CC BY
459
УДК 681.3.07
Разработка программного обеспечения для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX в среде MATLAB Simulink
Олег Иванович Шелухин, д.т.н., проф., e-mail: sheluhin@mail.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» (РГУТиС), Москва Юрий Алексеевич Иванов, аспирант, e-mail: yurasic@bk.ru Чувашский государственный университет, г.Чебоксары
Константин Андреевич Ненахов, аспирант, e-mail: holod-iinna@yandex.ru, РГУТиС, Москва Андрей Владимирович Арсеньев, аспирант, e-mail: a.arseniev@mrsnet.ru, РГУТиС, Москва
Приведено описание программного обеспечения в среде Matlab Simulink для имитационного моделирования системы передачи WiMAX; изложены основные положения стандарта IEEE 802.16 WiMAX, необходимые при разработке программного обеспечения; представлено подробное описание процесса разработки модели блоков системы передачи данных стандарта WiMAX; рассмотрена работа функциональных блоков и интерфейсов, предоставляемых программной средой Matlab.
The authors describe the software in the Matlab Simulink environment for simulation of WiMAX transmission system. The article discusses the aspects of the IEEE 802.16 WiMAX standard, which are used in the software development, and explains the modeling process for the data transfer blocks in the WiMAX standard. The authors examine the functional blocks and interfaces provided by Matlab environment.
Ключевые слова: Matlab Simulink, WiMAX, кодирование Рида-Соломона, имитационное моделирование, перемеже-ние, модуляция, замирания, быстрое преобразование Фурье.
Keywords: Matlab Simulink, WiMAX, Reed-Solomon coding, simulation, interleaving, modulation, fading, fast Fourier transform.
Постановка задачи
Телекоммуникационная технология WiMAX (от англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) разработана с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств. Данная технология определена стандартом IEEE 802.16 и представляет собой технологию беспроводного широкополосного доступа, рассчитанную на внедрение в городских распределенных (региональных) беспроводных сетях (WirelessMAN). Стандарт является альтернативой кабельным сетям, создавая конкуренцию стандартам связи третьего поколения и выступая в качестве возможной транспортной сети для Wi-Fi точек.
Стандарт IEEE 802.16 описывает принципы построения сетей регионального масштаба в частотном диапазоне 2 - 11 ГГц, для которого не требуется наличие прямой видимости между приемником и передатчиком. Точнее, он описывает радиоинтерфейс, основанный на общем протоколе доступа к каналу (MAC), с которым могут использоваться различные спецификации физического уровня (PHY), определяемые в зависимости от диапазона частот и организационных (законода-
тельных) ограничений, установленных, в частности, законодательством России.
Стандарт IEEE 802.16 определяет три различных физических уровня, которые могут использоваться вместе с уровнем MAC для обеспечения надежной непрерывной связи:
1) уровень одной несущей;
2) схема быстрого преобразования Фурье (БПФ, FFT) с 256 точками OFDM;
3) схема БПФ с 2048 точками OFDMA.
Режим работы на одной несущей позволяет
работать как в условиях прямой видимости, так и вне нее. Основным преимуществом WiMAX является возможность работы с сигналом на основе технологии OFDM (от англ. Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ортогонального частотного мультиплексирования) с 256 поднесущими и режимом OFDMA (от англ. Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - технологией многостанционного доступа с ортогональным частотным разделением каналов с 2048 поднесущими одновременно и несколькими абонентами в режиме OFDM. Таким образом, при стандартном числе поднесущих 256 обеспечивается одновременная работа восьми абонентов. В стандарте использует-
ся модуляция типов QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Поддерживается скорость передачи информации 1 - 75 Мбит/с на сектор одной базовой станции на расстояние 6 - 9 км в радиоканалах с изменяемой полосой пропускания от 1,5 до 20 МГц.
К числу главных особенностей WiMAX, которые необходимо учитывать при имитационном моделировании, можно отнести следующее:
• использование схемы модуляции OFDM, которая позволяет передавать разнообразные сигналы с помощью различных поднесущих одновременно;
• адаптивный механизм модуляции и кодирования, в зависимости от состояния канала и интерференционных замираний, для наиболее эффективного использования пропускной способности;
• частотное (FDD) и временное (TDD) мультиплексирование для адаптации системы к требованиям в различных странах;
• прямое исправление ошибок, используемое для обнаружения и устранения ошибок, а также повышения пропускной способности, осуществляемое с помощью кода Рида-Соломона (RS);
• возможность изменения пропускных способностей канала (от 1,25 до 20 МГц), которая обеспечивает необходимую гибкость для работы в различных полосах частот;
• механизм динамического частотного выбора (DFS) с целью минимизирования интерференции.
Цель статьи - разработка имитационной модели системы WiMAX IEEE 802.16, реализующей указанные функции в среде MATLAB Simulink.
Структура имитационного комплекса
Систему WiMAX условно можно представить в виде трех основных узлов: передатчика, приемника и канала (рис.1). Рассмотрим каждый из них подробно.
Рис. 1. Общая схема системы 'ШМАХ
Передатчик. Здесь генерируется сигнал, который будет послан по каналу связи. Прежде чем послать сигнал, его разбивают на пакеты и адаптируют к условиям канала, используя определенную схему модуляции и кодирования. Схема передатчика представлена на рис. 2.
Блок АМС-модуляции [3] содержит один входной и два выходных порта. Назначение перво-
го входного порта - передача модулированного и кодированного сигнала, подготовленного к пересылке в канал связи. Через второй выходной порт подается первоначально сформированный пакет данных, который требуется для сравнения с пакетом на приемной стороне и подсчета коэффициента ошибочно принятых битов информации, появившихся вследствие канальных помех. Подробная схема AMC представлена на рис. 3. Рассмотрим процессы, происходящие в этом блоке.
В качестве источника сигнала в модели используется двоичный генератор Бернулли, вырабатывающий случайный двоичный сигнал с вероятностью появления нулевого бита 0,5. Выходной сигнал генератора преобразуется в сетевые пакеты с длиной, определенной режимом AMC.
Согласно стандарту [4] для минимизации передачи немодулированных поднесущих пакетные данные должны быть преобразованы в случайную последовательность с помощью операции рандомизации (Pad). Этот процесс реализуется в блоке «Рандомизация» с помощью сложения по mod 2 шума и информационного сигнала на передающей и на принимающей сторонах.
Для увеличения скорости передачи данных, а также минимизации воздействия среды передачи на передаваемый сигнал необходимо осуществить кодирование, которое реализуется с помощью кодера Рида-Соломона [5] и сверточного кодера, с дальнейшим перемежением битов в блоке «Пере-межение» (рис. 4.).
Способ кодирования зависит от особенностей канала. Схема кодера для обеспечения допустимого уровня помехоустойчивости дополнена схемой «плавающего» коэффициента кодирования, которая является составной частью механизма AMC. Данная схема, исходя из полученных через базовую станцию данных от абонентского терминала, позволяет использовать различные коэффициенты кодирования и размеры блоков. Если передача данных абонентом затруднена, то происходит перевод на более надежный режим AMC, обеспечивающий более высокую эффективность кодирования. Соответствия режимов AMC и коэффициентов кодирования приведены в табл. 1.
Поскольку кодер Рида-Соломона работает с векторами дискретных чисел [6], непосредственно перед кодированием происходит преобразование «бит-число» и в качестве префикса к новой последовательности добавляется 239-k нулей в блоке «Добавление нулей», которые необходимы для соблюдения условия кратности длины входного вектора lk. Затем входной вектор кодируется в блоке
I'iic. 2. Схема передатчика
Переключение на входе
Сравнение
Рис. 3. Схема AMC
J Вход
Bit 1о Integer Converter
Конвертер бит-число
Pad
Добавление нулей
RS Encoder U Y
Кодер Рида-Соломона
Pad
Integer to Bit Converter
.. Конвертер
Укорачивание
Convolutions! Encoder General Block Interleaver
Сеёрточный кодер
-С-
Кодирование
Добавление нулей (нексдированных)
Перемежение
Выход
Рис, 4, Схема кодера
«Кодер Рида-Соломона» в соответствии со схемой (n;k;t), после чего сразу же укорачивается на 239-k кодированных нулей в блоке «Укорачивание» и конвертируется обратно в бинарный вид в блоке «Конвертер число-бит». В процессе кодирования информационный сигнал приобретает префикс, состоящий из первых 2t байт контрольной суммы (CRC). Данный префикс позволит осуществить восстановление t байт информационного сигнала при его искажении.
На следующем этапе в блоке «Сверточный кодер» реализуется процесс сверточного кодирования и «прокалывания». Пакет Simulink позволяет выполнить эти две операции в рамках одного функционального блока. Для работы этого блока используется полиномиальный решетчатый код. Кодирование осуществляется блоками по 7 бит.
Последний функциональный блок «Переме-жение» обеспечивает перемежение кодированных информационных битов, используя 12 уровней чередования, повышая тем самым помехоустойчивость системы к замираниям, воздействующим на последовательные группы битов.
Таким образом, в результате прохождения сигнала через все функциональные блоки подсис-
темы кодера при передаче повышается устойчивость к замираниям. После чего он поступает на вход блока «Модуляция» (см. рис. 3) для дальнейшей подготовки гармонической формы сигнала. Системой поддерживаются модуляции 2-PAM, 4-QAM, 16-QAM и 64-QAM (см. табл.1).
В результате работы блока АМС-модуляции формируется модулированный информационный сигнал. Следующий после него функциональный блок (см. рис. 2) осуществляющий переключение режима передачи между SISO (от англ. Single Input and Single Output) и MIMO (от англ. Multiple Input and Multiple Output), изображен на рис. 5. Передача сигналов в режимах SISO и MIMO различается, но последовательность функциональных блоков, через которые необходимо пройти сигналу, сохраняется вне зависимости от режима.
После кодирования и модуляции информационного сигнала происходит формирование сигнала OFDM. Данную задачу выполняет функциональный блок «Мультиплексор OFDM» (см. рис. 2) путем следующих операций: формирование контрольных символов OFDM, формирование настроечной последовательности, компоновка поднесу-
Таблица 1. Режимы модуляции и кодирования WiMAX
Режим AMC Тип модуляции RS-код Коэффициент кодирования Общий коэффициент кодирования
1 2-PAM (12;12;0) 1/2 1/2
2 4-QAM (32;24;4) 2/3 1/2
3 4-QAM (40;36;2) 5/6 3/4
4 16-QAM (64;48;4) 2/3 1/2
5 16-QAM (80;72;4) 5/6 3/4
6 64-QAM (108;96;6) 3/4 2/3
7 64-QAM (120;108;6) 5/6 3/4
Рис. 5. Схема блока переключения режимов передачи SISO/MIMO
III
■ТЕ 1 П
,5
К
1 а ¡
а
Поднесущие данных
Поднесущие данных
а)
о с Защитный интервал
§
■с Е
Под не сущие данных
о о Защитный интервал ^ ^
— to О-. -J
Поднесущие данных
Рис. 6. Поднесущие данные до (а) и после (б) блока «IFFT сдвиг»
щих сигнала в символьную последовательность и дальнейшая передача по каналу.
После формирования последовательности 256 поднесущих ОРБМ-сигнал поступает на вход устройства обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), т.е. в блок ШРТ. Сигнал на данном этапе преобразуется из частотной области во временную так, что каждый символ последовательности можно рассматривать как набор синусоид разной амплитуды.
Циклический сдвиг поднесущих, осуществляемый с помощью обратного преобразования фурье (1РБТ), позволяет перенести защитный нулевой интервал в середину, а нулевую поднесущую БС - в начало последовательности, согласно требованиям стандарта 802.16-2004. Распределение поднесущих до и после прохождения через этот блок приведено на рис. 6.
Канал передачи. При моделировании беспроводного канала связи необходимо учитывать множество дестабилизирующих факторов среды передачи, таких как наложение белого гауссовского шума, многолучевое распространение, замирание сигнала и интерференцию, вызванные им, и множество других. Именно поэтому модель канала связи содержит большое число различных функциональных блоков, с помощью которых имитируются реальные условия.
Среди главных факторов, определяющих влияние среды передачи, можно выделить аддитивный белый гауссовский шум, замирание сигнала вследствие многолучевого распространения и межсимвольную интерференцию.
Передача SISO основана на реализации двух функциональных блоков: канала рэлеевских замираний (RFC) и аддитивного белого гауссовского шума (AWGN) (рис. 7).
Функциональный блок «Канал рэлеевских замираний», являясь стандартным блоком библиотеки пакета Matlab Simulink, выполняет поэлементное наложение на входной сигнал псевдослучайной комплексной составляющей, распределенной по закону Рэлея с учетом эффекта Допплера. Генерация псевдослучайной последовательности происходит с помощью метода Зиггурата, используемого в большинстве случаев функциями Matlab. Схема рэ-леевских замираний наиболее распространена для моделирования многолучевого распространения сигнала в среде беспроводной передачи данных, а также влияния, оказываемого на сигнал в случае отсутствия прямой видимости между передающей и принимающей сторонами или при плотной городской застройке [7].
Функциональным блоком AWGN в модели представлено наложение белого гауссовского шума. Как и блок RFC, блок AWGN является стандартным блоком библиотеки программного пакета Matlab Simulink и выполняет генерацию псевдо-
Рис. 7. Схема имитатора канала передачи SISO
Рис. 8. Схема имитатора канала передачи MIMO
случайного шумового сигнала, характеризующегося гауссовским распределением в частотно-временной области, и последующее сложение уровней сигнала и шума. Данный функциональный блок имеет большое значение для имитационного моделирования, так как формируемые им случайные последовательности ведут к значительному изменению качества канала связи.
Передача MIMO [9] — это технология передачи данных с помощью нескольких передающих и принимающих антенн, которые разнесены так, что между соседними антеннами достигается слабая корреляция (рис. 8).
Использование систем MIMO оправдано в случае необходимости повышения качества передачи данных (т.е. увеличения пропускной способности и помехоустойчивости), но при жестких ограничениях на производительные мощности и частотные диапазоны, обусловленных экологическими или биологическими нормами электромагнитной совместимости.
Функциональный блок «Канал рэлеевских замираний» для MIMO имеет ряд самостоятельных параметров, определяющих многолучевость распространения сигналов, пришедших различными
путями и отразившихся разное число раз. Каждый из этих путей характеризуется своей временной задержкой и мощностью сигнала на приеме, значения которых задаются параметрами «вектор задержек» (Delay vector) и «вектор приращений» (Gain vector). В случае нормализации сигналов на принимающей стороне предусмотрен параметр «нормализация» (Normalize gain vector to 0 dB overall gain), значение которого определяет, будут ли иметь эффект канальные приращения. Число 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-й передающей и j-й принимающей антеннами описывается комплексными коэффициентами hj, которые в совокупности формируют общеканальную матрицу H. В общем случае отношение переданного и принятого сигналов записывается следующим образом:
S^T = H Srx + Z, (1)
где S^ - матрица принятого сигнала; H - канальная матрица; Srx - матрица передаваемого сигнала; Z - матрица собственных шумов приемных элементов антенны.
Среди алгоритмов обработки сигналов на принимающей стороне можно выделить алгоритмы, основанные на следующих методах: максимального правдоподобия, минимальных среднеквадратичных отклонений, а также на методе обнуления.
Для моделирования системы MIMO был выбран наиболее простой и распространенный алгоритм блочного пространственно-временного кодирования по схеме Аламоути. Упрощенно принцип блочного кодирования заключается в разбиении потока данных на блоки и их передачи в различных временных интервалах. Декодирование происходит по схеме максимального правдоподобия. Таким образом, соблюдается принцип многократной посылки данных. В результате происходит повышение помехоустойчивости системы MIMO. Однако энергетического выигрыша подобные блочные коды не дают.
Главное отличие схемы передатчика Аламоути от схемы мультиплексора OFDM состоит в том, что мультиплексируются одновременно два символа OFDM, и необходимо генерировать иные настроечные и контрольные последовательности (рис. 9).
В данной системе настроечные последовательности делятся 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 его неоднократной посылки. Каждый канал системы MIMO используется с одними канальными коэффициентами дважды, причем первый раз передаются символы x1 с первой антенны и x2 - со второй, при повторном использовании посылаются символы x2* и x1* соответственно, где операция * означает комплексное сопряжение символьного вектора.
При передаче также меняется контрольный символ. Пусть контрольный символ для поднесу-щей s после его 2-PAM модуляции есть ps, а информационные символы, поступившие в блок STC, это символы к и к+1. Тогда, согласно стандарту, во время передачи информационного символа к контрольный символ на обеих передающих антеннах будет ps, а во время передачи информационного символа к+1 контрольный символ будет -ps на первой антенне и ps на второй.
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 в обратном режиме все функции передатчика, т.е. демультиплексирование и усиление сигнала, деком-поновку поднесущих OFDM, демодуляцию и декодирование данных. Также на принимающей стороне предпринимаются меры по устранению искажений принятого сигнала, вызванных влиянием среды передачи. Кроме того, именно на принимающей стороне осуществляется оценка качества передачи сигнала в канале и подстройка передатчика под возникшие условия с помощью использования обратной связи. На рис. 10 приведена общая схема принимающего устройства.
В приемнике происходят последовательно следующие операции: вначале из сигнала выделяется и удаляется циклический префикс, затем сигнал проходит блоки быстрого преобразования Фурье (FFT) и циклического сдвига, что позволяет демодулиро-вать поднесущие. Далее происходит декомпоновка поднесущих, при которой из сигнала удаляются защитные нулевые интервалы. После прохождения через эквалайзер символы передаются на демульти-плексор OFDM. Блок AMC-демодуляция принимает сигнал, демодулирует и декодирует его.
Циклический префикс служит для увеличения длительности символа, что влечет за собой более высокую стойкость к межсимвольной интерференции ISI (от англ. Inter-Symbol Interference ). После передачи через радиоканал данный префикс является избыточной информацией и его необходимо удалить. Длина префикса, заданная в настройках программы, заранее известна, поэтому его удаление происходит при помощи функционального блока выборки.
Алгоритмы FFT и IFFT являются парой взаимообратных преобразований, поэтому для преобразования сигнала обратно в частотную область необходимо подвергнуть его быстрому преобразованию Фурье. По этой причине функциональный блок FFT использует те же параметры, что и устройство IFFT.
После преобразования сигнала и восстановления распределения поднесущих каждая из них c помощью настроечной последовательности подвергается разложению в информационные символы. Настроечная последовательность нужна не только для синхронизации передачи и приема сигнала, но и для оценки коэффициентов канального затухания. Для компенсации мощности сигнала используется функциональная подсистема эквалайзера.
Эквалайзер осуществляет сравнение принятой настроечной последовательности с преамбулой, сге-
Рис. 9, Схема передатчика Аламоути
1РРТ и добавление циклического префикса 2
I в О тз
г >
г. ^
0
1 I
сг т
т; О
г з
т
т; О сг
о ^
о ч т
г сг
нерированной тем же образом, что и в подсистеме мультиплексора OFDM. На основе приближенной оценки флуктуации сигнала настроечной последовательности генерируется вектор приращений, который впоследствии накладывается на принятые данные. Оценка значения приращения выполняется методом наименьших квадратов с использованием среднеквадратического отклонения значений последовательности от ожидаемых.
Подобное устройство применяется и для оценки канальных коэффициентов в системе передачи MIMO, где на приемник одновременно поступает несколько различных настроечных последовательностей, соответствующих разным передающим антеннам. Соответственно подсчитывает-ся не одно значение канального коэффициента, а полная канальная матрица H.
С выхода эквалайзера сигнал поступает на демультиплексор OFDM, осуществляющий обратное преобразование символов OFDM [10]. Де-мультиплексор OFDM представляет собой устройство декомпоновки поднесущих сигнала. Главная функция демультиплексора состоит в разделении информационного сигнала и контрольной последовательности.
Важно помнить, что при использовании системы MIMO с разных антенн передается несколько OFDM-символов в течение одного интервала времени. Поэтому для анализа и обработки принятых символов OFDM необходимо использовать трехмерную матрицу для указания номера антенны, с которой принят символ. Но так как программный пакет Matlab Simulink не поддерживает работу с трехмерными структурами, необходимо сначала разделить каждый символ на три части, а затем демультиплексировать каждую из них отдельно друг от друга.
Данные, полученные в результате демодуляции, декодируются. С этой целью восстанавливается исходная последовательность битов в соответствии с указанным методом кодирования. Для этого вначале устраняются последствия процесса перемежения.
Для декодирования используется «декодер Витерби» [11], реализующий алгоритм сверточного декодирования Витерби, который основан на принципе максимального правдоподобия. Его преимущество по сравнению с декодированием по методу полного перебора заключается в том, что работа декодера Витерби не зависит от количества символов в кодовой последовательности. Необходимо учитывать задержку декодирования. Для ограниче-
ния величины указанной задержки применяется параметр глубины отслеживания (traceback depth).
Декодер Рида-Соломона является последним звеном декодирования. Как и в случае с устройством кодирования, декодер Рида-Соломона работает с числовыми векторами строго определенной длины. Для этого на входе декодера устанавливается конвертер бит-число и добавляется необходимое число нулей для поддержания единой длины входного вектора. На выходе, соответственно, устанавливается конвертер число-бит и осуществляется выборка элементов вектора, что необходимо для поддержания целостности информационной последовательности.
Декодер последовательно выполняет следующие действия:
• вычисление синдрома ошибки (делит кодовое слово на порождающий многочлен; возникновение остатка означает, что в слове есть ошибка; остаток и есть синдром ошибки);
• строит полином ошибки;
• находит корни данного полинома (в полином ошибок последовательно подставляются все возможные значения; при обращении полинома в ноль корни найдены);
• определяет характер ошибки;
• исправляет ошибки (на кодовое слово накладывается двоичная маска, определяемая характером ошибки; искаженные символы восстанавливаются).
Главное достоинство применения декодера Рида-Соломона заключается в возможности исправления как единичной, так и множественной ошибки.
В заключение выполняется сложение псевдослучайной последовательности и битового представления данных по mod 2, аналогично процессу в подсистеме передатчика. Источник псевдослучайной последовательности идентичен в обоих случаях применения. В итоге всех выполненных действий на выходе подсистемы получают исходный двоичный сигнал.
В модели присутствуют расчетные модули, которые отображают информацию о таких показателях системы передачи, как число переданных бит, число ошибочно принятых бит и коэффициент битовых ошибок BER.
Подсистема имитации задержки принимаемого сигнала (блок «Задержка» на рис. 11) выполняет функцию реализации задержки эталонного сигнала, поступающего с передающего устройства, на время, равное двум периодам передачи информационного
Данные Режим
Раамр уро i н я си гналое Сигнал
-¿fmodell
SISO! MIMO на принимающей стороне
АМС-де модупяци я
MIMO
Сигнал
SISO
Сигнал Символы
НП
Символы
Данные
НП
Данные
Вход
FFT
Y U
и s
Я>
■о
О
ч
(D X X 3
5
я>
3 5 X
-е-
о
"О
3 а с
3
о
X X
г
я>
Демультиплекеор Эквалайзер Переключение FFT ^иг OFDM на выходе канала
Удаление циклического префикса
i в О
тз >
Г. s
0
1 i СГ m т; О
m
т; О сг
о
S
о ч m
сг
Рис. 10. Схема приемника сигнала (НГi - настроечная последовательность)
1'ис. 11. Схема расчетной подсистемы
4
05
Ю О
пакета данных при использовании схемы MIMO и равное нулю при использовании схемы SISO.
Задержка передачи в два периода обусловлена буферизацией пакетов, возникающей в блоке «Передатчик Аламоути».
Блок расчета вероятности битовой ошибки «BER» является стандартным блоком библиотеки модулей программного пакета Matlab Simulink. Алгоритм его работы состоит в поиске контрольной суммы по mod 2 между сигналами на входе, являющейся синдромом ошибки принятого сигнала, и накапливании данных анализа во временной памяти. На выход блока подается три расчетных значения, упомянутых ранее.
«Количество ошибочных бит» и «Количество принятых бит» позволяют зафиксировать значения, снятые с блока расчета коэффициента BER, в рабочую область программного пакета Matlab, а также вывести данные значения в графическом формате для отображения протекания процесса передачи данных в реальном времени.
Представлено описание разработанной в среде MATLAB Simulink программы для имитационного моделирования системы широкополосного доступа WiMAX, а также основных функциональных блоков системы. Показано, что гибкая система настроек параметров модели дает возможность изучения и анализа помехоустойчивости системы передачи данных как в регламентированных стандартом 802.16 статичных режимах работы, так и с применением технологии «адаптивной модуляции и кодирования (AMC)» и многоантенной передачи (MIMO) при различных внешних воздействиях на этапе передачи сигнала через радиоканал.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lacosta, J. P., WiMAX: una alternativa d'acces a les xarxes / Master Thesis, Universitat Oberta de Catalunya. Enginyeria Informatica. June 2004.
2. WiMAX Forum: Mobile WiMAX. Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation August 2006. http://www.intel.com/netcomms/technologies/wimax (дата обращения 01.12.09).
3. Goldsmith, A. J., Chua, S. G, Adaptive Coded Modulation for Fading Channels // IEEE Transactions on Communications. 1998. V. 46. No. 5, P. 595-602. May. http://wsl.Stanford.edu/ ee359/adapt_cod.pdf (дата обращения 01.12.09).
4. 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. October 2004.
5. Michelson, A. M., Levesque, A. H, Error Control Techniques for Digital Communications, Wiley-Interscience Publications. 1985.
6. Wicker, S. В., Error Control Systems for Digital Communication and Storage, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Prentice Hall. 1995.
7. McEliece, R. J., Stark, W. E., Channels with block interference // IEEE Transactions on Information Theory. 2000. V. 46. No. 2. P. 325-343. March.
8. Jakes, W. C., Microwave Mobile Communications // IEEE Press. 1994.
9. Schumacher, L., Kermoal, J. P., Pedersen, К. I., Mogensen, P. E., Frederiksen, F., A Stochastic MIMO Radio Channel Model with Experimental Validation // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2002. V. 20. No. 6. P. 1211-1226. August.
10. Kim, K. S,. et al., General Log-Likelihood Ratio Expression and its Implementation Algorithm for Gray-Coded QAM Signals // ETRI Journal. 2006. V. 28. No. 3. P. 291-300. June. http://etrij.etri.re.Kr/Cyber/servlet/BrowseAbstract?paperid= RP0508-161 (дата обращения 01.12.09).
11. The Matlab help: Communications Blocks et, http://www.mathworks.com (дата обращения 15.03.10).
Поступила 21.04.2010 г.
УДК 681.3.07
Влияние пространственно-временных характеристик потокового видео на качество передачи по беспроводным телекоммуникационным сетям
Олег Иванович Шелухин, д.т.н., проф., e-mail: sheluhin@.mail.ru,
Российский государственный университет туризма и сервиса (РГУТиС), Москва
Юрий Алексеевич Иванов, аспирант, e-mail: yurasic@bk.ru
Чувашский государственный университет, г.Чебоксары
Алексей Викторович Понкин, аспирант, e-mail: ponkinaleksey@qip.ru
РГУТиС, Москва
Представлены результаты имитационного моделирования передачи потокового видео по беспроводным сетям связи с учетом пространственно-временных характеристик различных сюжетных групп; показано, что особенности различных типов сюжетные группы по-разному влияют на воспринимаемое качество при передаче по сетям; рассмотрена зависимость качества декодирования видеопоследовательностей от числа битовых ошибок.
The authors discuss the results of simulation for video streaming in wireless communication networks, taking into account spatial and temporal characteristics of plot groups. The typological characteristics of the groups affect the perceived quality differently when transmitting over networks. The authors examine the dependence of decoding quality of video sequences on the number of bit errors.
Ключевые слова: потоковое видео, кодеры, декодеры, качество видео, видеотрассы, имитационное моделирование, пространственно-временные характеристики, сюжетные группы.
Keywords: streaming video, encoders, decoders, video quality, video path, simulation, spatial-temporal characteristics, plot group.
Постановка задачи
Растущая популярность передачи мультимедийных приложений привела к необходимости оптимизации распределения полосы пропускания телекоммуникационных сетей. В определенной степени качество воспроизведения видео зависит от типа сюжета этих приложений. Например, при просмотре таких высокодинамичных видеороликов, как спортивные игры или кинофильмы, необходимо обеспечивать более высокое качество, чем при просмотре статических сюжетов - новостей или видеоконференций, где более важно содержание. Современные телекоммуникационные сети должны уметь поддерживать различные приложения с разным уровнем ОоБ [1]. Требования ОоБ, как правило, определяются параметрами сетевого и прикладного уровней [2]. На прикладном уровне ОоБ зависит от разрешения, битрейта, скорости кадров, типа видео - и аудиокодека и т.д., а на сетевом уровне - от таких искажений, как задержка, джиттер, потеря пакета и т.д.
Как правило, передача данных по проводным сетям, в которых полоса пропускания не ограничена, характеризуется очень низкой вероятностью появления ошибочных битов. Однако вследствие непредсказуемости условий передачи при трансляции приложений в реальном времени передача
данных по беспроводному каналу имеет ряд особенностей [3, 4, 5]. Беспроводные каналы связи характеризуются случайно распределенными и независимыми битовыми ошибками. В связи с этим при имитации беспроводного канала часто применяют модель «белого шума», при которой определенный бит в последовательности искажается (инвертируется) с заданной вероятностью. В [6, 7, 8] показано влияние битовой ошибки при передаче на качество видео.
Однако в известных источниках практически не рассматривается зависимость качества видео от типа сюжета, с учетом параметров сетевого и прикладного уровней сети. В связи с этим целью данной статьи является определение двух следующих величин:
1) минимального значения битрейта для всех типов сюжета при передаче по телекоммуникационным сетям для приемлемого QoS при пиковом отношении сигнал/шум PSNR > 27 дБ, которое соответствует субъективной оценке качества MOS > 3 [14];
2) порогового (с точки зрения качества) числа ошибочных битов для всех типов сюжета, при котором воспринимаемое пользователями изображение остается приемлемым.
Для решения этих двух вопросов видеоролики были объединены в группы по признаку пространственной и временной избыточности [13].
