Помехоустойчивость систем широкополосной связи WiMAX - Методичка

CID Connection identifier (Идентификатор соединения) CPS Common part sublayer (Общая часть подуровня MAC) CRC Cyclic redundancy check (Контрольная сумма) ISI Inter Symbol Interference, Межсимвольная интерференция MIMO Multiple Input, Multiple Output - несколько входов и несколько выходов (по отношению к каналу) MISOMULTIPLE Input, Single Output) - несколько входов и один выход (по отношению к каналу) NLOS Near Line of Sight (не прямая видимость) OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AccessВысокоскоростные беспроводные сети передачи данных, реализующие технологии WIMAX, основанные на семействе стандартов IEEE 802.16, сегодня привлекают всеобщее внимание. WIMAX позволяет осуществлять доступ в интернет на высоких скоростях, с гораздо большей пропускной способностью и покрытием, чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL-и выделенные линии, а так же локальные сети. Большие надежды в решении этих задач связаны с использованием новой технологии, получившей название MIMO (аббревиатура термина multiple-input, multiple-output, обозначающего применение многочисленных входов и выходов), предлагающей применение двух или большего числа как передающих, так и принимающих антенн. Их удалось использовать, добившись существенного увеличения качества приема и, как следствие, увеличения скорости передачи и улучшения пропускной способности.Форум описывает WIMAX как "основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям и DSL". Данный стандарт описывал организацию широкополосной беспроводной связи с топологией «точка-многоточие» и был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса (Metropolitan Area Network, MAN). Окончательно стандарт 802.16d был принят в июле 2004 года и получил название 802.16-2004, после чего необходимость рассмотрения отдельных стандартов, то есть 802.16d и 802.16a, отпала, поскольку окончательная версия стандарта вобрала в себя и стандарт 802.16d, и 802.16a. В настоящее время на стадии доработки находится стандарт IEEE 802.16е, который рассматривает вопросы роуминга между сетями различных беспроводных стандартов, чтобы пользователь без ущерба для сеанса связи мог переходить из беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 в сети IEEE 802.16 и обратно. 2.Стандарт объединяет в себя технологии уровня оператора связи (для объединения многих подсетей и предоставления им доступа к Интернет), а также технологии "последней мили" (конечного отрезка от точки входа в сеть провайдера до компьютера пользователя), что создает универсальность и, как следствие, повышает надежность системы.Эффект многолучевой интерференции сигналов заключается в том, что в результате многократных отражений сигала от естественных преград один и тот же сигнал может попадать в приемник различными путями (рисунок 1.6). Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на n-каналов сигнал из временного представления в частотное (рисунок 1.8). В случае ортогонального частотного разделения на 256 каналов с мультиплексированием (WIRELESSMAN-OFDM) используется 256 отсчетов IFFT, из которых 192 поднесущие являются информационными, то есть применяются для передачи данных, 8 поднесущих предназначены для измерения характеристик канала связи и используются для передачи пилотных символов (pilot symbols), а остальные 56 поднесущих частот могут применяться для организации защитных интервалов, длительность которых составляет 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32 длительности OFDM-сигнала. Вывод: Основное направление, ортогональное масштабируемое частотное разделение каналов с мультиплексированием, для мобильного доступа, сейчас разработки ведутся в этой области, что, несомненно, в условиях городского распространения сигналов, это большой выигрыш, по соотношению вероятности ошибки на бит и сигнал/шум.

Оглавление

Список рисунков Список сокращений Введение

1. Анализ стандарта IEEE 802.16 WIMAX

1.1 Общие сведения о стандарте IEEE 802.16 WIMAX 1.2 Задачи стандарта 802.16 WIMAX

1.3 Принцип работы IEEE 802.16 WIMAX 1.4 Режимы работы IEEE 802.16 WIMAX

1.5 Особенности физического уровня стандарта IEEE 802.16 WIMAX

1.6 Пространственно-временное кодирование в стандарте IEEE 802.16 WIMAX 1.7 Схема Аламоути

1.7.1 Схема Аламоути с двумя передающими и одной принимающей антеннами

1.7.2 Схема Аламоути с двумя передающими и двумя принимающими антеннами

1.7.3 Схема Аламоути с двумя передающими и тремя принимающими антеннами

1.7.4 Схема Аламоути с двумя передающими и четырьмя принимающими антеннами

1.7.5 Увеличение числа передающих антенн 1.7.6 Модификация схемы Аламоути

2. Моделирование стандарта IEEE 802.16 WIMAX 2.1 Передатчик

2.1.1 Канальное кодирование 2.1.2 Модуляция

2.1.3 Orthogonal Frequency Division Multiplexing 2.1.4 Пространственно-временное кодирование 2.2 Приемник

3. Результаты моделирования

Список рисунков

Рисунок 1.1 Пример доступа к сети WIMAX Рисунок 1.2 Станции и приемники Рисунок 1.3 Покрытие WIMAX

Рисунок 1.4 Фиксированный доступ WIMAX Рисунок 1.5 Мобильный доступ WIMAX Рисунок 1.6 Многолучевая интерференция

Рисунок 1.7 Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими

Рисунок 1.8 Реализация метода OFDM Рисунок 1.9 Схема Аламоути 2 x 1

Рисунок 1.10 Закодированный блок данных Рисунок 1.11 Схема Аламоути 2 x 2 Рисунок 1.12 Схема Аламоути 2 x 3 Рисунок 1.13 Схема Аламоути 2 x 4

Рисунок 1.14 Расширенная схема Аламоути 4 x 1 Рисунок 1.15 Модифицированная схема Аламоути 2 x 1

Рисунок 2.1Общая схема модели физtrialого уровня в simulink Рисунок 2.2 Схема построения псевдослучайной последовательности Рисунок 2.3 Схема перемешивания в среде simulink

Рисунок 2.4 Алгоритм кодирования Рида-Соломона в стандарте 802.16 Рисунок 2.5 Сверточный кодер в стандарте 802.16

Рисунок 2.6 Служебная информация в OFDM символе

Рисунок 2.7 Использование циклического префикса для борьбы с МСИ Рисунок 2.8 Структура OFDM символа с циклическим префиксом Рисунок 2.9 Схема, реализующая OFDM в среде simulink

Рисунок 2.10 Схема, реализующая пространственно-временной кодер в среде simulink

Рисунок 2.11 Схема формирования закодированного блока данных в simulink

Рисунок 2.12 Схема пространственно-временного декодера в simulink

Рисунок 2.13 Линейная обработка сигналов

Рисунок 2.14 Схема, реализующая получение декодированных сигналов из линейно обработанных

Рисунок 3.1 Графики зависимости вероятности ошибки на бит от отношения сигнал/шум при использовании модуляции 64-QAM

Рисунок 3.2 Графики зависимости вероятности ошибки на бит от отношения сигнал/шум при использовании модуляции BPSK

Рисунок 3.3 Графики зависимости вероятности ошибки на бит от отношения сигнал/шум при увеличении числа передающих антенн

Рисунок 3.4 Графики зависимости вероятности ошибки на бит от отношения сигнал/шум для мобильных пользователей

Список сокращений

Высокоскоростные беспроводные сети передачи данных, реализующие технологии WIMAX, основанные на семействе стандартов IEEE 802.16, сегодня привлекают всеобщее внимание. WIMAX активно привлекается для решения следующих задач: 1. Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами интернета.

2. Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

3. Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

4. Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.

WIMAX позволяет осуществлять доступ в интернет на высоких скоростях, с гораздо большей пропускной способностью и покрытием, чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а так же локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети масштабов целых городов.

Все актуальнее становится дальнейшее повышение скорости передачи данных и расширение зоны покрытия таких сетей. Большие надежды в решении этих задач связаны с использованием новой технологии, получившей название MIMO (аббревиатура термина multiple-input, multiple-output, обозначающего применение многочисленных входов и выходов), предлагающей применение двух или большего числа как передающих, так и принимающих антенн.

Основное преимущество MIMO заключается в способности осуществлять прием сигналов, пришедших по разным маршрутам, что всегда сопутствует беспроводной связи. Их удалось использовать, добившись существенного увеличения качества приема и, как следствие, увеличения скорости передачи и улучшения пропускной способности.

При движении подвижного объекта по городу на вход его антенны приходит множество сигналов, распространяющихся от передатчика радиостанции. Каждый из них попадает в приемник, проходя по разным маршрутам (отсюда и термин multipath — «многомаршрутный»), и к тому же в разное время. Поскольку дополнительные сигналы не синхронизированы с основным, они способны его усиливать или ослаблять. В результате появляются помехи и искажения. К ним относятся затухание сигналов, пульсирующий прием, неожиданное пропадание звука. В цифровых коммуникациях эти факторы могут приводить к снижению быстродействия и к увеличению количества ошибок передачи данных.

Добавление антенн, как это делается в некоторых беспроводных системах, помогает «рассортировать» сигналы и позволяет выбрать антенну, получающую в каждой точке приема наибольший из них.

Таким образом, многоэлементные антенные устройства обеспечивают: - расширение зоны покрытия радиосигналами и сглаживание в ней мертвых зон;

- использование нескольких путей распространения сигнала, что повышает вероятность работы по трассам, на которых меньше проблем с замираниями, переотражениями и т.п.

В системах MIMO для выделения сигналов, передаваемых на одной частоте, может применяться пространственное мультиплексирование. Более того, можно кодировать такие сигналы, чтобы использовать их для восстановления информации.

В дипломном проекте рассматривается технология, получившая название «пространственно-временного блочного кодирования» (spacetime block coding, STBC), известная также как схема Аламоути. В работе создана модель физического уровня стандарта IEEE 802.16 с применением технологии MIMO и был исследован вопрос: насколько применение данной технологии допускает уменьшение величины отношения сигнал/шум в канале связи для достижения приемлемых значений вероятности ошибки на бит передаваемой информации.