-
Tehnologije za irokopojasni nepokretni radijski pristup
Mario Cvitkovi Zavod za radiokomunikacije, Fakultet
elektrotehnike i raunarstva, Sveuilite u Zagrebu
E-mail: [email protected]
Saetak - Posljednjih godina fiksni, a zatim i mobilni
irokopojasni pristup Internetu postao je stvarnost, a znanstvena
istraivanja i posljedino, praktina izvedba sustava, jedno je od
najaktivnih podruja elektrotehnike i informacijske tehnologije.
Napretci u zadnja dva desetljea na ovim podrujima drastino su
promijenila nain dijeljenja informacija, poslovanja i zabave. WiMAX
je jedan od sustava koji je produkt tih napredaka i na kojem se jo
znaajno radi kako bih se poveala brzina prijenosa podataka. Kljune
rijei - OFDM, WiMAX, modeliranje radijskog kanala 1. UVOD Fiksni
irokopojasni pristup ve je dugo mogu upotrebom DSL tehnologija
(putem bakrenih parica) i kabelskih modema (putem koaksijalne mree
kabelskih televizija), a ve neko vrijeme prisutne mobilne
komunikacije tree generacije omoguuju zadovoljavajue brzine
pristupa Internetu i mobilnim korisnicima. Sljedei korak, u tzv.
etvrtoj generaciji radijskih komunikacija jest konvergencija audio
i video komunikacije, multimedije, televizije visoke kvalitete i
internetskih usluga sve bazirano na IP setu protokola, uz jo vee
brzine prijenosa, sigurnost i razinu pokrivenosti signalom. Uz to,
za krajnjeg korisnika najvaniji cilj je koritenje navedenih usluga
u bilo koje vrijeme i na bilo kojem mjestu. WiMAX tehnologija esto
se naziva premosnicom izmeu tree i etvrte generacije. Omoguava
fiksni radijski pristup kao alternativu DSL-u, te u novijoj
inkarnaciji norme i nomadski i mobilni radijskih pristup. Meutim,
rad s nepredvidivim radijskim kanalima pri velikim brzinama
prijenosa nije jednostavan. Ideja odailjanja podataka na vie
nosilaca tek se odnedavno koristi za rjeavanje problema prijenosa
podataka velikim brzinama u loima radijskim uvjetima. 2. WiMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
komercijalni je naziv za tehnologije bazirane na IEEE 802.16 grupi
normi. IEEE je formirao navedenu grupu poradi razvoja norme za mree
gradskog podruja. Norma je finalizirana 2001. te je nakon nekoliko
revizija nastala norma 802.16-2004 koja je osnova fiksnog
WiMAX-a[1]. Sama norma nudi itav spektar razliitih mogunosti
dizajna: vie razliitih radijskih suelja, MAC arhitekture, naina
dupleksiranja, frekvencijskog podruja itd[2].
2.1. Karakteristike WiMAX-a Radijsko suelje bazirano na OFDM-u
Frekvencijski multipleks ortogonalnih podnosilaca (OFDM, Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) je nain multipleksiranja
jednostavnih modulacija s jednim nosiocem kojim se postie dobra
otpornost signala na efekte viestaznog irenja. Visoke vrne brzine
prijenosa Uz kanal irine pojasa 20 MHz, vrne brzine prijenosa mogu
biti i do 74 Mbit/s. Tipino, kod fiksnog WiMAX-a, s 3.5 MHz irinom
pojasa kanala, uz dobre uvjete u radio kanalu i 16 QAM modulaciju s
omjerom koda 3/4, vrna brzina prijenosa je oko 8,5 Mbit/s.
Adaptivna modulacija i kodiranje WiMAX podrava razliite modulacije
i postupke kodiranja te mijenjanje istih na razini korisnika i
okvira podataka, ovisno o uvjetima u radio kanalu. Adaptivna
modulacija i kodiranje(AMC, Adaptive Modulation and Coding) je
uinkovit nain za maksimiziranje brzine prijenosa u vremenski
promjenjivom kanalu. Ponovno slanje podataka link sloju Podrani su
zahtjevi za automatskim ponovnim slanjem podataka (ARQ, automatic
retransmission requests) veze u kojima je ta opcija omoguena
zahtijevaju od prijamnika potvrdu primitka svakog odaslanog paketa.
Paketi za koje odailja ne dobije potvrdu smatraju se izgubljenima i
ponovno se alju. Izborno, podran je i hibridni ARQ, to je uinkovit
hibrid unaprijednog ispravljanja pogreaka i ARQ-a. Podrka za
napredne konfiguracije antena i MIMO Radijsko suelje WiMAX normi
dizajnirano je za mogunosti koritenja naprednih metoda rada sa vie
antena, poput prostornog multipleksiranja, diverzitija i formiranja
dijagrama usmjerenosti tako
-
da se antene usmjeruju samo prema aktivnom korisniku. Navedenim
metodama mogu se znatno poboljati kapacitet i spektralna
uinkovitost sustava. Podrka za kontrolu kvalitete usluga (QoS) MAC
suelje WiMAX-a dizajnirano je za podrku razliitih usluga, ukljuujui
glasovne i multimedijalne usluge. Osigurana je podrka za tokove
podataka konstantne brzine prijenosa, varijabilne brzine prijenosa
i prijenosa u realnom vremenu. WiMAX podrava velik broj korisnika
sa viestrukim brojem veza, od kojih svaka ima vlastite zahtjeve na
kvalitetu usluge. Robusna sigurnosna zatita Podrana je enkripcija
podataka, upotrebom AES enkripcije (Advanced Encryption Standard)
te protokoli za privatnost i upravljanje kljuevima. Takoer je
podrana i fleksibilna arhitektura za autentifikaciju korisnika(EAP,
Extensible Authentication Protocol). Arhitektura bazirana na IP
setu protokola Sve usluge u WiMAX mrei koriste se IP arhitekturom,
ime se osigurava jednostavna konvergencija s drugim mreama i
iskoritavanje postojeeg bogatog sustava za razvoj aplikacija
baziranih na IP-u. 3. RADIJSKO SUELJE WiMAX koristi OFDM, vrstu
multipleksiranja po frekvenciji (FDM, Frequency Division
Multiplexing) kod kojeg su podnosioci meusobno ortogonalni. OFDM
omoguava veliku brzinu prijenosa podataka zadravajui pri tome
razumnu sloenost i tonost prenesenih podataka[4]. 3.1. OFDM Kod
prijenosa podataka velikim brzinama propadi u kanalu predstavljaju
velik problem za prijenos te je esto nemogue obnoviti podatke uz
pomo jednostavnog prijamnika. To onda zahtijeva koritenje veoma
sloenih prijamnika koji se koriste sloenim raunskim postupcima u
svrhu procijene prijenosnog kanala (ujednaavanje), da bi onda uz
pomo procjene obnovili informacije. OFDM moe znaajno
pojednostavniti problem ujednaavanja pretvarajui frekvencijski
selektivni kanal u ravni kanal. Kod OFDM-a se umjesto jednog
koristiti vie nosilaca istodobno. Serijski slijed podataka velike
brzine razdijeli se na vie paralelnih sljedova (slika 1.). Svaki od
paralelnih sljedova manje je brzine i on zasebno modulira jedan od
vie nosilaca.
Slika 1. Ideja koritenja vie nosioca umjesto
jednoga Nastali modulirani signali zauzimaju manje irine pojasa.
Svaki od nastalih moduliranih signala smjeta se u zasebni pojas.
Podaci se prenose paralelno uz pomo vie nosilaca. Zbog relativno
male irine pojasa svakog od vie moduliranih signala male su
promjene frekvencijske prijenosne karakteristike komunikacijskog
kanala unutar pojasa svakoga moduliranog signala. Zato su
zanemarive nastale smetnje meu simbolima. Podnosioci u OFDM-kanalu
su ortogonalni, jer se na frekvencijskoj osi nalaze na razmaku
1/T0. Svaki od podnosilaca dolazi u nultu toku spektra ostalih
moduliranih pod-nosilaca te zbog toga nema smetnji meu nosiocima u
pojedinim potkanalima (ICI, Inter-Carrier Interference). Za
prijenos podataka u potkanalima najee se koriste modulacijski
postupci PSK ili QAM zbog svojih linearnih osobina koje osiguravaju
visoku spektralnu uinkovitost. Jedan OFDM-simbol sastoji se od
simbola moduliranih signala u svim potkanalima[3]. OFDM tretira
polazne QPSK ili QAM-simbole kao komponente u frekvencijskom
podruju. Oni su ulazni parametri za postupak inverzne brze
Fourierove transformacije (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform)
koji veliine u podruju frekvencija preslikava u veliine u
vremenskom podruju. Svaki od tih ulaznih simbola predstavlja
kompleksnu teinu odgovarajuega sinusnog signala iz skupine
ortogonalnih sinusnih signala koji su osnova IFFT-a. Kompleksni
QPSK ili QAM-simbol dakle odreuje amplitudu i fazu odgovarajuega
sinusnog podnosioca odnosno IFFT predstavlja uinkoviti nain za
moduliranje skupine ortogonalnih podnosilaca. Blok od N uzoraka na
izlazu IFFT jedinice predstavlja OFDM-simbol. Zbog osobina
IFFT-postupka zahtjeva se da broj ulaznih podataka u IFFT-algoritam
bude neka potencija od broja 2 [6]. Profili fiksnog WiMAX-a koriste
256 podnosica od kojih se 200 koristi za prijenos podataka. Osam
podnosioca se koriste kao pilot podnosioci koji slue za procjenu
kanala. Ostali podnosioci su jednaki nuli te slue kao zatitni pojas
na rubovima spektra. 3.2. Modulacija Podatkovni bitovi nakon
kodiranja dolaze na modulator koji bitove preslikava u pripadne
konstelacije prikazane slikom 2.
-
21/c=
101/c=
421/c=
Slika 2. Konstelacijski dijagram BPSK, 16-QAM i 64-QAM
modulacija
Konstelacije se normiraju faktorom c kako bi se postigle jednake
srednje snage. Za svaku modulaciju, b0 oznaava bit najmanje vanosti
(LSB). Preslikani podaci moduliraju se na sve dodijeljene
podatkovne podnosioce rastuim redom po pomacima frekvencije. Pilot
podnosioci dodaju se u svaki podatkovni vremenski odsjeak i
moduliraju se prema njihovoj frekvencijskoj lokaciji unutar OFDM
simbola. Modulacija koja se pritom koristi je diskretna modulacija
faze s dva diskretna stanja [5]. 3.3. Kanalno kodiranje Kanalno
kodiranje ukljuuje ifriranje, unaprijedno ispravljanje pogreaka
(FEC, forward error correction) i ispreplitanje. Prilikom
odailjanja, navedeni postupci se primjenjuju spomenutim redom, a
kod prijama inverznim redom[7]. ifriranje Svrha ifriranja je
izbjegavanje dugih nizova logikih nula ili jedinica u podatkovnoj
sekvenci, te pruanje najnie razine enkripcije. Provodi se nad
svakim vremenskim odsjekom (burstom) podataka u silaznoj i uzlaznoj
vezi. Za svaki blok podataka ifriranje se provodi nezavisno.
Veliina bloka podataka u vremenskom odsjeku odgovara veliini
nekodiranog bloka tj. koliini podataka koja e biti odaslana u
jednom OFDM simbolu. Ukoliko koliina podataka u bloku ne odgovara
propisanoj veliini nekodiranog bloka, blok se nadopunjava bajtom
podataka koji sadri samo logike 1 Unaprijedno ispravljanje pogreaka
(FEC) FEC se sastoji od ulananog vanjskog Reed-Solomon kodiranja te
unutarnjeg konvolucijskog kodiranja s kompatibilnim omjerom koda.
RS kodiranjem ispravljaju se blokovske pogreke, dok
se konvolucijskim kodiranjem ispravljaju sluajne pogreke.
Izborno, podrani su i blokovski turbo kodovi (BTC) te konvolucijski
turbo kodovi (CTC). Ispreplitanje Kodirani podatkovni bitovi dovode
se na sklop za blokovsko ispreplitanje, a veliina bloka odgovara
broju kodiranih bitova. Sklop je definiran s dvije permutacije.
Prva osigurava preslikavanje susjednih kodiranih bitova na razliite
podnosioce, dok druga osigurava preslikavanje susjednih kodiranih
bitova na manje ili vie znaajne bitove u QAM konstelaciji. Na taj
nain se izbjegavaju dugi nizovi nepouzdanih bitova. 4. RADIO KANAL
Vrlo vaan faktor u analizi radijskih sustava jest i prikladan opis
efekata radio kanala na prijenosni signal. Radio kanal
karakteriziran je: priguenjem staze sjenjenjem kanjenjem viestaznih
komponenti karakteristikama fedinga Dopplerovim pomakom
istokanalnim i smetnjama susjednih kanala Navedeni parametri ovise
o konfiguraciji terena, gustoi drvea, visini antena i njihovoj
usmjerenosti, brzini vjetra i godinjem dobu. Ujedno, ti navedeni
parametri su stohastiki i mogue je samo njihovo statistiko
karakteriziranje. Uobiajeno je navesti njihovu srednju vrijednost i
varijancu. Razmatranje priguenja staze zapoet e se priguenjem
slobodnog prostora, koje se opisuje poznatom Friisovom
formulom:
(1)
-
Energija elektromagnetskog vala prenosi se sfernim frontama
vala, te je energija primljena antenom na udaljenosti d obrnuto
proporcionalna povrini sfere. propagacijsko okruenje nije slobodan
prostor, ve ovisi o raznim faktorima konfiguracije terena. Koristei
ak i jednostavne deterministike modele poput modela dvije zrake
[10], nastaju velike razlike u odnosu na Friisovu formulu:
eksponent propagacije (na relativno velikim udaljenostima) je
jednak 4, a visine antena odailjaa i prijamnika takoer imaju
utjecaj na priguenje snage. Deterministiki modeli, ukljuujui i
spomenuti model dvije zrake, postaju prilino komplicirani, ako su
precizniji u opisivanju kanala. Zbog toga se uglavnom koriste
empirijski modeli, koji su nastali na osnovu mjerenja u odreenoj
okolini. Oni se kombiniraju s deterministikim modelima u svrhu
poveanja tonosti i manje ovisnosti o odreenoj okolini. Na ukupnu
snagu na prijemu utjeu i drugi faktori: zgrade ili drvee koje se
nalazi na putu EM valu uzrokuje privremeno smanjenje snage. Poto je
modeliranje objekata na svim lokacijama u zoni pokrivanja nemogue,
uobiajeno je navedene varijacije modelirati nasuminim efektom
zvanim spori feding ili sjenjenje. Sjenjenje se modelira dodavanjem
sluajne varijable u izraun priguenja staze, ime snaga na prijemu
postaje sluajan proces. Priguenje staze moe se tako smatrati
srednjom vrijednou snage na prijemu, a sjenjenje varijaci-jom
oekivane vrijednosti. Feding je pojava izazvana viestaznim prijemom
signala izazvanim refleksijama ili lokalnim rasprenjem u blizini
prijamnika. Signal pojedinim stazama moe stii do prijamnika u
gotovo istom trenutku ili kroz dui period. Ovisno o vremenima
dolaska, interferencija na prijamniku moe biti konstruktivna ili
destruktivna, no u svakom sluaju, ak i uz vrlo malo pomicanje
odailjaa ili prijamnika (ili promjena u okolini), razlike u
amplitudi primljenog signala mogu biti ogromne. U kontekstu modela
kanala, znai da e se odziv kanala h(t) mijenjati u vremenu, kako se
odailja ili prijamnik gibaju. Rasprenje kanjenja viestaznih
komponenti (delay spread) je vrlo bitno svojstvo radijskog kanala,
koje odreuje trajanje impulsnog odziva kanala. Moe se opisati kao
vrijeme izmeu signala prve i posljednje
nezanemarive staze. Nepovoljne uinke kanjenja pojedinih signala
uklanja se dodavanjem tzv. zatitnog intervala na poetak
OFDM-simbola. Trajanje OFDM simbola se tad poveava za iznos
trajanja zatitnog intervala. Zatitni se interval dobiva ciklikim
proirenjem signala odnosno preslikom zadnjeg dijela OFDM-simbola u
trajanju zatitnog intervala. To se proirenje naziva ciklikim
prefiksom OFDM-simbola. Prema normi veliine zatitnog intervala kod
WiMAX-a iznose T0/32, T0/16, T0/8 i T0/4. Kad je najvee kanjenje
signala manje od veliine zatitnog intervala onda ne nastaju smetnje
pri prijenosu, jer je zadrana ortogonalnost signala u potkanalima
tijekom vremena analiziranja T0 i u uvjetima razliitog kanjenja
signala u pojedinim potkanalima. Dopplerov spektar snage opisuje
statistiku raspodjelu snage kanala u ovisnosti o frekvenciji, za
signal samo jedne odreene frekvencije, uobiajeno normaliziranu kao
f=0. Dopplerov spektar snage posljedica je relativnog kretanja
odailjaa i prijamnika. Prethodno navedeni parametri modeliraju se
statistikim, empirijskim ili kombinacijom statisti-kih i
empirijskih metoda. Statistiki modeli baziraju se najee na
Rayleighovoj raspodjeli u NLOS sluaju (pojedine staze su potpuno
nekorelirane, amplituda i faza su im potpuno sluajne veliine) ili
Riceovoj raspodjeli (postoji jedna direktna staza priblino
konstantne amplitude i faze - LOS staza, a ostatak postojeih staza
jednak je kao u Rayleighovoj raspodjeli). Norma 5. WiMAX MODEL
Model WiMAX-OFDM radijskog suelja izveden je primarno u Mathworks
Matlab i Simulink razvojnim okruenjima te obuhvaa sve obavezne
dijelove WirelessMAN-OFDM radijskog suelja prema IEEE 802.16-2004
normi [11]. Prijenosni kanal modeliran je u vie razliitih izvedbi,
prije svega SUI modelima u dvije razliite izvedbe (Simulink blokom
i S-funkcijom) [4]. Dijagram osnovnih dijelova sustava prikazan je
na slici 3.
-
Prijemnik
Odailja
Unaprijednoispravljanjepogreaka(FEC)
ifriranjeReedSolomon
kodiranjeKonvolucijskokodiranje
IspreplitanjeQAM
modulacija
Serijsko/paralelnapretvorba
IFFTDodavanjeciklikogprefiksa
Generiranjepilotsimbola
FFTUklanjanjeciklikogprefiksa
Procjenakanala
EkvilizacijaParalelno/serijska
pretvorba
QAMdemodulacija
Viterbidekodiranje
ReedSolomondekodiranje
DeifriranjeEkstrakcijapilotai
preambule
Slika 3. WiMAX model
Prijenosni kanal modeliran je u tri faze: priguenje staze i
sjenjenje, SUI model viestaznog kanala te AWGN, tj. dodavanje
bijelog uma. Priguenje staze i sjenjenje mogu se zaobii u
modeliranju, jer njihovo ukljuivanje u model donosi potpuno novi
set varijabli, a interferira s mjerenjem performansi kanala samo uz
utjecaj viestaznog prijama. Priguenje staze ostvareno je Ercegovim
modelom [9]. SUI modeli izvedeni su na dva naina. Prvo nain je
Simulinkovim ugraenim blokom 'Multipath Rician Fading' kojem su kao
parametri Riceove distribucije dani parametri SUI modela. Jedini
parametar koji nije mogue primijeniti jest oblik Dopplerovog
spektra, poto blok podrava samo Jakesov oblik Dopplerovog spektra,
ne i ovaj zadan SUI modelima. Modeli kanala s istim parametrima
izvedeni su i S-funkcijom, koristei Matlab funkcije Riceove
distribucije, koje podravaju zahtijevani oblik Dopplerovog spektra.
6. REZULTATI SIMULACIJA Cilj simulacija je ispitivanje teoretskih
postavki te analiza performansi sustava uz razliite parametre.
Slika 4. Utjecaj modulacije na uestalost pogrenih
bitova
QAM modulacije vieg reda donose veu brzinu prijenosa (jer to je
vei red modulacije, na svaku konstelacijsku toku preslikava se vei
broj bitova), no poveanjem broja konstelacijskih toaka, smanjuje se
njihova udaljenost, ime one postaju osjetljivije na um, zbog ega se
ista uestalost pogreke bita postie uz vei odnos signal/um, to je
vei red modulacije Primjenom aproksimacije SUI modela kanala
ispitan je utjecaj viestaznog prijama na rad sustava. Uestalosti
pogrenih bitova u ovisnosti o odnosu signal/um za est SUI modela
dana je na slici 5. za 16-QAM modulaciju s omjerom koda 3/4
[12].
Slika 5. Ovisnost uestalosti pogrenih bitova o
blokovskom SUI modelu, za 16-QAM 3/4 Rezultati simulacije za
isti tip modulacije i omjer koda, ali za SUI model realiziran S
funkcijom (primjena oblika Dopplerovog spektra) dani su na slici
6.
-
Slika 6. Ovisnost uestalosti pogrenih bitova o
funkcijskom SUI modelu, za 16-QAM 3/4 Usporedbom tih dviju
simulaciju moemo vidjeti da su vrijednosti priblino iste za SUI-1,
SUI-2 i SUI-3 model kanala. Za SUI-4 i SUI-5 uestalosti pogrenih
bitova se razlikuju. Kod blokovske realizacije kanala moemo
oekivati loije rezultate jer je koritena Jakesova distribucija koja
ima vee rasipanje (0,353). Kod realizacije kanala S funkcijom u
opisu SUI kanala koristi rounded distribucija koja ima manje
rasipanje (0,159). Meutim, u simulaciji su dobiveni suprotni
rezultati tj. kod SUI-4 i SUI-5 modela kanala su manje uestalosti
pogreke bitova kod blokovske realizacije. Mogui razlog takvog
rezultata je broj uzoraka koji se koristio u simulaciji. Naime, kod
blokovske realizacije kanala se prenosilo 107 bitova, dok se kod
funkcijske realizacije prenijelo 108 bitova. 7. ZAKLJUAK Ovaj rad
predstavlja pregled tehnologija koje se koriste u sustavima za
irokopojasni radijski pristup na primjeru WiMAX-a. Pritom je dan
naglasak na sve uestaliji nain prijenosa podataka, na frekvencijski
multipleks ortogonalnih podnosilaca. Posebna panja je posveena i
modeliranju kanala, koji predstavlja jako vaan blok u svim
simulacijama. Cilj svih novih tehnologija je poveanje brzine
prijenosa podataka uz to manju uestalost pogrenih bitova. U svrhu
poveanja brzine prijenosa podataka mogla bi se koristiti MIMO
tehnika [8] te dinamiki odabir zatitnog intervala OFDM simbola. To
je ujedno i cilj daljnjeg istraivanja.
REFERENCES [1] The IEEE 802.16 Working Group on Broadband
Wireless Standards, http://wirelessman.org [2] WiMAX Forum,
http://www.wimaxforum.org [3] J. G. Andrews, A. Ghosh, R.
Muhamed,
Fundamentals of WiMAX. Understanding Broadband Wireless
Networking, Prentice-Hall, 2007.
[4] IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part
16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.
[5] A. Goldsmith, Wireless Communications, Cambridge University
Press, 2005.
[6] H. Schulze, C. Luders, Theory and Applications of OFDM and
CDMA, John Wiley and Sons, 2005.
[7] I. S. Pandi et al., Uvod u teoriju informacije i kodiranje,
S. Graan, Ed. Zagreb: Element, 2007.
[8] S. Alamouti, "A simple transmit diversity technique for
wireless communications," IEEE Journal on Selected Areas in
Communication, Vol. 16, No. 8, October 1998, pp. 1451-1458
[9] V. Erceg, K. Hari, M. Smith, D. e. a. Baum, "IEEE
802.16.3c-01/29r4: Channel Models for Fixed Wireless Applications,"
IEEE 802.16 Broadband Wireless Working Group, 2001.
[10] E. Zentner, Antene i radiosustavi, Graphis, Zagreb,
2006.
[11] The MathWorks, http://www.mathworks.com [12] M. urevi,
''Modeliranje WiMAX-OFDM
radisjkog suelja'', diploski rad, 2008.
