Моделирование системы связи на основе технологии OFDM.
ТЕКСТ ВКР (заголовки неотредактированы)
Выбор подходящей формы сигнала – ключевой фактор при построении физического уровня 5G. Новые типы сигналов должны быть способны поддерживать большую плотность абонентов, большую пропускную способность и должны обеспечивать более эффективное использование доступного спектра, чтобы обеспечить принцип 5G, что «всё везде и всегда может быть соединено» с «ощущением бесконечной мощности». Хотя ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM) было адаптировано для передачи в проводных и беспроводных системах связи годами ранее, оно имеет некоторые ограничения, делающие метод непригодным для будущего интерфейса сетей пятого поколения. В этой статье исследованы и проанализированы альтернативные типы сигналов, которые могут быть возможным решением проблемы разных приложений и сценариев 5G.
Введение
Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), использующее квадратное окно во временной области, даёт весьма эффективное применение; метод адоптирован к различным интерфейсам беспроводных стандартов связи, включающих LTE и семейство IEEE 802.11,благодаря связанным между собой преимуществам, таким как:
- стойкость к многолучевому затуханию;
- простота реализации;
- эффективное однократное частотно-временное уравнивание, возможное благодаря использованию циклического префикса;
- прямое и простое дальнейшее применение функции MIMO и возможности формирования усиленного луча.
|
|
|
Несмотря на преимущества, OFDM страдает от ряда недостатков, таких как высокое отношение пиковой мощности к средней мощности и большими боковыми лепестками в частотной области. Метод также требует строгого времени синхронизация для поддержания ортогональности между различными пользовательскими устройствами. Поэтому с увеличение пользовательских девайсов увеличиваются и расходы на линию в OFDM-системе. Более того, она обладает высокой чувствительностью к смещению несущей частоты при передаче между устройствами. Все эти «минусы» препятствуют выбору OFDM, как технологии для интерфейса сетей 5G, для того, чтобы достичь ключевых характеристик, которые на данный момент предполагается осуществить в сетях пятого поколения:
- 1000-кратное увеличение передаваемой информации на территории;
- 10-100-кратное увеличение количества устройств;
- 10-100-кратное увеличение скорости передачи данных;
- 10-кратное снижение энергопотребления;
- конечная задержка передачи менее 1мс;
- повсеместный доступ к 5G, включая малонаселённые территории.
Именно эти особенности и закладываются в основу сетей будущего поколения международным научным сообществом.
|
|
|
1. Bitpipeсвязь. Широковещательный контент (3D или 4К видео) в маленьких разворачиваемых ячейках требует несколько десятков Мбит/с для достижения должного качества. Увеличенная полоса пропускания и физический уровень с высокой спектральной эффективностью требуется в данном случае. Поэтому сети пятого поколения должны полагаться на современные технологии цифровой связи, включая MIMO для разделения и мультиплексирования, massive-MIMOдля улучшения спектральной эффективности, модуляцию более высокого порядка и эффективные схемы кодирования, адаптивное размещение сот, мультисотовая совместная передача, управление межсотовыми интерференциями и эффективное спектральное размещение с когнитивным радио.
2. Интернет вещей. Этот сценарий и хранение данных нацелено на использование в системах смарт-грид, измерениях и мониторинге здоровья и окружающей среды, транспортировке и т.д. Такие случаи характеризуются небольшими пакетами данных и огромным количеством соединений между устройствами с ограниченным источником питания. Это не требует большей полосы пропускания, так как рабочий цикл в основном короткий, в то время как более важным является сохранение мощности источника. Устройства Интернета вещей должны быть способными установить надёжную связь с неопределённой синхронизацией или даже с асинхронизацией для большей энергоэффективности.
|
|
|
3. Тактильный Интернет. Этот случай фокусируется на специальных приложениях и использовании Интернета вещей в узких отраслях в режиме реального времени (Интернет транспортных средств) и промышленный контроль. Эти приложения требуют очень малое время задержки и высокую надёжность (100%). Задержки переадресации сети в эфирном (воздушном) интерфейседолжны быть значительно уменьшены для достижения требований в миллисекундных задержках. В итоге, должны быть переработаны длина фреймов с минимальными накладками (или без них вовсе), технология множественного доступа, которая даст беспрепятственную передачу информации, задержки в переадресации сети. Могут быть использованы техники избыточного кодирования и пространственно-частотно-временного разделения для надёжной передачи данных.
4. Беспроводная региональная сеть. Этот сценарий концентрируется на покрытии удалённых малонаселённых пунктов, характерной чертой которых является низкая скорость передачи и ненадёжность сети. Проводные технологии имеют ограничение в покрытии, а нынешние беспроводные сети работают в лицензируемом диапазоне частот и имеют относительно маленькие размеры сот, делающие экономически нерентабельным разворачивание сети в слабонаселённых местах. 5G сети должны направлять большее покрытие территории, используя динамическое распределение каналов, основанное на когнитивном радио с низким уровнем внеполосного излучения, сокращать воздействие многолучевого распространения.
|
|
|
Все эти требования во многом можно сконцентрировать в выборе подходящей формы сигнала. Поэтому, во избежание недостатков OFDM и используя вышеупомянутые характеристики, будут рассмотрены разные типы сигналов с разными физическими уровнями. Это OFDM с фильтрацией внеполосных излучений (FOFDM), windowed orthogonal frequency division multiplexing (WOFDM), filterbank multicarrier (FBMC), generalized frequency division multiplexing (GFDM) и universalfiltered multicarrier (UFMC).Эти виды будут далее изучены на их влияние на такие аспекты, как:
- возможности поддержки массивной мощности и массивной связи;
- поддержка все более разнообразного набора услуг, приложений для всех абонентов с разными требованиями (Интернет вещей, межмашинная связь)
- гибкое и эффективное использование во всех доступных смежных спектрах в различных сценариях размещения сети.
В этой главе мы проанализируем эффективность альтернативных форм сигнала в части внеполосного излучения, битовой ошибки BER, временной и частотной эффективности, отношение пиковой мощности к средней мощности, вычислительной сложности, чувствительности к смещению несущей частоты и временному смещению. Сравнение позволит помочь определить подходящий вариант сигнала для различных сценариев сетей 5G.
Моделирование системы связи на основе технологии OFDM.
Блок-схема приемо-передающей OFDM-системы, описывающая основные преобразования сигнала, приведена на рисунке 1, где пунктиром выделены составныечасти приемника и передатчика.
Поток данных из источника (блок – «генератор псевдослучайных данных») поступает на квадратурный модулятор (блок – «QAM-модулятор»), которыйпреобразует цифровую информацию в амплитудно-модулированный сигнал. В OFDM-модуляторе происходит объединение N-ого количества поднесущих в шумоподобныйсигнал с помощью обратного преобразования Фурье.Объединение параллельныхподнесущих в последовательный сигнал (блок – «Паралл./послед.преобразование»)происходит после введения циклического префикса (блок – «Введение ЦП»), чтоспособствует уменьшению влияния МСИ.
Проходя через канал связи сигнал претерпевает искажения, вызванные шумами (канал саддитивный белым гауссовским шумом – прямая видимость, отсутствуют отраженные лучи сигнала, релеевский канал – нет прямой видимости, сигнал являетсяотраженным, райсовский канал – есть прямая видимость, присутствуют отраженныесигналы).
На стороне приемника происходят действия обратные тем, что наблюдаются в передающей части системы. Последовательный поток разбивается на параллельныеподнесущие, происходит удаление циклического префикса, производится прямоепреобразование Фурье, и демодуляция исходного сигнала.
В качестве иллюстрации работы реальной OFDM-системы, рассмотрим
функционирование модели, спроектированной в программном продукте MATLABSimulink (рисунок 2). Для моделирования используется Simulink версии 2017 года.
На рисунке 3 представлен спектр сигнала на выходе приемника и сигнальноесозвездие 16-QAM модулятора.
На рисунке 4 представлены вещественная и мнимая части комплексной огибающей OFDM сигнала. Из рисунка видно, что сигнал имеет шумоподобную форму.
Рисунок 5 демонстрирует возникающие искажения спектра принимаемого сигналаи размытие точек сигнального созвездия на входе приемника, вызванное влиянием шумов в канале связи. Число и доля некорректно принятых битов в общем потоке данных BER (BitErrorRate) рассчитывается в блоке Measurementcenter. Интересной задачей является исследование изменения величины BER в зависимости от используемого типа QAM модуляции и интенсивности шумов в канале, а так же самого типа канала (AWGN, RayleighFadingChannel или RicianFadingChannel).
Для простоты используем канал с белым гауссовым шумом. Результатымоделирования представлены на рисунке 6.
Результаты исследования демонстрируют, что с увеличением числа бит, передаваемых одной несущей увеличивается величина BER, что свидетельствует обувеличении количества ошибок относительно общего числа переданных бит полезной информации. Из рисунка 6 видно, что величина BER для случая 16-QAM выше, чем для4-QAM. Так же очевидна зависимость величины BER от отношения Eb к No, прикоторой с ростом мощности сигнала уменьшается число неверно принятых битовданных.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 541; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!