Eb/No
Obtención del BER G=1/32 (1)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Eb/No [dB]
Pb
erro
r
Pb error vs Eb/No G=1/32
BPSK
QPSK1/2
QPSK 3/4
16QAM 1/216QAM 3/4
64QAM 2/3
64QAM 3/4
0 2 4 6 8 10 12 1410
-3
10-2
10-1
100
Eb/No [dB]
BE
RBER vs Eb/No G=1/32
BPSKQPSK1/2
QPSK 3/4
16QAM 1/2
16QAM 3/4
64QAM 2/364QAM 3/4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-10
-5
0
5
10
15
20
25
30Ptx Vs Eb/N0 G=1/32, BW=3.5MHz
Ptx [W]
Eb/N
0 [
dB
]
BPSK 1/2QPSK 1/2
QPSK 3/4
16QAM 1/2
16QAM 3/4
64QAM 2/364QAM 3/4
Obtención del BER G=1/32 (1I)
Valores referidos a:d=5Kmhtx=20mhrx=10mGtx=17=Grxf=3.5GHzBW=3.5MHzPérdidas adicionales=2.8dB
Resultado Ptx Vs. Eb/No
Pruebas de eficienciaSe realizó la comparación enviando
una señal de audio de 2.13 s
Menor potencia – Mayor número de símbolos
Mayor potencia – Menor número de símbolos
Convalidación del Modelo de Propagación.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-50
0
50
100
150
200Comparación Pérdidas de Propagacion, fc=3.5GHz, htx=20 [m],hrx=10[m], terreno=A
Distancia[m]
Pat
hlos
s[dB
]
Modelo de Yon Soo Cho
Espacio LibreModelo del Sui
Modelo Pérdida a 5Km
Diferencia
Yon Soo Cho 165.94 dB ----
SUI 171.74 dB + 5.8 dB
Espacio Libre 117.3 dB - 48.64 dB
Agendaa) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos
a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)b) Modelo Matemático del modelo de
propagaciónc) Canal Inalámbrico
c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas
d) Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones (I)
El modelo de propagación de Yon Soo Cho es válido únicamente en ambientes rurales donde la densidad de obstáculos es menor a la presentada en los ambientes urbanos.
Las mediciones resultantes de la red WiMAX de AT&T indica que en ambientes rurales existen menores pérdidas de propagación debido a la menor cantidad de obstáculos comparándolo con las zonas urbanas, por ello su valor de corrección, reduce las pérdidas del modelo de propagación.
Un mayor orden de modulación provoca que se necesite un número menor de símbolos para transmisitir la misma cantidad de información, permitiendo que se alcancen mayores tasas de transmisión; así se determina que de los casos de simulación , las modulaciones 16QAM ¾ y 64QAM 2/3 son las más eficientes al presentar un equilibrio entre protencia de transmisión y costo computacional.
Conclusiones (II)
El valor de prefijo cíclico (G) no presenta una ventaja mayor sobre canales inalámbricos únicamente con shadowing; su principal objetivo es para evitar la ISI en canales con mayores incidencias.
En las gráficas no se puede obtener valores de BER hasta 1x10-6 esto se debe a que al simular los ambientes reales, se alcanza la Eb/No necesaria para un BER=0, y al ser una gráfica semi-logarítmica no se puede graficar estos valores; Sin embargo, con el último valor de Eb/No graficado es posible conocer el BER máximo.
El modelo de Yon Soo Cho al ser contrastado con el de SUI, presenta una diferencia de 5.8dB menos, esto ratifica que el factor de corrección de shadowing AT&T es para ambientes rurales ya que hace que se tengan menores pérdidas de propagación, debido a que SUI está diseñado para ambientets urbanos.
Recomendaciones
Se debe seguir todas las indicaciones del estándar IEEE 802.16-2009 para lograr una adecuada implementación sin errores.
A pesar de alto costo computacional que produce el randomizador, su uso es fundamental, para evitar que largas cadenas de unos o ceros afecten el comportamiento de lo siguientes codificadores.
Se recomienda que a futuro se de continudad a este trabajo, modificando la parte del codificador de canal y reemplazando el codificador concatenado por un código Turbo, para reducir la cantidad de errores en la comunicaciones, reducir la potencia de transmisión necesaria y optimizar el sistema.
Es posible mejorar la eficiencia del decodificador de canal, reemplazando el demodulador y el decodificador de viterbi hard, por un decodificador de viterbi soft; estimando los bits que resultaron elimindos de la puntuarización.
GRACIAS!!!
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