CC BY
235
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя № ФС 77 - 305БЭ. Государствен над регистрация №0421100025. ISSN 1994-04OS_
Оценка помехоустойчивости OFDM сигнало
в в системах передачи информации
при воздействии дестабилизирующих факторов
77-30569/359356
# 03, март 2012 Петренко Б. П.
УДК 621.391.82
МГТУ им. Н.Э. Баумана boris [email protected]
Актуальность исследования помехоустойчивость радиосистем с OFDM сигналами, которые получены с применением технологии ортогонального частотного мультиплексирования, обусловлена широким их применением, в том числе, активным внедрением в России широкополосных беспроводных сетей передачи информации типа WiMAX и Wi-Fi. Традиционно, для стран, в которых обширная территория сочетается с невысокой плотностью населения, широкополосные беспроводные сети находятся вне конкуренции по быстроте развертывания, цене и набору приложений.
Перспективность использования OFDM сигналов объясняется также и тем, что эти сигналы обеспечивают высокую спектральную эффективность, возможность работы вне прямой видимости, высокие энергетические параметры системы связи, обеспечивающие большую дальность и возможность эффективного обслуживания мобильных абонентов.
Особенность использования OFDM состоит в том, что высокоскоростной поток данных разбивается на большое число низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на своем частотном канале, то есть на своей поднесущей частоте. При этом длительность канальных символов в частотных каналах может быть выбрана достаточно большой, значительно превышающей задержки сигнала в канале. Это приводит к тому, что межсимвольная интерференция в каждом частотном канале может влиять только лишь на незначительную часть канального символа, которую можно исключить из последующей обработки в приемнике за счет введения временного защитного интервала между соседними канальными символами.
Для создания эффективных систем передачи информации, функционирующих в сложных условиях распространения сигналов (городских районах с многоэтажной застройкой и с учетом перемещения абонента относительно базовой станции) и воздействия помех, необходимо исследовать помехоустойчивость (радиосиситем передачи информации) РСПИ при воздействии дестабилизирующих факторов.
Результаты этих исследований необходимы, в том числе, для создания адаптивных систем кодирования и разработки аппаратно-программного комплекса, предназначенного для выбора оптимальных параметров сигналов при изменяющихся характеристиках канала связи.
Исследование помехоустойчивости РСПИ проведено методом математического моделирования, в ходе которого рассмотрены варианты использования сигналов с квадратурной фазовой модуляцией и квадратурной амплитудной модуляцией в сочетании со сверточным кодированием с различными скоростями кодирования. Для ликвидации пакетных ошибок при замирании сигнала в модели предусмотрена процедура перемежения. Исследовано влияние различных видов декодирования: с априорно известной информацией о канале распространения сигнала, а также декодирование с мягким и жестким принятия решения в алгоритме декодирования Витерби.
В системе автоматизированного проектирования разработана адекватная математическая модель системы передачи информации и проведено исследование влияния различных видов манипуляции сигнала, способов кодирования и условий распространения сигнала в радиолинии на характеристики помехоустойчивости РСПИ. На характеристики помехозащищенности оказывают значительное влияние многолучевость и затухание при распространении. Для проверки адекватности модели радиосистемы передачи информации с OFDM проведено сравнение полученных результатов моделирования с известными опубликованными в литературе данными [3]. Относительно среды распространения сигнала принято предположение, что на работу системы оказывают влияние помехи искусственного и естественного происхождения, которые представляют собой аддитивный белый гауссовский шум.
Рассмотрены варианты использования сигналов с квадратурной фазовой модуляцией (КФМ) со скоростями кодирования 1/2 и 2/3, отличающихся наличием четырех дискретных состояний сигнала, соответствующих различным фазам; квадратурной амплитудной модуляцией (16КАМ и 64КАМ) со скоростями кодирования 1/2, 2/3 и 3/4. Кроме того, для избежания пакетных ошибок при замирании сигнала в модели предусмотрен процесс перемежения символов.
В ходе моделирования изучено влияние рассеивания, многолучевости и затухание при распространении на работу системы. В соответствии с этим рассмотрены различные трассы распространения: участки местности с небольшим числом препятствий (открытые районы), участки местности с небольшими строениями и деревьями (пригородные районы) и участки местности с плотной, в том числе, с многоэтажной застройкой (городские районы).
В работе проводилось исследование помехоустойчивости СПИ с использованием модели Стэндфордского университета (SUI) [5] и модели, рекомендованной МСЭ (ITU) [6]. Эти модели являются наиболее универсальными и позволяют учесть особенности распространения сигнала, в условиях многоэтажной городской застройки и с учетом движения абонента.
Модель SUI представляет собой набор из 6 каналов, представляющих три варианта местности (тип A, B, C), отличающиеся временем задержки сигнала, значением доплеровского смещения частоты и условиями распространения сигнала [4]. Так как на прием сигнала оказывает влияние скорость перемещения приемной системы относительно базовой станции, то рассмотрены три варианта, отличающиеся скоростью движения абонента: неподвижный абонент и движущийся абонент в сложных городских условиях со скоростью 30 км/ч и со скоростью 120 км/ч на автомагистралях. Для моделирования работы системы при движении абонента и получения оценки вероятности появления ошибки, приходящейся на бит информации, используется модель ITU канала распространения сигнала.
Для моделирования многолучевости и замираний в канале распространения сигнала Международным Союзом Электросвязи (ITU) предложены 4 модели. Многолучевость и замирания создаются с помощью линии задержки с 6 ответвлениями с неоднородными задержками.
На рисунке 1 приведены результаты расчетов, полученные по данным моделирования, отображающие зависимости вероятности возникновения битовой ошибки (BER) от отношения сигнал/шума.
Влияние движущегося абонента на помехоустойчивость системы обусловлено возникновением медленных и быстрых замираний сигнала, в основном по причине многолучевого распространения. При большом числе трасс распространения сигнала плотность вероятности распределения мгновенных значений огибающей принимаемого сигнала описывается законом Рэллея-Райса.
1.00Е+00
1.00Е-01
1.00Е-02
1.00Е-03
1.00Е-04
1.00Е-05
1.00Е-06
1.00Е-07
Ч 1 Ч 2 з л 7
н 5
Nn
10 11 12 13
14
15 16 17 18 19 20
1-КФМ 1/2, 2-КФМ 3/4,3- 16КАМ 1/2,4-16КАМ 3/4, 5-64КЛМ 1/2,6-64КАМ
2/3, 7-64КЛМ 3/4
Рисунок 1 - График вероятности появления ошибки (вариант: нет перемежения и кодирования, белый гауссовский шум, СБ! - декодирование)
Рисунок 2- График вероятности появления ошибки для различных сред распространения
сигнала
(вариант: модуляция- 16 КАМ-3/4, перемежение, SOFT - декодирование, белый гауссовский
шум)
Оценка влияния скорости движения абонента относительно базовой станции показала, что с увеличением скорости движения помехоустойчивость СПИ ухудшается. Так при скорости 30 км/ч и модуляции сигнала 16КАМ 1/2 (декодирование с мягким принятием решения), вероятность битовой ошибки 0,01 достигается при 18 дБ, что на 10,5 дБ превышает значение сигнал/шум для случая неподвижного абонента (7,5 дБ- пл.7).
Рисунок 3 - График вероятности появления ошибки (вариант: перемежение с кодированием, среда распространения ITU, скорость движения
абонента. 120 км/ч, SOFT - декодирование)
При скорости движения абонента 120 км/ч модуляцию сигнала 64КАМ 3/4 применять нецелесообразно, ввиду низких значений помехоустойчивости и соответственно недопустимо больших значений вероятности битовой ошибки. Это обусловлено значительным влиянием многолучевости распространения и замирания сигнала. Наименьшее значение помехоустойчивости при 120 км/ч обеспечивает СМРС, использующая декодирование с жестким принятием решения.
Таким образом, в результате моделирования проведен выбор способов модуляции и декодирования сигнала для минимизации пакетных ошибок при замирании сигнала
применительно для различных условий распространения,- открытых районов, участков местности с небольшими строениями и деревьями и участков местности с плотной, в том числе, с многоэтажной застройкой.
Список используемых источников
1. Информационные технологии в радиотехнических системах.: Уч. пособие / В.А. Васин, И.Б.Власов, Ю.М. Егоров и др.; под ред. И.Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 672 с.
2. Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь. 2000. 800 с.
3. Andrews J. G., Ghosh. R. Muhamed Fundamentals of WiMAX Understanding Broadband Wireless Networking. Prentice Hall. 2007. p. 448.
4. Wimax System Evaluation Methodology// Wimax Forum. 2007-2008. pp. 160-178.
5. Medeisis A. Fine tuning of the Okumura-Hata propagation prediction model using the minimum squares method and fuzzy logic approach// Fifteenth International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility, EMC 2000. pp. 619-623.
6. Service in the VHF UNF Bands// Recommendation ITU-R. Geneva: ITU, 1999. p. 529.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
_EL № KS 77 - 3Ü56'». .V;II421100025, ISSN 1994-jMOg_
Estimation of noise immunity of OFDM signals in communication systems under the influence of destabilizing factors
77-30569/359356
# 03, March 2012 Petrenko B.P.
Bauman Moscow State Technical University
boris [email protected]
The article covers a research of noise immunity of radio communication systems with OFDM signals. The author proposes a method of selection of signal modulation and decoding in order to minimize errors in case of signal depression, relating to different propagation conditions.
Publications with keywords: error performance, modulation and decoding of the signals, communication systems
Publications with words: error performance, modulation and decoding of the signals, communication systems
References
1. Vasin V.A., Vlasov I.B., Egorov Iu.M., Kalmykov V.V., Kuznetsov A.A., Nikolaev A.I., Pudlovskii V.B., Rodzivilov V.A., Sebekin Iu.N., Senin A.I., Slukin G.P., Fedorov I.B. Informatsionnye tekhnologii v radiotekhnicheskikh sistemakh [Information technologies in radio engineering systems]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2003. 672 p.
2. Proakis J. Digital Communications. New York, McGraw-Hill, 1995. 928 p. (Rus. ed.: Prokis D. Tsifrovaia sviaz'. Moscow, Radio i sviaz' Publ., 2000. 800 p.).
3. Andrews J. G., Ghosh A., Muhamed R. Fundamentals of WiMAX: Understanding broadband wireless networking. Upper Saddle River, NJ, Prentice-Hall, 2007, 448 p.
4. Wimax System Evaluation Methodology. Wimax Forum, 2007-2008, pp. 160-178.
5. Medeisis A. Fine tuning of the Okumura-Hata propagation prediction model using the minimum squares method and fuzzy logic approach. Proc. 15t Int. Wroclaw Symp. on Electromagnetic Compatibility (EMC-2000). Wroclaw, Poland, June 27-30, 2000, pp. 619-623.
6. Service in the VHF UNFBands. Recommendation ITU-R. Geneva, ITU, 1999. 529 p.
