KKRRiT2002 - M.Pietrzyk [Wielodostęp oraz kolizyjna alokacja podnośnych dla systemów OFDM].pdf - Elektronika - mlc86

Michał Pietrzyk 1 Sławomir Pietrzyk 2

Wiera Dziech 1

1 Politechnika Świętokrzyska

Al. 1000-lecia P.P., 25-314 Kielce

e-mail: sq7robin@poczta.wp.pl

2 PTC Sp. z o.o.,

Dział Planowania Dostępu Radiowego

Al. Jerozolimskie 181, 02-222 Warszawa

e-mail: spietrzyk@eragsm.pl

WIELODOSTĘP ORAZ KOLIZYJNA ALOKACJA

PODNOŚNYCH DLA SYSTEMÓW OFDM

Streszczenie : W pracy przedstawiono porównanie metod ko-

lizyjnej alokacji podnośnych OFDM dla przeładowanych

systemów komórkowych. Metody te dają możliwość umiesz-

czenia dwóch użytkowników na tym samym zbiorze podno-

śnych OFDM. Zaproponowane w artykule algorytmy wy-

boru podnośnych do kolizji uwzględniają minimalizację

mocy transmisyjnej a także złożoności urządzeń.

Artykuł podzielony jest na sześć rozdziałów. W

rozdziale drugim przedstawiono model systemu i jego

podstawowe parametry, tj. ilość komórek, dostępne pa-

smo itp. W rozdziale trzecim przybliżone zostały metody

rozwiązywania kolizji. Rozdział czwarty przedstawia

wyniki symulacji dla poszczególnych metod kolizyjnych,

natomiast w rozdziale piątym zawarto ich porównanie.

Rozdział szósty stanowi podsumowanie referatu.

1. WSTĘP

Jedną z kluczowych technologii, rozważanych do

zastosowania w szerokopasmowych systemach teleko-

munikacyjnych jest OFDM (ang. Orthogonal Frequency

Division Multiplexing). Technologia ta umożliwia wy-

dajne wykorzystanie posiadanego pasma częstotliwości

oraz łagodzi skutki transmisji wielodrogowej, która jest

jednym z głównych czynników ograniczających przepu-

stowość systemu dostępowego [1].

2. MODEL SYSTEMU

Rozważamy bezprzewodowy system wielodostępu, w

którym U użytkowników ruchomych komunikuje się jed-

nocześnie w łączu „w górę” (ang. uplink) ze stacją ba-

zową BS (ang. Base Station) poprzez selektywny często-

tliwościowo kanał wielodrogowy z szumem AWGN

(ang. Additive White Gaussian Noise). Podstawowe pa-

rametry systemu przedstawiono w tabeli 1.

Przedmiotem niniejszego referatu jest bezprzewo-

dowy system wielodostępu oparty na technologii OFDM,

dostarczający użytkownikowi ruchomemu szeregu usług

multimedialnych, takich jak: audio, wideo, a także dostę-

pu do Internetu.

W systemach komórkowych niejednokrotnie zdarza

się sytuacja, w której wszystkie dostępne zasoby radiowe

zostały już rozdzielone pomiędzy aktywnych użytkowni-

ków i brak jest wolnych zasobów dla obsłużenia użyt-

kowników dodatkowych . W systemach GSM taka sytu-

acja prowadzi najczęściej do zablokowania dodatko-

wych użytkowników, a w przypadku technologii GPRS

do kolejkowania zapotrzebowań na kanał. Przedmiotem

porównania w tej pracy są metody umożliwiające przyłą-

czenie dodatkowych użytkowników do sieci, pomimo

braku wolnych zasobów radiowych. Przyłączenie to jest

realizowane czasem kosztem obniżenia jakości usługi -

QoS (ang. Quality of Service) użytkowników już przyłą-

czonych. Rozważane metody te polegają na umieszcze-

niu jednocześnie dwóch użytkowników na tym samym

kanale radiowym (czyli podnośnej OFDM) - co prowadzi

w rezultacie do powstania kolizji. W niniejszej pracy

przedstawiono metody rozwiązywania kolizji oparte na

wykorzystaniu odbiornika dwóch sygnałów (ang: Dual

Signal Receiver – DSR), a także oparte na wstępnym do-

pasowaniu sygnału w zależności od parametrów kanału,

jeszcze przed jego transmisją.

K std_K

32 14 MHz 53 ns 12 ns 4,9 dB 3,9 dB

B cell

std_

Tabela 1 [2] [3]

Przyjęte oznaczenia:

N cell – liczba podnośnych OFDM dostępnych w komórce,

B cell – pasmo przydzielone danej komórce,

- opóźnie-

- standardowe odchylenie opóźnienia, K –

współczynnik funkcji Ricean'a, std_K – stand. odchyle-

nie funkcji Ricean'a.

Rys.1 Model systemu OFDM dla transmisji w górę

167

N cell

nie, std_

Symbole u -tego użytkownika są przyporządkowywane

do odpowiednich podnośnych zgodnie z macierzą aloka-

cji C . Następnie, po poddaniu sygnału szybkiej odwrot-

nej transformacie Fouriera jest dodawany cykliczny

przedrostek o długości

i sygnał jest konwertowany do

Proponowany algorytm wyboru podnośnych

do kolizji

Ważnym zagadnieniem jest wybór podnośnej,

na której nastąpi kolizja sygnałów użytkowników u ' i u'' .

Bitowa stopa błędów (ang. bit error rate - BER) mniej-

szego z sygnałów silnie zależy od stosunku sygnału do

interferencji SIR, który tu jest stosunkiem mocy sygnału

silniejszego do mocy słabszego sygnału.

Metoda wyboru podnośnych przeznaczonych do

kolizji polega na spełnieniu dwóch warunków [4]:

postaci szeregowej.

Sygnały poszczególnych użytkowników wraz z

szumem AWGN zostają odebrane przez stację bazową.

Zakładając, że cykliczny przedrostek chroni idealnie

przed echem w kanale, oraz, że dysponujemy doskonałą

synchronizacją, sygnał n -tej podnośnej może być wyra-

żony wzorem:

(1)

SIR

≥

SIR

min ≅

oraz (2)

SNR

′

max

∑

⋅

( 1 )

Rys. 3 oraz rys 4. przedstawiają przykłady doboru

współczynnika SIR.

gdzie: u = 1...U – kolejny użytkownik, n = 1...N – kolej-

na podnośna, c u,n – element macierzy alokacji C wskazu-

jący przydział podnośnych (1/0 – podnośna n jest/nie

jest przydzielona użytkownikowi u ), H u,n – macierz funk-

cji przejścia kanału,

5ECVVGTRNQV

- szum AWGN

Po stronie stacji bazowej BS, sygnały y n – trafiają,

w zależności od metody kolizyjnej, na zespół odbiorni-

ków DSR – (ang. Dual Signal Receiver), bądź też na ma-

cierz dopasowania sygnału D.

TCV

+P2JCUG

Rys 3. Przykład niespełnienia warunku (1), SIR = 3dB

3. METODY ROZWIĄZYWANIA KOLIZJI

3.1. Odbiornik DSR

5ECVVGTRNQV

Rozpatrzmy przypadek pary użytkowników, którzy zaj-

mują tę samą podnośną n* , co w rezultacie prowadzi do

powstania kolizji. Po usunięciu nagłówka CP oraz demo-

dulacji OFDM odebrany przez stację bazową sygnał

można wyrazić wzorem:

⋅

′

⋅

′

( 2 )

Rys 4. Przykład spełnienia warunku (1), SIR = 8dB

+P2JCUG

Zakładamy, że

′

⋅

′

jest większym,

′

⋅

′

jest mniejszym pod względem ampli-

3.2 Metody z dopasowaniem sygnału

tudy sygnałem.

Odbiornik DSR, którego budowa została przedsta-

wiona na rys. 2, jest w stanie odebrać dwa kolidujące ze

sobą sygnały według następującej zasady: w detektorze

1 odbywa się detekcja sygnału x u',n* , a także estymacja

sygnału

, który jest używany następnie do stłumie-

Przedmiotem rozważań są metody polegające na

wstępnym dopasowaniu sygnałów kolidujących ze sobą

użytkowników. Metody te bazują na wykorzystaniu

układów korekcji sygnału znajdujących się po stronie

użytkownika lub stacji bazowej. Zakładając, że użytkow-

nicy transmitują sygnały QPSK, w celu ich rozróżnienia

proponuje się, aby sygnał jednego z użytkowników miał

amplitudę dwa razy większą od amplitudy drugiego sy-

gnału [5]. Przy założeniu tych samych, dla obu użytkow-

ników warunków kanału, otrzymamy w rezultacie sygnał

16QAM. W dalszej części pracy odnosimy się do tego

sygnału jako pożądanej konstelacji, która może ulec de-

tekcji w detektorze, prowadząc do rozróżnienia sygnałów

poszczególnych użytkowników. Omawianą sytuację ob-

razuje rys. 5.

′

sygnału wejściowego y n* . Bazując

na stłumionym sygnale, detektor 2 dokonuje detekcji sy-

gnału mniej znaczącego [4].

Rys. 2 Schemat blokowy odbiornika DSR

168

′

)

nia opóźnionego o

3.2.2. Metoda z końcową korekcją sygnału

W metodzie tej znajduje zastosowanie macierz D - rys. 1.

Macierz C zawiera natomiast same jedynki i zera, okre-

ślając w ten sposób przydział odpowiedniej podnośnej

do danego użytkownika.

Po usunięciu przedrostka CP oraz demodulacji OFDM,

sygnał n* -tej podnośnej po stronie BS może być wyrażo-

ny wzorem[5]:

Rys. 5 Przykład złożenia większego (a) i mniejszego (b)

sygnału QPSK dającego w rezultacie pożądaną konstela-

cję 16QAM (c)

⋅

(

⋅

)

( 5 )

3.2.1. Metoda z wstępną korekcją sygnału

gdzie: d n* jest współczynnikiem macierzy D służącej do

korekcji końcowej sygnału

W przypadku tej metody, wstępna korekcja sygnału

odbywa się po stronie użytkownika. Elementy macierzy

C ze wzoru (1) zawierają tym razem nie tylko zera i je-

dynki, ale także współczynniki dopasowujące wstępnie

sygnał. Przy tej metodzie zbędne jest użycie macierzy D

po stronie stacji bazowej. Do określenia współczynników

korekcji c u',n* oraz c u'',n* potrzebna jest znajomość kanału

tj. współczynników H u',n* , H u'',n* oraz pożądanej konste-

lacji. Pożądaną konstelację definiujemy jako tą, którą ła-

two można rozłożyć na składowe konstelacje. Aby stwo-

rzyć pożądaną konstelację, konstelacje składowe powin-

ny być w określonej relacji wzajemnej R . W przypadku

dwóch sygnałów QPSK, których symbole przyjmują war-

tości: {-2,2} oraz {-1,1} współczynnik R = 2. Wynika to

z faktu, iż amplituda pierwszego z sygnałów jest dwa ra-

zy większa od amplitudy pierwszego sygnału i oba sy-

gnały są w zgodnej fazie.

Mając dane H u',n* , H u'',n oraz R , współczynniki korekcji

dane są wzorem [5]:

Ponieważ oba kolidujące ze sobą sygnały nie mogą być

dopasowane do siebie w nadajniku, jak miało to miejsce

poprzednio, w [5] zaproponowano wybór takich użyt-

kowników u' i u'' oraz podnośnej n* , dla których sygnały

użytkowników, po przejściu przez kanał, tworzą, pożą-

daną konstelację. Współczynniki macierzy korekcji koń-

cowej wyznaczone zgodnie ze wzorem:

* −

( 6 )

Podstawową zaletą omawianej metody jest jej prostota,

wadą natomiast fakt, że wzmacniacze korekcji końcowej

wzmacniają nie tylko pożądany sygnał, ale także szum.

4. WYNIKI SYMULACJI

−

4.1. Odbiornik DSR

oraz

⋅

( 3 )

Porównanie proponowanej metody alokacji podnośnych

oraz sekwencyjnej alokacji pomijającej parametry kanału

przedstawia rys. 6. Jako odniesienie dodano przypadek

idealnego sygnału QPSK z szumem AWGN.

Wybór podnośnych do kolizji

Proste algorytmy wyboru podnośnej n* przezna-

czonej do kolizji dwóch użytkowników u' oraz u'' oparte

na sekwencyjnej lub losowej alokacji nie uwzględniają

parametrów kanału, a także nie są zoptymalizowane pod

kątem mocy nadajnika, która jest potrzebna do wstępnej

korekcji sygnału. Proponowana metoda alokacji [5]

uwzględnia oba powyższe czynniki. Problem alokacji

podnośnych jest wyrażony przez:

⋅

( 4 )

RTQRQPOGVQFC

UGMYGPECNQM

U[I325-\#9)0

'D0Q=F$?OPKGLU\GIQU[IPCđW

= min

gdzie: E(X) jest energią sygnału X

Rys 6. BER mniejszego sygnału w zależności od

stosunku mocy sygnału do szumu

Jak można zauważyć na rys. 6 wartość BER

proponowanej metody alokacji jest dużo niższa od

metody sekwencyjnej i jest bliska BER idealnego

sygnału z szumem AWGN.

Alokacja podnośnej polega w tej metodzie na

wyborze takich użytkowników u', u'' , oraz podnośnej n*,

dla których występują najlepsze warunki do kolizji pod

względem minimalizacji mocy transmisji.

169

4.2. Metoda z wstępną korekcją sygnału

5. PORÓWNANIE METOD ALOKACJI

Porównanie BER proponowanej metody alokacji podno-

śnych w porównaniu do sekwencyjnej i losowej metody

alokacji przedstawia rys. 7.

Wymagania odnośnie minimalnego stosunku sygnału do

szumu Eb/No są najmniejsze w przypadku metody ze

wstępną korekcją sygnału. Dla osiągnięcia stopy błędu

BER wynoszącej 10 -2 wymagany Eb/No wynosi około 2

dB, natomiast w przypadku metody wykorzystującej

odbiornik dwóch sygnałów około 4dB oraz 7 dB dla

metody z końcową korekcją sygnału.

Zastosowanie DSR wydaje się być bardziej prak-

tycznym rozwiązaniem kolizji z uwagi na łatwość speł-

nienia stawianych w tej metodzie warunków – głównie

chodzi tu o stosunek mocy obu kolidujących ze sobą sy-

gnałów oraz fakt, iż ta metoda jest mniej podatna na nie-

odpowiednie dopasowanie konstelacji sygnałów. W

przypadku metod z korekcją sygnału niezbędna jest wie-

dza o aktualnych parametrach kanału. Należy zaznaczyć,

że nie wszystkie konstelacje składowe prowadzą do zło-

żenia pożądanej konstelacji.

Dla systemu z końcową korekcją sygnału,

umieszczenie układów odpowiedzialnych za proces

dopasowywania sygnału po stronie stacji bazowej

pozwala na uproszczenie budowy terminala

użytkownika.

Rys. 7 BER proponowanej metody alokacji oraz metody

sekwencyjnej i losowej dla systemu z korekcją wstępną

Jak można zauważyć z rys. 7 BER sekwencyjnej metody

alokacji podnośnych jest zbliżony do BER metody loso-

wej. Wynika to z faktu, iż obie te metody nie uwzględ-

niają parametrów kanału. BER zaproponowanej metody

jest wyraźnie niższy od metody sekwencyjnej i losowej.

6. PODSUMOWANIE

W pracy pokazano metodę zwiększenia pojemności

systemu OFDM poprzez lokowanie użytkowników na

tych samych podnośnych, co z kolei prowadzi do

powstania kolizji. Omówiono nowatorskie metody

rozwiązywania problemu kolizji użytkowników. Metody

te mogą znaleźć zastosowanie w przyszłych systemach

telekomunikacyjnych opartych na technologii OFDM.

4.3. Metoda z końcową korekcją sygnału

Porównanie BER proponowanej metody alokacji podno-

śnych z metodą sekwencyjną dla systemu z końcową ko-

rekcją sygnału przedstawia rys. 8.

SPIS LITERATURY

Rys. 8 Przedstawienie BER proponowanej metody

alokacji oraz metody sekwencyjnej

[1] R. van Nee, R. Prasad, OFDM Wireless Multi-

media Communications, Artech House, Londyn

2000

[2] A. Bohdanowicz, G.J.M. Janssen, S. Pietrzyk,

“Wideband Indoor and Outdoor Multipath Channel

Measurements at 17 GHz", IEEE VTC'99-Fall ,

Amsterdam

[3] S. Pietrzyk, A. Bohdanowicz, "Dimensioning

Aspects of an OFDM-based 4G System",

KKRRiT'01 , Poznań, maj 2001,

[4] S. Pietrzyk, G.J.M. Janssen, "Application of

a Dual-Signal Receiver for the Uplink of a

Collision-based OFDMA System", ECWT'01 ,

Londyn, wrzesień 2001

[5] S. Pietrzyk, G.J.M. Janssen, "Collision-based

Uplink OFDMA System Exploiting Frequency

Selectivity of a Multipath Channel", ATAMS'01 ,

Kraków, czerwiec 2001

BER proponowanej metody alokacji podnośnych

niewiele różni się od BER idealnego sygnału QPSK z

AWGN, jest jednak o wiele niższy od BER metody

sekwencyjnej.

170

KKRRiT2002 - M.Pietrzyk [Wielodostęp oraz kolizyjna alokacja podnośnych dla systemów OFDM].pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: