CC BY
33
МЕТОД ОЦЕНКИ ГАРАНТИРОВАННОЙ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В OFDM СИСТЕМАХ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10303
Фазылов Ленар Ильфакович,
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань, Россия, fazilov.lenar@mail.ru
Петрова Екатерина Александровна,
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань, Россия, e.a.goryacheva@gmail.com
Бухарина Анна Александровна,
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань, Россия,
aabukharina@gmail.com
Ключевые слова: OFDM системы, информационная скорость передачи данных, канальная скорость передачи данных, пропускная способность, отношение сигнал/шум, отношение сигнал/помеха.
Проведён анализ существующих методов оценки канальной скорости передачи данных OFDM систем. Показано, что в связи с использованием высокой степени уплотнения потоков информации для достижения возрастающих требований к пропускной способности сетей связи этим сетям присуще взаимное влияние входящих в них каналов связи, которое необходимо учитывать при оценке канальной скорости передачи данных OFDM систем. Разработанные ранее для этого случая методы оценки гарантированной скорости передачи данных предполагают линейную зависимость информационной скорости передачи данных от канальной, рассчитываемой как сумма скоростей передачи данных на каждой поднесущей, которая, в свою очередь, зависит от выбора схемы модуляции и кодирования и может быть аппроксимирована логарифмической зависимостью от отношения сигнал/помеха. В этих методах оценки скорости передачи данных на поднесущей могут принимать любые значения от нуля до бесконечности, однако в реальных системах, из-за ограниченности реализованных в оборудовании схем модуляции и кодирования, возможные значения скорости передачи данных на поднесущих ограничены. Поэтому при очень маленьких или слишком больших отношениях сигнал/помеха результаты оценок существующих методов оценки канальной скорости передачи данных будут некорректны. Разработан новый метод оценки гарантированной скорости передачи данных в OFDM системах, учитывающий перечень схем модуляции и кодирования, поддерживаемых конкретными стандартами систем связи, путем введения ограничений скорости передачи данных на поднесущих. С помощью проведенного эксперимента показано, что предложенный метод обеспечивает получение корректных оценок скоростей передачи данных в OFDM системах для более широкого динамического диапазона входных сигналов.
Информация об авторах:
Фазылов Ленар Ильфакович, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, аспирант кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, г. Казань, Россия
Петрова Екатерина Александровна, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, доцент кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, к.т.н., г. Казань, Россия
Бухарина Анна Александровна, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, ассистент кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, г. Казань, Россия
Для цитирования:
Фазылов Л.И., Петрова Е.А., Бухарина А.А. Метод оценки гарантированной скорости передачи данных в OFDM системах // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №9. С. 4-8.
For citation:
Fazylov L.I., Petrova E.A., Bukharina A.A. (2019) Estimating guaranteed data rate method in OFDM systems. T-Comm, vol. 13, no.9, pр. 4-8. (in Russian)
7TT
Введение
Бурное развитие Интернет технологий приводит к резкому повышению требований к сетям связи. Постоянно возрастающие требования к пропускной способности сетей связи достигаются за счет использования высокой степени уплотнения потоков информации, что приводит к возникновению взаимного влияния входящих в них каналов связи [1,2]. Кроме того, наряду с обеспечением высокой пропускной способности сетей связи, необходимо уделять пристальное внимание и исключению локальных перегрузок их сегментов [3].
Для оценки реальной пропускной способности OFDM систем были разработаны методы оценки гарантированной скорости передачи данных, учитывающие влияние внутрисистемных помех [2,4, 5,6]. Корректность оценок полученных с помощью перечисленных методов была подтверждена экспериментальными исследованиями для сетей широкополосного радиодоступа. Эти методы предполагают линейную зависимость информационной скорости передачи данных от канатьной, которая в свою очередь является суммой скоростей передачи данных на всех поднесущих OFDM сигнала, используемых для передачи информации [2,4]. В свою очередь скорость передачи данных па поднесущей OFDM сигнала имеет логарифмическую зависимость от отношения сигнал/помеха на этой поднесу щей.
В реальных OFDM системах изменение канальной скорости передачи данных в зависимости от отношения сигнал/помеха осуществляется путём выбора той или иной схемы модуляции и кодирования (MCS), количество которых конечно. Это приводит к тому, что реальная канальная скорость передачи данных не будет увеличиваться с ростом отношения сигнал/помеха после выбора MCS с наибольшим индексом, а при отношении сигнал/помеха меньшем некоторой, обеспечиваемой MCS с наименьшим индексом, система вообще не сможет передавать данные.
Эти эффекты, не учитываемые указанными моделями, могут существенно искажать результаты оценок скорости передачи данных при малых или, наоборот, больших отношениях сигнал/помеха. Поэтому актуальной задачей является разработка нового метода оценки скорости передачи данных в OFDM системах, учитывающего перечень схем модуляции и кодирования, поддерживаемых конкретными стандартами систем связи.
Разработка метода оценки скорости передачи
данных и канале спя sti OFDM систем
Передача информации в OFDM системах осуществляется параллельно с использованием большого количества поднесущих. Сигналы, передаваемые на каждой поднесущей, формируются с использованием определённой схемы модуляции и кодирования, выбираемой в зависимости от отношения сигнал/шум в канале связи. Так как в большинстве применяемых в настоящее время методах оценки канальной скорости передачи данных внутрисистемные помехи не учитываются, а уровень шума и средняя мощность сигнала на всех поднесущих считаются одинаковыми, то для всего OFDM сигнала или ipymi его поднесущих используется одна и та же схема модуляции и кодирования.
Как показывают приведённые в [4, 7] результаты исследовании, в OFDM системах связи, подверженных воздействию внутрисистемных помех, отношения сигнал/помеха будут отличаться.
В [4] отношение сигнал/помеха рПт на г-й поднесущей OFDM еигнача, передаваемого т - м узлом на / -й узел, определяется согласно разработанной модели как:
Pitm \t
Чт
(1)
где Р1т - мощность сигнала /»-го узла па входе приёмного устройства /-го узла, - мощность белого гауссовского шума па входе приёмного устройства I -го узла, а К[/т, ~/1т) - коэффициент учитывающий влияния сигналов передаваемых па несущей частоте /т. па г-ю поднесу-щую [4].
В [7] предложенное выражение было уточнено с учётом используемого приёмником алгоритма приёма:
Рит = ■
Чт
(2)
X Р!т' ■ K!lm' + ■ К?
я>'-1
где К* - коэффициент шума на i -й поднесущей, а, К11т. -коэффициент суммарных внутрисистемных помех, создаваемых сигналом ш'-ro узла на i-ю поднесущую, принимаемую I -м узлом.
Коэффициенты шума К'^ и суммарных внутрисистемных помех КЦт, в выражении (2), определяются в зависимости от используемого алгоритма приёма, количества поднесущих в OFDM сигнале, частотного разноса между каналами, согласно выражениям, приведённых в |7].
Из выражений (1) и (2) следует, что для получения оптимальных системных характеристик необходимо на каждой поднесущей использовать свою схему модуляции и кодирования.
В существующих стандартах OFDM систем на всех поднесущих в OFDM сигнале или на группах поднесущих (ресурсных блоках) используются одинаковые схемы модуляции и кодирования, однако использованием частотного пе-ремежения бит данных и помехоустойчивого кодирования несколько нивелируют этот недостаток.
Поэтому в [4,6] предполагается и на основе экспериментальных данных обосновывается корректность вычисления канальной скорости передачи данных Vlm от т -го узла сети до /-го, как суммы скоростей передачи данных на каждой поднесущей, используемой для передачи данных, вычисленной на основе отношения сигнал/помеха на частоте этой поднесущей;
Um »
(3)
7ТТ
где Уцт - скорость передачи данных от т -го узла сети до / -
го на 1-й пол несу щей, а /" - количество поднесущих, используем ых для передачи данных,
В работе |4] скорость передачи данных на поднесу щей Уцш предлагается оценивать с использованием формулы
Шеннона для пропускной способности в единицу времени для канала с аддитивным белым гауссовым шумом, в которую вместо отношения сигнал/шум подставляется отношение сигнал/помеха:
Kim — '
(4)
(
w
2-Erf
yJPilm . | | {P*J2) J
(5)
Erf{p) = -
Ш,
Vmm \V >
I Um
о < V"""
(6)
У,т = I
г/-max \rr T/max v \yUm > V
v„m\v-<v,lm<v-
(7)
где К1™ -техническая скорость передачи OFDM символов, В работе [2, 6] скорость передачи данных на поднесу щей OFDM сигнала оценивается на основе определения вида модуляции, обеспечивающего вероятность ошибки не превышающую допустимую . Согласно этой работе для гауссовского распределения помех скорость передачи данных от т -го узла сети до / -го на / -й поднесущей УШп определяется как:
где Erf (•) - функция, обратная функции ошибки 1
Как видно из выражений (4) и (5) скорость передачи данных на поднесущих OFDM сигнала не 01раничена и может принимать любые значения. Однако реальные OFDM системы используют конечный перечень схем модуляции и кодирования, что приводит к ограничению возможных значений скорости передачи данных на поднесущих.
Вариантом решения этой задачи является введение ограничений на скорость передачи данных на поднесущей Уа'т с
учетом перечня схем модуляции и кодирования, имеющемся в каждом конкретном стандарте:
Верификация метода оценки скорости передачи
данных в сети широкополосного ради о доступ а
Верификации полученного выражения (7) для оценки скорости передачи данных от m -го узла сети до I -го проведём на тестовой Wi-Fi сети стандарта 802.11 и, развёрнутой на кафедре радиоэлектронных и телекоммуникационных систем 5-го учебного здания КНИТУ-КАИ. Тестовая сеть включает в себя олну точку доступа ELTEX WF.P-!2ac, работающую на 40 частотном канале, FTP сервер, мобильный телефон «Xiaomi mi4e» с программным обеспечением «Уровень сигнала» и «AntiiFip».
Измерения проводились в различных точках кафедры РТС, с уровнем сигнала, регистрируемым с помощью программы «Уровень сигнала», меняющемся в диапазоне от -86 до -45 дБм. Уровень шума для телефона был принят -40 дБм при использовании MIMO 2x2. В каждой точке регистрировалось значение информационной скорости передачи данных при чтении тестового файла с FTP сервера с использованием программы «AndiFtp».
Для этих же точек проводился расчёт скорости передачи данных на поднесущих по выражениям (4) и (5). При расчетах но выражению (5) допустимая вероятность ошибки
рЕг = юЛ
max
На их основе рассчитывалась канальная скорость передачи данных VIm по выражениям (3) и (7), Минимальная и максимальная скорости передачи данных на одной поднесущей при расчётах по формуле (7) были взяты из стандарта IEEE 802.Un равными Krain=0,25, К"4** =2,5.
Информационные скорости передачи данных вычислялись V¡™ как доля канальной скорости на основе выражений, предложенных в работе [4], со значениями коэффициентов кл = 0.6, Г = 13.12, взятыми из этой же работы:
Vм-к ■V -к Ьа — и"
К™* • Ia • log2(.T)
lm
(8)
где Г"1"1 и К'™" - соответственно минимальная и максимальная скорости передачи данных на одной поднесущей, поддерживаемые схемами модуляции и кодирования используемыми в стандарте реальной ОКГ)М системы.
С учётом выражения (6) формулу (3) для оценки канальной скорости передачи данных от т -го узла сети до 1-го будет иметь вид:
Измеренные и рассчитанные информационные скорости передачи данных приведены на рис. 1.
Из приведённых на рис. I зависимостей видно, что методы оценки скоростей передачи данных, приведённые в [2,4,6], дают близкие оценки информационной скорости передачи данных, которые достаточно хорошо коррелируют с измеренными значениями в диапазоне уровней сигнала от -80 дБм до -65 лБм.
Эти результаты также подтверждаются экспериментальными данными, приведёнными в [2,4, 6],
Y
Рис, 1. Зависимости информационной скорости передачи данных от уровня сигнала, где: • — измеренные значения;
— — — рассчитанные по методу из [4]; _ — рассчитанные по методу из [6];
- - - — рассчитанные по методу из [4] с учётом выражения (7); - — рассчитанные по методу из [6] с учётом выражения (7)
Однако при уровне сигнала меньшем -80 дБм и большем -65 дБм расчётные значения, полученные по ранее опубликованным методам, существенно отличаются от экспериментально измеренных значений в связи с рассматриваемым в статье ограничением на применяемые схемы модуляции и кодирования. В тоже время использования выражения (7) при расчетах скорости передачи данных вместо выражения (3) позволяет существенно повысить достоверность оценок скорости передачи данных. Среднеквадратнческое отклонение оценок расчетных значений информационной скорости передачи данных при использовании правила расчёта скорости передачи данных на поднесу щей, приведённого в [4] и в [2, 6] близки и составляют 8,5 Мб/с и 7,5 Мб/с, соответственно.
Заключение
Предложенный в статье метод оценки гарантированной скорости передачи данных обеспечивает получение корректных оценок скоростей передачи данных в OFDM систе-
мах для более широкого динамического диапазона входных сигналов. При этом среднеквадратнческое отклонение оценок расчетных значений информационной скорости передачи данных для проведённого эксперимента при использовании правила расчёта скорости передачи данных на поднесу-шей на основе формулы Шеннона составило 8,5 Мб/с, а для правила учитывающего ограничение на вероятность ошибки 7,5 Мб/с, соответственно.
1. Выборное О.В., Измайлов A.M.. Козлов C.B.. Спирина Е.А. Тестирование ЭМС оборудования стандарта 802.1 In фирмы InfiNei // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2012. Т. 68. №4-2. С. 160-163,
2. Спирина Е.А. Комплексная оптимизация IP сетей Связи с целью снижения внутрисистемных помех. России: дис. ... доктора технических наук: 05,12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникации / Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н, Туполева - КАИ, Казань, 2018. 269 с.
3. Выборное О.В., Измаилов A.M., Козлов C.B., Лавру-шев В Н., Спирина Е.А. Прогнозирование потенциальной нагрузки секторов сетей широкополосного радиодоступа на основе анализа отношения с и гнал/помеха с использованием геоинформационных технологии. // Вестник КГТУ им. Л.Н.Туполева. 2013, Т. 69, №4. С. 130-135.
4. Петрова Е.А. Оценка гарантированной информационной скорости передачи в сетях широкополосного радиодоступа с учетом внутрисистемных помех // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2014. №10. http://jre.cplire.ru/jre/oct 14/7/text.pdf.
5. Vintenkova KS. Kozlov S. V„ Spirina E.A. The estimation of data transfer rates in the broadband radio access networks with collective dynamic routing. Published in: Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (S1NKHROINFO), 2017, DOÎ: ! 0.1109/S1NKHR01NF0.2017.7997510.
6. Винтенкова Ю.С.. Козюе C.B., Спирина E.A. Метод оценки объёма доставляемых данных в сетях широкополосного радиодоступа с совместной динамической маршрутизацией // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №2. С, 16-20,
7. Спирина Е.А,, Козлов C.B. Анализ эффективности использования алгоритмов оптимального приема OFDM сигналов в IP сетях с совместной динамической маршрутизацией. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №2. Режим доступа: http://jre.cp lire.ru/jre/feb 17/3/text.pd f.
Литература
ESTIMATING GUARANTEED DATA RATE METHOD IN OFDM SYSTEMS
Lenar I. Fazylov, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan, Russia, fazilov.lenar@mail.ru Еkaterina А. Petrova, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan, Russia,
e.a.goryacheva@gmail.com
Anna A. Bukharina, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan, Russia, aabukharina@gmail.com Abstract
This article analyses the existing channel bit rate estimation methods in OFDM systems. It was demonstrated that the use of a high degree of information flows compaction leads to the communication channels mutual influence, which must be taken into account to calculate the OFDM transmission rate. All hitherto intended channel bit rate assessment methods use a linear dependence between informational rate and channel bit rate. The channel bit rate is calculated as the sum of bit rates on each sub-carrier. Sub-carrier bit rate depend on modulation and coding scheme that can be approximated by a logarithmic dependence on the signal to interference ratio. The channel bit rate, according to these methods, can be varied with the range of values from 0 to positive infinity; however, in the real systems the bit rate is limited to modulation and coding schemes realized in hardware. Thus, in cases when the signal to interference ratio was very low or high, the assessment has proven inaccurate. The article describes an new method of the guaranteed channel bit rate assessment, which taking into account the modulation and coding schemes list based on sub-carrier bit rate restrictions The conducted experiment proved that the suggested method provides precise estimations of OFDM systems channel bit rate for a broader dynamic range.
Keywords: OFDM systems, information transfer rate, channel data rate, throughput, signal to noise ratio, signal to interference ratio. References
1. Vybornov O.V., Izmailov A.M., Kozlov S.V. and Spirina E.A. (2012). Testirovanie E'MS oborudovaniya standarta 802.1 In firmy' InfiNet. Vestnik KGTU im. A.N. Tupoleva. Vol. 68. No. 4-2, pp. 160-163. (in Russian)
2. Spirina E.A. (2018). Kompleksnaya optimizaciya IP setej svyazi s cel'yu snizheniya vnutrisistemny'x pomex. Rossii: dis. ... doktora texnicheskix nauk: 05.12.13 - Sistemy', seti i ustrojstva telekommunikacij. Russian: Dissertation technical sciences: 05.12.13 -Telecommunication systems, networks and devices / Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan, 2018. 269 p.
3. Vybornov O.V., Izmailov A.M., Kozlov S.V., Lavrushev V.N. and Spirina E.A. (2013). Prognozirovanie potencial'noj nagruzki sektorov setej shirokopolosnogo radiodostupa na osnove analiza otnosheniya signal/pomexa s ispol'zovaniem geoinformacionny'x texnologij. Vestnik KGTU im. A.N. Tupoleva. Vol. 69. No. 4, pp. 130-135. (in Russian)
4. Petrova E.A. (2014). Ocenka garantirovannoj informacionnoj skorosti peredachi v setyax shirokopolosnogo radiodostupa s uchetom vnutrisistemny'x pomex. Zhurnal radioelektroniki [web-journal]. No. 10. Available at http://jre.cplire.ru/jre/oct 14/7/text.pdf.
(in Russian)
5. Vintenkova Y.S., Kozlov S.V., Spirina E.A. (2017). The estimation of data transfer rates in the broadband radio access networks with collective dynamic routing. Published in: Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SINKHROIN-FO), 2017, DOI: I0.II09/SINKHROINFO.20I7.79975I0
6. Vintenkova Yu.S., Kozlov S.V., Spirina E.A. (20I8). Transferred data volumes estimation method for collective dynamic routing implementation in broadband radio access networks. T-Comm, vol. I2, no.2, pp. I6-20. (in Russian)
7. Spirina E.A., Kozlov S.V. (20I7). Analiz e'ffektivnosti ispol'zovaniya algoritmov optimal'nogo priema OFDM signalov v IP setyax s sovmestnoj dinamicheskoj marshrutizaciej. Zhurnal radioelektroniki [web-journal]. No. 2. Available at http://jre.cplire.ru/jre/febI7Z3/text.pdf. (in Russian)
Information about authors:
Lenar I. Fazylov, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, postgraduate student, Department of Radioelectronic and Telecommunication Systems, Kazan, Russia
Ekaterina A. Petrova, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, Ph. D. in Technical Sciences, Department of Radioelectronic and Telecommunication Systems, Kazan, Russia
Anna A. Bukharina, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, assistant, Department of Radioelectronic and Telecommunication Systems, Kazan, Russia
7ТЛ
