IEEE 802.16‐2009 WirelessMAN‐OFDMA PHY Downlink PUSC

UNIVERZITET U SARAJEVU

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET

Čorbadžić Muharem

Džaferagić Merim

Tipura Adem

PROJEKTNI ZADATAK

IEEE 802.16‐2009 WirelessMAN‐OFDMA PHY

Downlink PUSC

Sarajevo, 2013. godine

Sadržaj

Uvod ........................................................................................................................................... 1

1. Teoretske postavke modela ................................................................................................ 2

1.1. WiMAX mreže ............................................................................................................ 2

1.1.1. IEEE 802.16-2009 ................................................................................................ 2

1.1.2. IEEE 802.16-2009 zračni interfejs ....................................................................... 5

1.1.3. Referentni model protokola .................................................................................. 5

2. Analiza modela ................................................................................................................... 7

2.1. Pregled modela ............................................................................................................ 7

2.2. Elementi modela .......................................................................................................... 8

3. Analiza rezultata ............................................................................................................... 17

3.1. Scenarij 1: Default-ne postavke, AWGN kanal (SNR=20dB) .................................. 18

3.2. Scenarij 2: Default-ne postavke, kanal sa flat fading-om .......................................... 20

3.3. Scenarij 3: Default-ne postavke, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-om ....... 21

3.4. Scenarij 4: OFDM data symbols 10, AWGN kanal (SNR=20dB) ............................ 24

3.5. Scenario 5: OFDM data symbols 10, kanal sa flat fading-om ................................... 25

3.6. Scenario 6: OFDM data symbols 10, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-om 26

3.7. Scenario 7: OFDM data symbols 18, AWGN kanal (SNR=20dB) ........................... 27

3.8. Scenario 8: OFDM data symbols 18, kanal sa flat fading-om ................................... 28

3.9. Scenario 9: OFDM data symbols 20, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-om 29

3.10. Scenario 10: PUSC segment 1, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-om ..... 31

3.11. Scenario 11: PUSC segment 2, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-om ..... 32

3.12. Scenario 12: Channel bandwith 10MHz, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-

om 33

3.13. Scenario 13: Channel bandwith 15MHz, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-

om 34

3.14. Scenario 14: Cyclic prefix 1/16, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-om ... 35

3.15. Scenario 15: Cyclic prefix 1/32, kanal sa frekvencijski selektivnim fading-om ... 36

Zaključak .................................................................................................................................. 37

Literatura .................................................................................................................................. 39

Skraćenice ................................................................................................................................ 40

Uvod

Cilj projektnog zadatka je analiza simulink modela u alatu Matlab 2012a pod nazivom IEEE

802.16‐2009 WirelessMAN‐OFDMA PHY Downlink PUSC. Zadani model se odnosi na

djelimično korištenje podkanala ( engl. Partial Usage of Subchannells, skraćeno PUSC) u

downlink smjeru odnosno od bazne stanice ka mobilnoj stanici. IEEE standard 802.16-2009

odnosi se na kombinovanu specifikaciju sloja kontrole prisutpa mediju (engl. Medium

Access Control, skraćeno MAC) te fizičkog sloja (engl. Physical, skraćeno PHY) kako za

fiksne tako i za mobilne point-to-multipoint širokopojasne bežične pristupne sisteme koji

omogućavaju različite servise [1]. MAC sloj je konstruisan na način da podržava različite

specifikacije fizičkog sloja gdje svaki odgovara specifič

noj sredini rada. Standard predstavlja zaokruženje prethodnih verzija standarda ( IEEE Std

802.16-2004, IEEE Std 802.16e™-2005, IEEE 802.16-2004/Cor1-2005, IEEE 802.16f™-

2005, and IEEE Std 802.16g™-2007).

Rad je podijeljen u tri cjeline. U prvom dijelu rada obrađene su teoretske postavke samog

modela. Model je obrađen na način da su date specifikacije korištenih komponenti modela, te

je pojašnjena funkcija pojedinačnih komponenti u cjelokupnom modelu. Dat je osvrt na

najvažnije parametre ključnih parametara modela, te njihov uticaj na dobijene rezultate.

U drugom dijelu rada izvršena je analiza performansi samog modela. Naime obrađeno je više

scenarija, s različitim vrijednostima parametara modela te se prikupljeni na takav način

analizirani s ciljem izvlačenja konačnih zaključaka.

Kao treći dio rada nalazi se zaključak u kojem su dati sumarni rezultati prethodno izvršenih

scenarija te dobivenih rezultata. Rezultati su komentarisani s tačke gledišta realnog sistema

koji model treba da predstavlja ali pri tome uzevši u obzir moguća ograničenja samog

simulacionog modela.

2

1. Teoretske postavke modela

1.1. WiMAX mreže

Nedavni porast potražnje za bežični internet promet je rezultat širenja popularnosti aplikacija,

kao što su interaktivne igre, društvene mreže i TVoIP. Ovo povećanje je glavni pogon za

kontinualne preduslove u bežičnim širokopojasnim tehnologijama. IEEE 802.16 je prva prava

tehnologija za fiksni, nomadski i mobilni širokopojasni bežični pristup. Od 2001, IEEE

802.16 radna grupa razvija nove izmjene i dopune. Napor koji je zaključen izradom IEEE

802.16-2009 standarda u ranoj 2009 godini, i IEEE-ov odgovor na IMT-Napredne zahtjeve,

koji je zaključen u Martu 2011 sa IEEE 802.16m izmjenama i dopunama.

1.1.1. IEEE 802.16-2009

IEEE 802.16 standard opisuje nekoliko modela rada, od kojih se svaki uklapa u određeni

implementacioni cilj. U mješovitom standardnom dokumentu, IEE 802.16-2009, dva načina

su opisana: obavezna tačka-više-tačaka (engl. Point-to-multi-point (PMP)) i opcionalno

višeskočni okvir (engl. Multihop Relay (MR)). Iako oba načina rada opisuju regularnu

downlink komunikaciju, koja je, od gateway-a ili bazne stanice do mobilnog terminala, MR

način iskorištava srednje RS-e (engl. Relay Station) između ćelija BS (engl. Base Station) i

MT. Posljednji način je opisan u amandmanu IEEE 802.16j. Primjer IEEE 802.16-2009

implementacije je prikazana na slici 1.1.1.

3

Slika 1.1.1 Šema IEEE 802.16-2009 implementacije, uključujući baznu stanicu i različite tipove

mobilnih terminala

U PMP implementaciji, BS-e pružaju kontinualnu pokrivenost kroz mobilni konfiguraciju, s

BS-a međusobno povezanim kroz infrastrukturu upravljanja mrežom koja nadgleda

cjelokupno upravljanje mrežnim operacijama. Kroz BS-e, pretplatničke stanice (engl.

Subscriber Stations (SS)) i mobilni pretplatnici (engl. Mobile Subscribers (MS)) povezuju se

na mrežu, kada je to primjenjivo i na internet. U standardu, generički pojam SS opisuje

korisničku opremu sposobnu za korištenje različitih RIT-a (engl. Radio Interface Technology)

koji djeluju u okolnostima, linije optičke vidljivosti (LOS) i bez linije optičke vidljivosti

(NLOS). S druge strane, MS-e su opremljene setom čija mobilnost je podržana u NLOS

mreži. Kao što će biti opisano, mobilnost je podržana pod jednom IEEE 802.16 vrstom

interfejsa, naime OFDMA, i ne zhtjeva LOS sa BS-om za komunikaciju. Još važnije, mobilna

podrška je omogućena kroz primopredajne mehanizme, kako unutar IEEE 802.16 mreža i

između IEEE 802.16 i drugih radio pristupnih pehnlogija (engl. Radio Access Technology

(RAT)).

U IEEE 802.16j amandmanu, BS koja podržava MR se zove MR-BS. U MR, MR-BS

komunicira sa MS-om direktno ili preko RS-e. Kao što je objašnjeno u prethodnom poglavlju,

RS je dodijeljna, fiksna ili mobilna relejna jedinica koja je spojena na BS preko bežičnog

linka. Dvije vrste RS su definirane: transparentni i netransparentni. Transparentni RS dijeli

frekvenciju nosioca sa svojom nadređenom stanicom (ili MR-BS ili ntRS - non-transparent

Relay Station) i pododređenim stanicama (samo MS), i uglavnom su raspoređeni unutar MR-

BS pokrivenosti za poboljšanje propusnosti. Netransparentni RS-i uglavnom su usmjereni za

4

širenje pokrivenosti na MR-BS ćeliji (MR-ćelija), i radi bilo u istoj ili različitoj frekvenciji

nosioca. Kada se koristi nosioc sa različitom frekvencijom unutar MR-ćelije ili MR mreže,

amandman predlaže korištenje mehanizma reduciranja interferencije (smetnje) za oba

pristupna linka (između MR-BS ili RS i MS) i relejne veze (između MR-BS i RS ili u između

RS-a). Primjer MR implementacije je prikazan na slici 1.1.2.

Slika 1.1.2 Primjer implementacije IEEE 802.16-2009 relejnih mreža (tj. amandman), s (a)

prikazivanjem tRS (engl. transparent Relay Station) i (b) prikazivanjem ntRS (engl. non-transparent

Relay Station)

Upravljanje sa zračnim interfejsom u MR mrežama može biti centralizovano ili distribuirano.

U centraliziranom radu, sve funkcionalnosti upravljanja se nadgledaju od strane MR-BS dok

u distribuiranom radu, predviđena je samostalnost za RS. tRS uvijek rade u centralizovanom

radu, dok ntRS mogu raditi u oba načina. U distribuiranoj raspodjeli, na primjer, alokacija

opsega za pododređene ntRS-ove su izrađene od strane ntRS-a u saradnji sa MR-BS.

Autonomni ntRS u distribuiranoj raspodjeli može se takođe zvati raspoređivani RS.

IEEE 802.16j amandman je proširenje za OFDMA mobilnost u IEEE 802.16-2009. Bitna

osobina IEEE 802.16j je ta da MS nije svjesna osnovnog načina rada mreže, koji je, PMP ili

MR. Prema tome, procedure i izrađena signalizacija i procesiranje od strane MS u oba PMP i

MR načina rada su potpuno ista. Amandman također opisuje kako MR komponente

infrastructure, koje su, MR-BS i RS, trebaju savladat MS zahtjeve i saobraćaj na naćin koji

postiže djelotvornost.

5

1.1.2. IEEE 802.16-2009 zračni interfejs

IEEE 802.16 standard opisuje zračni interfejs za različite scenarije implementacije. Na

primjer, bežična gradska područja – jedan nosioc (engl. Wireless Metropolitan Area Networks

– Single Carrier (WirelessMAN-SC)) interfejs ima za cilj kreiranje bežične veze između

dodijeljenih stanica koje se oslanjaju na LOS povezivanju. U međuvremenu, WirelessMAN-

OFDMA, ima za cilj celularne mobilne komunikacije.

Sljedeći zračni interfejsi su definisani u IEEE 802.16-2009:

WirelessMAN-SC, radi u opsegu 10-66 GHz bilo sa sistemom dvostrukoga prijenosa s

vremenskom podjelom kanala (engl. Time Division Duplex – TDD) ili sistemom

dvostrukoga prijenosa s frekvencijskom raspodjelom (engl. Frequency Division

Duplex – FDD). Također, podržava samo PMP LOS komunikaciju sa fiksnim SS.

WirelessMAN-OFDMA, radi u licenciranim opsezima ispod 11 GHz sa TDD ili FDD

dupleksiranjem. Podržava bliži-LOS i NLOS komunikaciju sa fiksnim SS, ali samo sa

odredbama za upravljanje energijom, smanjenjem interferencije i višestrukim

antenama.

WirelessMAN-OFDMA radi u licenciranim opsezima ispod 11 GHz sa TDD ili FDD

dupleksiranjem. Podržava PMP i MR način rada. Također podržava bliži-LOS i NLOS

komunikaciju sa fiksnim ili mobilni SS-a. Osim toga, zahtjeva odredbe za upravljanje

energijom, smanjenjem interferencije i višestrukim antenama.

WirelessHUMAN, radi u licencnim-izuzev opsega ispod 11 GHz (prvenstveno 5-6

GHz) sa TDD dupleksiranjem. U skladu je sa OFDM ili OFDMA opisom. Podržava

mehanizama koegzistencije kao dinamički odabir frekvencije.

U ovoj knjizi, svi opisi su uglavnom namijenjeni za OFDM ili OFDMA operacije. Kakogod,

eksluzivna razmatranja za SC rad bit će naveden gdje je primljenljiv. Opisa za

WirelessHUMAN neće biti opisan.

1.1.3. Referentni model protokola

Slika 1.1.3. prikazuje referentni model protokola za IEEE 802.16-2009. Opseg IEEE 802.16

standarda sastoji se iz dva dijela: podtakovna ravan (engl. Data plane) i upravljanje/kontrola

ravan (engl. Management/Control plane). U podatkovnoj ravni, standard omogućuje

Upravljanje pristupom mediju (engl. Medium Access Control (MAC)) i PHY slojevima. Opis

za upravljanje/kontrola ravan uključuje apstrakcije koje će biti korištene od strane mrežne

kontrole i sistema upravljanja (engl. Network Control and Management Systems (NCMS)).

Detalji NCMS-a su izvan standardnih djelokruga. Opisana apstrakcije, međutim, uključuju

6

opise za pristupne tačke (engl. Service Access Points (SAPs)) za obe funkcionalnosti,

upravljanje i kontrolu.

MAC sloj je podijeljen u tri podsloja: usluga specifična podslojnoj konvergenciji (engl.

Service Specific Convergence Sublayer (CS)), zajednički dio podsloja (engl. Common Part

Sublayer (CPS)), i sigurnosni podsloj. Različiti CS-i pružaju SAP-ove za gornje slojeve kao

što su ATM, IPv4, IPv6, itd.. Također omogućuje klasifikaciju i procesiranje jedinica

podataka protokola (engl. Protocol Data Units (PDUs)) prije nego što ih je priznala IEEE

802.16 mrežna infrastruktura.

Slika 1.1.3 Referentni model protokola za IEEE 802.16-2009

CPS pruža osnovne funkcionalnosti za MAC IEEE 802.16 mreže. Prima PDU-e iz raznih CS-

a i primjenjuje odgovarajuću klasifikaciju i kvalitet usluge (engl. Quality of Service (QoS)).

Također pruža SAP za različite CS-e. CPS također sadrži sigurnosni podsloj da omogući

komunikacijsku privatnost i integritet. Opis za PHY sloj obuhvata različite zračne interfejse

opisane gore. PHY također nudi SAP-e za CPS.

7

2. Analiza modela

2.1. Pregled modela

Model koji se analizira nalazi se u programskom paketu Matlab R2012a u postojećim demo-

sima pod nazivom IEEE 802.16‐2009 WirelessMAN‐OFDMA PHY Downlink PUSC. Model

je prikazan na slici 2.1.1

Slika 2.1.1 Model IEEE 802.16‐2009 WirelessMAN‐OFDMA PHY Downlink PUSC

Model je sastavljen iz više funkcionalnih blokova. Određeni blokovi odnose se na

specifičnosti projektovanja ovakvog modela u Matlab-u, da se omogući samo izvođenje

simulacije (na primjer blok Model Parameters) dok ostali blokovi predstavljaju funkcionalne

cijeline jednog realnog sistema realizovanog prema spomenutom standardu. Sam model je

zamišljen kao komunikacija između dvije bazne stanice (BS) te dvije mobilne stanice (MS1 i

8

MS2). U dijelu modela koji se odnosi na baznu stanicu postavljeni su elementi koji imaju za

cilj simulirati predajnu stranu jedne ovakve veze. Dakle na baznoj stanici vrši se pakovanje

OFDM simbola u zavisnosti od stanja (blok OFDMA Symbol Paxking block) u kanalu te

predaja takvih simbola na sami kanala ( blok OFDMA Transmitter). Mobilne stanice su

sastavljene od blokova koji se odnose na sami prijem OFDM simbola (OFDMA Receiver

blok), bloka koji će raspakovati tako primljeni simbol (rastaviti na dijelove:korisne podatke,

FEC dio simbola, te preambulu) te dio koji mjeri trenutni SNR u kanalu te poželnji rate za

ispravan prijem koji se šalju nazad ka predajniku odnosno baznoj stanici. Dodani su i blokovi

za mjerenje bitske greške radi same analize simulacije.

Bazna stanica je povezana sa mobilnim stanicam preko bloka Multipath Fading Channel with

AWGN koji simulira multipat feding kanal sa aditivnim Gausovim šumom čiji su parametri

također podložni promjenama s ciljem izvođenja različitih scenarija. U nastavku će biti

detaljnije objašnjenji važnijie blokovi modela.

2.2. Elementi modela

Blok Model Parameters

U ovom bloku vrše se promjene osnovnih parametara datog modela. Pošto se radi o OFDMA

pristupu u ovom bloku su postavljeni osnovni parametri takovog sistema. Na slici 2.2.1 je

prikazan dialogue box ovog elementa. Na slici se vide parametri koje je moguće mijnjati u

cijelom modelu. Slijedi pojašnjene parametara koje je moguće mjenjati

Number of OFDM data symbols per burst - Označava broj OFDM podatkovnih

simbola koji će biti upakovani u u jedan OFDM simbol

PUSC Segment – Određuje u kojem segmetnu će biti emitovani simboli

Subchannels allocated to users – Određuje opsege podkanala koji će biti dodijeljeni

svakom od korisnika (MS1 i MS2)

Channel bandwidth – Određuje širinu propagacionog kanala u MHz

Cyclic prefix factor – Određuje koliki dio cijelog OFDM signala otpada na guard

odnosno zaštitni interval

Adaptive rate control SNR thresholds – Određuje granice odluka koja modulacija će se

koristiti u zavisnosti od vrijednosti SNR-a u kanalu

9

Slika 2.1.1 Block Parameters: Model Settings

Blok RateID Control

Ovaj blok se odnosi na kontrolu rate-a kojim se u principu bira koja modulacija će biti

korištena pri slanju signala. Ako se pogleda unutrašnja struktura ovog bloka prikazana na slici

2.1.2 vidi se da ovaj blok na osnovu informacija o stanju u kanalu te na osnovu postavljenih

granica SNR bira koju modulaciju će koristiti u određenom trenutku. Dakle u ovom bloku se

porede vrijednosi rate-a dobivene preko bloka „rateID11“ koji je klasični from element u

matlabu povezan na goto blok na prijmenoj strani. Na ovaj način se bira koji će se rate

odnosno modluacija koristiti. Bira se uvijek modulacija nižeg reda odnosno manji rate jer to

podrazumijeva kanala lošijeg stanja.

10

Slika 2.1.1 Rate ID control

OFDMA Symbol Packing

Ovaj blok predstavlja ključni dio realizacije predajnika. Kada se otvori detaljniji prikaz ovog

bloka prikazan na slici 2.1.2 vidimo da se sastoji od više blokova i to:

Generate Headers and User Dana

Channel Coding

Allocate Subchannels

Permutation and Renumbering

Add Pilots and Guards

11

Slika 2.1.2 OFDMA Symbol Packing

Prvi dio bloka odnosi na generisanje zaglavlja i korisničkih podataka. U ovom dijelu se

kreiraju podaci za simbol preambule, FCH podaci, DL-MAP podaci te korisnički podaci za

svaku od MS-a. Preamubula i FEC podaci se kreiraju kao konstante nasumične vrijednosti.

DL-MAP dio konačne poruke predstavlja podatke koji će na prijemnoj strani ustanoviti za

koju konkretnu MS-u se odnosi neki simbol. Ako se detaljnije pogleda struktura ovog bloka

vidimo da on za ulaze prima vrijednosti alociranih podkanala za svakog korisnika te broj

podatkovnih signala u konačnom signalu.

Data for MS blok za ulaz ima pet parametara parametra, broj podkanala za obje stanice, broj

simbola te odgovarajući rate-ovi koji će poslužiti glavnoj funkciji ovog bloka koja je također

dodana radu s ciljem odabira odgovarajuće modulacije odnosno odnosa (ratio) broja bita

koji ulaze u ovakav bloka i onih koje imamo na izlazu iz bloka.

Nakon što su generisani biti koji čine, zaglavlje, preamubulu, FEC, te korisničke podatke

pristupa se kanalnom kodiranju za svaki od ovih dijelova simbola odvojeno.

Detaljnijim uvidom u strukuturu ovih blokova uviđa se da u modulator preambule ulaze 284

bita koji će nakon konvolucionog kodiranja te modulisanja takvih bita BPSK modulatorom

dati izlaz od 852 bita.

12

Blok za kodiranje FCH bita će od 24 ulazna bita te nakon konvoluciong kodiranja i dodavanja

repnih bita dati izlaz od 192 bita modulisanih QPSK modulatorom odnosno QPSK

modulisane bite.

DL-MAP encoding blok će na ulazu primiti 248 DL-MAP bita te će na svom izlazu nakon

konvolucionog kodiranja te dodavanja repnih i pad bita dati 1248 QPSK modulisanih bita.

Blok za kodiranje korisničkih podataka ima određene specifičnosti koje su prikazana samom

strukturom toga bloka na slici 2.1.3

Slika 2.1.3 MS Channel Coding

Kao štp se može primjetiti na slici korisnički podaci će biti kodiranu zavisno od stanja u

kanalu, odnosno od vrijednosti rate primljenoj u povratnoj informaciji s prijemnika. Za veći

vrijednost rate-a koristit će se modulacija višeg reda sa manje redundantih bita što je moguće

iz razloga što veća vrijednost rate označava bolje stanje u kanalu koje omogućava istu

vjerovatnoću gresške i pri višoj korištenoj modulaciji odnosno brzini prenosa. Na kraju se

13

dobiva niz 14400 bita koji predstavljaju 4 (defaltu-na vrijednost) OFDM simbola. U tabeli

2.1.1 je dat prikaz mogućih modulacija za korisničke podatke prema standardu.

Rate_ID Modulation Tail-biting CC rate

0 QPSK 1/2

1 QPSK 3/4

2 16 QAM 1/2

3 16 QAM 3/4

4 64 QAM 1/2

5 64 QAM 2/3

6 64 QAM 3/4

Tabela 2.1.1 Modulacije korisničkih podataka

Sljedeći dio bloka se odnosi na alokaciju podkanala za dva korisnika. Ako otvorimo dati

podsistem vidimo da su u glavnoj funkciji određeni paramteri za ovaj proces. Pošto se prema

standardu u ovom modelu korisit 1024 FFT vidimo da su podaci sljedeći:

koristi se 720 podatkovnih nosilaca

koristi se 30 podkanala

24 podatkovna nosioca po podkanalu

U ovom bloku vrši se segmentacija OFDM signala u OFDM slotove. Dalje se ovakvi slotovi

mapiraju na način da najniži slot se mapira u najniži podkanal jednog OFDM simbola. Kada

se popune svi podkanali jednog simbola prelazi se u sljedeći slobodni OFDM simbol.

U bloku Permutation and Renumbering se odvijaju dvije funkcije. Ovaj blok je zadužen za

mapiranje logičkih u fizičke podkanale te grupisanje tih kanala u logičke grupe tako da postoji

6 takvih grupa:

Parne grupe

grupa 0 podkanali 0~5 grupa 2 podkanali 10~15 grupa 4 podkanali 20~25

14

144 podnosioca u svakoj grupi

grupa 1 podkanali 6~9 grupa 3 podkanali 16~19 grupa 5 contains subchannel 26~29

96 podnosioca u svakoj grupi

Također se u ovom bloku vrši pridruživanje simbola određenoj grupi (permutacija). Pomenuti

blok je zadužen i za povezivanje korisničkog simbola, DL-MAP simbola te FEC simbola u

jedan simbol.

Na kraju ovog bloka nalazi se dio za dodavanje pilot nosioca i zaštitnog intervala koji je

definisan u bloku Model Parameters. Za dio koji se odnosi na korisničke podatke prvo se

dodaju pilot nosioci, zatim se dodaje lijevi i desna strana te se zatim dodaje zaštitni period,

čime je formiran OFDM simbola. Na kraju se dodaje preambula i imamo cijeli simbol.

Blok OFDMA Transmitter

Osnovna zadaća ovog bloka je da pripremi simbola za slanje na kanal. U ovom dijelu vrši se

inverzna Furijerova transformacija, odnosno prevođenje simbola iz frekeventne u vremensku

domenu. Nakon toga se na simbola dodaje ciklički prefiks. Zatim se ovako dobiveni podaci

prebacuju u odgovarajući format odnosno format fiksne veličine, jer još uvijek nisu podržane

različite dužine simbola.

Blok Multipath fading Channel with AWGN

Ovaj blok predstavlja simulaciju prenosnog kanala između bazne stanice i mobilnih stanica

koji je u stvari kanal s multipath fading-om uz dodatak Gausovog šuma. Na slici 2.1.4 je

prikazan dijaloški okvir ovog bloka iz kojeg se vidi da je moguće mijenjati parametre kao što

su :

prisutnost frekeventni selektivnog fading-a

pristunost flat fading-a

postaviti kanal bez fading-a

U slučaju da je u kanalu prisutan fading moguće je mjenjati parametre odabranog fading-a te

je za svaku odabranu konfiguraciju kanala moguće podestiti nivo SNR-a u kanalu.

15

Slika 2.1.4 Dijaloški okvir: Multipath fading Channel with AWGN

Na prijemnoj strani imamo dvije identične mobilne stanice a samim time i iste blokove.

Analiza prijemne strane se provodi na određeni način analogno predajnoj strani.

OFDMA Receiver

Prvi blok na prijemnoj strani vrši obrnute akcije od predajnika. Naime u ovom bloku se vrši

transformacija iz vremenskog domena u frekvencijski domen i ovakav signal se predaje u

blok. Pored transformacije vrši se i promjena formata signala te se otklanja dodati ciklički

prefiks. Ovakav signal se predaje bloku OFDMA Symbol Unpacking

OFDMA Symbol Unpacking

Ovaj blok ima obrnutu funkciju od bloka za pakovanje OFDMA simbola. Na slici 2.1.5 je

prikazana njegova unutrašnja strkutura.

16

Slika 2.1.4 OFDMA Symbol Unpacking blok

Prvo se vrši demapiranje iz fizičkih podnosioca u logičke podnosioce, pri čemu se odstranjuju

pilot nosioci, zaštitni interval pa se potom identificiraju FCH, DL-MAP te korisnički dijeovi

poruke. Nakon toga se svaki od dijelova poruke proslijeđuje na odgovarajući demodulator te

se tako demodulisani signali šalju na odgovarajuće goto elemente.

Na izlazu iz ovog bloka imamo demodulisane korisničke podatke koji se šalju na BER

Calculation blok, koji računa bitsku grešku te se također šalju modulisani signali na blok za

procjenu kvaliteta kanala odnosno za ispitivanja SNR-a u kanalu.

Važan dio modela predstavlja i grupa blokova pod nazivom SNR and rateID detection koji

služi za procjenu trenutnog SNR-a koji se koristi za određivanje naredne vrijednosti rate-a.

Blok Adaptive Rate Control služi da na osnovu postavljenih granica za SNR u bloku Model

Parameters odredi koji rate će se koristiti. Ova informacija se šalje na goto blok rateID11

koji će ovakvu vrijednost poslati na prethodno opisani blok rateID Control.

17

3. Analiza rezultata

Ovo poglavlje ima za cilj da pokaže kako se mijenjaju performanse sistema sa promjenom

različitih parametara. U nastavku će biti prezentovano šesnaest različitih scenarija, te će se na

samom kraju napraviti kratki rezime koji objedinjuje zaključke pojedinih scenarija.

Kako je u prethodnim poglavljima opisano sistem je modeliran vrlo modularno sa

mogućnošću da se mijenjaju različiti parametri. Za ispitivanje performansi mijenjali smo

parametre koji su vezani za konfiguraciju sistema, kao i parametre koji opisuju kanal preko

kojeg se prenose signali. Za modifikaciju parametara sistema korišena je već postojeća forma

koja je prikazana na sljedećoj slici:

Slika 3.1 Forma za podešavanje parametara sistema

18

3.1. Scenarij 1: Default-ne postavke, AWGN kanal

(SNR=20dB)

Ovaj scenarij je scenarij sa default-nim postavkama parametara sistema. Kanal je modeliran

kao AWGN kanal sa odnosom snage signala i snage šuma SNR=20dB. U nastavku će

Scenarij 1 poslužiti kao referentni za poređenje performasni sistema sa promjenom različitih

parametara.

Nakon simulacije dobijeni su sljedeći rezultati:

Slika 3.1.1 BER i estimirana vrijednost SNR-a

Slika 3.1.2 Konstalacijoni dijagram

19

Slika 3.1.3 Alocirani podkanali

Slika 3.1.4 Alocirani podnosioci

Kao što se sa prethodno prezentovanih slika može vidjeti BER je jednak 0, dakle nije bilo

bitskih grešaka u toku izvođenja simulacije, te je estimirani SNR na prijemu približno jednak

SNR-u u kanalu. Na konstalacionom dijagramu se može vidjeti da su se pojedine tačke raširile

uslijed prisustva šuma u kanalu, ali ipak nije došlo do grešaka u prijemu, što bi značilo da je

sistem optimiziran za analizirani kanal. Posljednje dvije slike prikazuju raspodjelu nosilaca i

podkanala za oba korisnika u sistemu. Te dvije slike su identične za sve scenarije te u

nastavku neće biti prikazivani.

20

Analiza promjene vjerovatnoće greške sa promjenom SNR-a u kanalu prikazana je na

sljedećoj slici:

Slika 3.1.5 Promjena vjerovatnoće greške sa promjenom SNR-a

3.2. Scenarij 2: Default-ne postavke, kanal sa flat fading-

om

Naredna slika pokazuje konfiguraciju kanala, dok je konfiguracija parametara sistema

identična prethodno prezentovanoj u scenariju 1.

Ovdje ide slika koja pokazuje konfiguraciju flat fadinga


Kao što se sa prethodnih slika može vidjeti BER je i dalje jednak 0, što bi značilo da je sistem

sposoban da se nosi sa flat fading-om. Slika koja pokazuje estimirani SNR pokazuje da je ova

vrijednost približno jednaka vrijednosti SNR-a u prenosnom kanalu.

21

Naredna slika prikazuje konstalacioni dijagram:


Konstalacioni dijagram je veoma sličan konstalacionom dijagramu iz prvog scenarija, što je

bilo i za očekivati nakon analize nivoa grešaka i stanja u kanalu. Kao što se može vidjeti

sistem je odabrao 16-QAM kako bi se nosio sa stanjem u kanalu.

3.3. Scenarij 3: Default-ne postavke, kanal sa frekvencijski

selektivnim fading-om

Ovaj scenarij predviđa postavke sistema identične postavkama iz scenarija 1, s promjenom da

je sada u kanalu prisutan frekvencijski selektivni fading. Konfiguracija kanala je prikazana na

sljedećoj slici:

22

Slika 3.3.1 Forma za podešavanje karakteristika kanala


U poređenju sa prethodnim scenarijima moguće je primijetiti razliku na obe prethodno

prezentovane slike. Kao što se može vidjeti ova simulacija daje sljedeće rezultate:

BER=0.0002618, dok je estimirani SNR=13.64dB što je znatno manje od SNR-a u kanalu

koji iznosi 20dB. Vrijednost estimiranog SNR-a posljedica je prisustva frekvencijski

selektivnog fading-a koji umnogome mijenja odnos signal šum. Ovo je potvrđeno i na

sljedećem konstalacionom dijagramu:

23


U nastavku je prikazana promjena vjerovatnoće pogrešnog prijema sa promjenom SNR-a u

kanalu:


24

3.4. Scenarij 4: OFDM data symbols 10, AWGN kanal

(SNR=20dB)

Ovaj scenarij podrazumijeva konfiguraciju sistema koja podrazumijeva više OFDM data

symbola u odnosu na scenarij 1. Scenarij 1 je koristio 4 OFDM podatkovna simbola, dok ovaj

scenarij podrazumijeva ponovljenu simulaciju prvog s razlikom u broju OFDM podatkovnih

simbola s ciljem analize utjecaja ovog parametra na performanse sistema.

Sljedeća slika prikazuje BER i estimiranu vrijednost SNR-a:


Kao što se može vidjeti i ovaj primjer daje identične rezultate onim iz prvog scenarija. Razlog

tome je što AWGN kanal sa defaultnim postavkama (tj. za vrijednost SNR=20) neće dovesti

do bitskih grešaka u prijemu. Naknadno će biti analizirana promjena vjerovatnoće pogrešnog

prijema u zavisnosti od SNR-a. Naredna slika prikazuje konstalacioni dijagram:


25

3.5. Scenario 5: OFDM data symbols 10, kanal sa flat

fading-om

Konfiguracija sistemu u ovom scenariju je identična prethodno prezentovanom, razlika je

samo u konfiguraciji kanala. Prenosni kanal je modeliran kao kanal sa flat fading-om. U

poređenju sa AWGN kanalom nema velikih razlika po pitanju performansi sistema. Na

sljedećoj slici prezentovan je BER i estimirana vrijednost SNR-a.


Na sljedećoj slici je prikazan konstalacioni dijagram, i kako se može vidjeti sistem koristi

64QAM za predstavljene uslove u kanalu.


26

3.6. Scenario 6: OFDM data symbols 10, kanal sa

frekvencijski selektivnim fading-om

Ovaj scenarij je uveo dodatnu promjenu u prenosnom kanalu, tako da je kanal sada modeliran

kao frekvencijski selektivni. U nastvaku su prikazani simulirani BER i estimirani SNR.


Slika 3.6.2 Konstalacioni dijagram

Kako se sa konstalacionog dijagrama može vidjeti modulacija je ponovo spuštena na 16QAM

uslijed jako loših uslova u kanalu. Također se može primijetiti valika širina pojedinih tačaka

na konstelacionom dijagramu koje prikazuju prelazak signala u prostor odlučivanja drugih

signala, što je posljedica frekvencijski selektivnog fading-a u kanalu, te je upravo to

uzrokovalo prethodno prikazane bitske greške u prenosu.

27

3.7. Scenario 7: OFDM data symbols 18, AWGN kanal

(SNR=20dB)

Ova simulacija se razlikuje u odnosu na prethodne tri simulacije u broju OFDM simbola

rezervisanih za prenos podataka. Kanal je modeliran kao kao kanal sa bijelim šumom i

odnosom snage signala i snage šuma 20dB.


Kao što se može vidjeti BER je ostao jednak nuli, što bi značilo da se sistem može nositi sa

ovako modeliranim kanalom. Slijedi prikaz konstalacionog dijagrama.


28

Slijedi uporedni prikaz vjerovatnoće greške za konfiguraciju sistema sa 4 i 18 podatkovnih

OFDM simbola.


3.8. Scenario 8: OFDM data symbols 18, kanal sa flat

fading-om

Kako će u nastavku biti pokazano sistem je dimenzionisan da se uspješno može nositi sa

ovako modeliranim kanalom. BER je jednak nuli i sistem je odabrao 64QAM što je jako

dobro.

29



3.9. Scenario 9: OFDM data symbols 20, kanal sa


Kao što će biti pokazano ovako modeliran sistem daje simulirani BER 0.003222, dok je

estimirana vrijednost SNR-a 12.87dB.


30


U nastavku je prikazan uporedni prikaz promjene vjerovatnoće greške za različite

konfiguracije sistema i kanala.


31

3.10. Scenario 10: PUSC segment 1, kanal sa frekvencijski


Ovaj scenarij podrazumijeva konfiguraciju sistema koja koristi PUSC segment 1. Kanal je

modeliran kao frekvencijski selektivni. Kako je u nastavku prikazano BER ima vrijednost

0.0002618.



Konstalacioni dijagram pokazuje da je sistem odabrao 16QAM, ali se također vidi da su tačke

na konstalacionom dijagramu veoma široke, što je uzrokovano frekvencijski selektivnim

fading-om a za posljedicu pojavu bitskih grešaka.

32

3.11. Scenario 11: PUSC segment 2, kanal sa frekvencijski


Ovaj scenarij je identičan prethodno prezentovanom sa razlikom što se koristi PUSC segment

2 u kombinaciji sa frekvencijski selektivnim fading-om. Kao što se na slici može vidjeti BER

je identičan BER-u iz scenarija koji koristi PUSC segment 1.



Konstalacioni dijagram je također gotovo pa identičan prethodno prezentovanom dijagramu.

33

3.12. Scenario 12: Channel bandwith 10MHz, kanal sa


Ovaj scenarij podrazumijeva konfiguraciju kanala za prenos korisničkih podataka sa

bandwith-om 10MHz, te je kanal modeliran kao frekvencijski selektivni. Kao rezultat

simulacije dobijene su vrijednosti za BER i estimirani SNR kao na slici.



Kao što se može vidjeti sistem je izabrao 4QAM, i utjecaj kanala je vrlo nepovoljan po signal,

što umnogome smanjuje bitsku brzinu prenosa te dovodi do povećanja vjerovatnoće greške u

odnosu na kanal širine 3.5MHz.

34

3.13. Scenario 13: Channel bandwith 15MHz, kanal sa


Ovaj scenarij dodatno proširuje kanal za prenos korisničkih podataka, što ponovo za

posljedicu ima povećanje prosječne vjerovatnoće bitske greške, kao i smanjenje estimiranog

SNR-a.



Sa konstalacionog dijagrama se može vidjeti da su sve tačke veoma proširene uslijed jako

loših performansi sistema. Moguće je prepoznati da sistem koristi 16QAM, ali je vjerovatnoća

pogrešnog prijema veoma velika.

35

3.14. Scenario 14: Cyclic prefix 1/16, kanal sa frekvencijski


Ovaj scenarij ima za cilj da ispita utjecaj promjene cyclic prefiksa na vjerovatnoću pogrešnog

prijema. Kao što je moguće vidjeti na narednim slikama, sa povećanjem prefiksa smanjuje se

vjerovatnoća pogrešnog prijema, što je bilo i za očekivati, jer se sa povećanjem guard

intervala smanjuje ISI.



Konstalacioni dijagram pokazuje da je sistem odabrao 16QAM, i bez obrzira na prisustvo

šuma i fading-a u kanalu vjerovatnoća pogrešnog prijema je umnogome smanjena u odnosu

na vjerovatnoću greške za isti scenarijo sa manjim cyclic prefiksom.

36

3.15. Scenario 15: Cyclic prefix 1/32, kanal sa frekvencijski


Ovaj scenarij dodatno ispituje utjecaj guard intervala na performanse sistema, te također

potvrđuje prethodno izvedene zaključke.



37

Zaključak

Ovo poglavlje ima za cilj da uporedi vjerovatnoću pogrešnog prijema za neke od prethodno

prezentovanih scenarija. Analiza vjerovatnoće greške je urađena upotrebom „bertool“ alata iz

Matlaba. Analizirani su reprezentativni scenariji, koji treba da pokažu kako promjena

pojedinih parametara sistema utječe na promjenu performansi istog.

Na sljedećoj slici prikazana je promjena vjerovatnoće greške sa promjenom SNR-a za 3

različita scenarija. Kao što se sa grafika može vidjeti izvršeno je poređenje za scenarije koji

mijenjaju broj alociranih podatkovnih kanala za korisnika. Graf pokazuje da sa povećanjem

broj podatkovnih kanala alociranih po korisniku raste i vjerovatnoća greške, tj. za postizanje

iste vjerovatnoće greške potreban je mnogo veći SNR za sisteme koji alociraju veći broj

kanala za prenos korisničkih podataka.

Slika 4.1 Promjena vjerovatnoće greške sa promjenom SNR-a

38

Slika 4.2 Promjena vjerovatnoće greške sa promjenom SNR-a

Na prethodnoj slici izvršeno je poređenje performansi sistema za 6 različitih scenarija. Kao

što se može vidjeti, a što je i prethodno naglašeno sa povećanjem broja alociranih

podatkovnih kanala po korisniku raste i vjerovatnoća greške. Širi bandwith po korisničkim

kanalima smanjuje vjerovatnoću greške, ali za posljedicu ima manje efikasnu iskorištenost

reusrsa.

Također je uočljiv utjecaj frekvencijski selektivnog fading-a. Za razliku od flat fading-a čiji je

utjecaj na ovako modeliran sistem gotovo jednak utjecaju AWGN kanala, frekvencijski

selektivni fading izdiže krivu vjerovatnoće greške, te se za postizanje iste vjerovatnoće greške

zahtjeva mnogo veći SNR.

39

Literatura

[1] 802.16-2009 – IEEE Standard for Local and metropolitan area netwroks Part 16: Air

Interface for Broadband Wireless Access Systems ,

http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.16-2009.html

[2] IEEE Std 802.16-2009 Standard for local and metropolitan area networks – Part 16: Air

interface for broadband wireless access systems,

http://www.arib.or.jp/IMT-Advanced/WirelessMAN-

Advanced.1.20/ARIB%20STDT105%20Annex%201_IEEE%20Std%20802%2016-2009.pdf

[3] Matlab R2012a Help

[4] LTE, LTE-Advanced and Wimax towards IMT-Advanced Networks, 2012 John Wiley &

Sons, Ltd.

http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.16-2009.html

http://www.arib.or.jp/IMT-Advanced/WirelessMAN-Advanced.1.20/ARIB%20STDT105%20Annex%201_IEEE%20Std%20802%2016-2009.pdf

http://www.arib.or.jp/IMT-Advanced/WirelessMAN-Advanced.1.20/ARIB%20STDT105%20Annex%201_IEEE%20Std%20802%2016-2009.pdf

40

Skraćenice

BS Base Station

FDD Frequency Division Duplex

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISI Intersimbolska interferencija

LOS/NLOS Line Of Sight

MAC Medium Access Control

MS/T Mobile Station/Terminal

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PDU Protocol Data Unit

PHY Physical

PMP Point to Multi-Point

PUSC Partial Usage of SubChannels

RAT Radio Access Technology

RIT Radio Interface Technology

RS Radio Station

SAP Service Access Point

TDD Time Division Duplexing

TVoIP TV over IP

WiMAX World Wide interoperability for Micro Wave Access

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WMAN-SC Wireless Metropolitan Area Network Single Carrier

Documents

IEEE 802.16‐2009 WirelessMAN‐OFDMA PHY Downlink PUSC