Исследование стандартов связи WiMAX (2.78 Мб)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Кафедра Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем
ИНСТРУМЕНТАЛЬНО-ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
«ЛАБОРАТОРИЯ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СВЯЗИ НА БАЗЕ
NATIONAL INSTRUMENTS»
Книга 5
Том 2
Методические указания для лабораторной работы №2
Исследование стандартов связи WiMAX
Руководитель:
Исполнитель:
Краснокутский А.В
Соколов Р.И.
Екатеринбург 2014
Введение
Технология WiMAX была создана и поддерживается организацией
WIMAX FORUM. Принцип ее работы основывается на стандарте связи 802.16,
созданном группой IEEE 802.
В технологии фиксированного WiMAX на физическом уровне
используется OFDM модуляция, описываемая спецификацией 802.16d? которая
была опубликована в 2004 году. В технологии мобильного WiMAX на
физическом уровне используется OFDMA модуляция, описанная в
спецификации 802.16e и опубликованная в 2005 году.
Технология WiMAX в основном разрабатывалась для предоставления
широкополосного доступа в Интернет. Фиксированная версия была создана для
предоставления широкополосного доступа домашним пользователям.
Мобильная версия может использоваться для предоставления широкополосного
доступа в смартфонах и других переносных устройствах.
1. Обзор стандарта WiMAX
WiMAX (сокращенно от английского Worldwide Interoperability for
Microwave Access) – стандарт связи, принятый в 2004ом году со спецификацией
IEEE-802.16. Он был создан с целью предоставления универсальной
беспроводной связи на больших расстояниях для работы большого количества
оконечных устройств как фиксированной, так и мобильной связи (десктопы,
мобильные телефоны, ноутбуки).
Существует две разновидности стандарта – фиксированный WiMAX
(802.16d) и мобильный WiMAX (802.16e). Отличие этих стандартов в том, что
мобильный WiMAX разделяет сообщения пользователей во времени и по
группам OFDM поднесущих (в дуплексном режиме – только по времени), а
фиксированный – только по времени. Эти разновидности появились с целью
улучшения качества связи двух различных групп абонентов – абонентов с
мобильными устройствами связи (движущимися на скорости до 150км/ч) и
владельцев стационарной техники. В «мобильном» варианте стандарта
предполагается работа функций мобильного роуминга и «бесшовного»
переключения между базовыми станциями.
Поскольку исследуемый в данной работе набор инструментов создан для
анализа мобильного WiMAX, то остановимся лишь на его описании. Как уже
было сказано, этот стандарт предписывает использовать OFDMA модуляцию
при построении канала связи. Эта технология разрешает одновременную
передачу нескольким приемникам (для каждого используется одна или
несколько поднесущих). Учитывая возможность и временного разделения, это
сильно увеличивает количество одновременно обслуживаемых абонентов.
В стандартных OFDM приложениях один OFDM символ составляется из
отдельных символов на каждой из поднесущих, передающихся одновременно.
При использовании временного мультиплексирования один или несколько
OFDM символов передаются одному приемнику, затем один или несколько
символов передаются другому приемнику. По технологии OFDMA для передачи
одного и того же OFDM символа нескольким приемникам могут быть назначены
наборы из нескольких OFDM поднесущих. При объединении OFDM и
временного мультплексирования становится возможной визуализация
двумерного представления сигналов, посылаемых нескольким приемникам.
Одна ось показывает время, а другая - OFDM поднесущие.
Предусмотрена возможность организации как полудуплеконого (в один
момент времени возможно либо передача, либо прием), так и полнодуплексного
(возможен одновременный прием и передача) режима работы канала связи. Для
организации одновременно нисходящего и восходящего каналов используется
две технологии: частотное разделение каналов (FDD) и временное разделение
каналов (TDD). В первом случае выделенный диапазон частот делится на две
половины, по одной на нисходящий и восходящий подкадр. Во втором –
разделение нисходящего и восходящего подкадра происходит во времени.
Сначала передается нисходящий, потом – принимается восходящий.
Приведем структуру нисходящего подкадра:
а) Преамбула (синхропоследовательность длиной 16 QPSK символов)
б) FCH (управляющий заголовок кадра – информация о структуре
передающегося подкадра)
в) DL-MAP (опционально, карта нисходящего подкадра, см. рис.1.)
г) Пакеты
Рис. 1. Карта нисходящего подкадра (DL-MAP).
На этом рисунке по оси ординат отложены частотные каналы, а по оси
абцисс – время. Аналогичные оси находятся и на рисунке 2.
Пакеты разделяются на несколько зон. В каждой зоне может
передаваться от одного до нескольких пакетов. В нулевой зоне при передачи
DL-MAP могут находиться следующие пакеты: UL-MAP – карта восходящего
подкадра, которая будет говорить абонентам информацию о том, когда и как
передавать пакеты, downlink channel descriptor - описание характеристик
физического уровня нисходящего канала, uplink channel descriptor - описание
характеристик физического уровня восходящего канала. Обычный пакет состоит
из трех полей – MAC-заголовок, поле данных и контрольная сумма.
Восходящий подкадр устроен проще, там передаются только пакеты.
Считается, что информации, которую приняли абоненты из нисходящего
подкадра, будет достаточно для адекватной и согласованной работы
восходящего канала. Также, как и в нисходящем подкадре, тут может быть
несколько зон. На рисунке 2 изображен пример карты такого подкадра.
Рис. 2. Карта восходящего подкадра (UL-MAP)
На рисунке 3 приведена обобщенная структурная схема кадров при
временном мультиплексировании. Создать такую карту для частотного
мультиплексирования сложно, так как схема получится двумерная. Но можно
представить, что вместо пакетов на предложенной нами схеме будет
располагаться набор кусков пакетов на нескольких частотных поднесущих.
Рис. 3. Структура кадров при временном мультиплексировании
2.
Ортогональное
частотное
разделение
каналов
с
мультиплексированием
Цифровая OFDM модуляция используется в WiMAX для повышения
эффективности использования спектра сигнала. Сигнал с QPSK или QAM
модуляцией без использования технологии формирования импульса (pulse
shaping) имеет определенную форму спектра. В этом случае большая часть
энергии сигнала сосредоточена вблизи центральной частоты, а резкие переходы
от символа к символу создают боковые лепестки спектра на большом
расстоянии по обеим сторонам от центральной частоты. Эти лепестки
формируют пики и впадины спектра на различных частотах, кратных полосе
сигнала.
Обычно в устройствах с QAM модуляцией применяют сглаживающий
фильтр, существенно уменьшающий мощность подобных выбросов и помехи
для соседних каналов. Если полностью отфильтровать пульсации не удается,
центр соседнего канала может быть размещен в одной из точек минимума
пульсаций первого канала. Так же с целью минимизации интерференции
сигналы соседних каналов делают взаимно ортогональными. За счет этого
появляется возможность оптимизировать использование полосы частот канала,
наращивая поток данных или накладывая еще один сигнал,до тех пор пока
остается незанятое место в полосе частот. Минимумы пульсаций одного канала
должны соответствовать центральным частотам соседних сигналов.
Рис. 4. Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием
(OFDM)
Цель работы
Исследовать влияние внешних помех и внутренних искажений на качество
приема сигналов стандарта WiMAX.
Исследовать систему связи стандарта WiMAX в режиме цифрового и
полунатурного моделирования.
Порядок выполнения работы
Допуск к работе осуществляется после ответа на вопросы преподавателя
по теме выполняемой работы.
Включение лабораторного стенда производится только преподавателем
или дежурным инженером.
После выполнения работы необходимо представить результаты
исследований преподавателю.
1.. Слева на лицевой панели произведите настройки передатчика: выберете
название устройства, несущая частота 2,5ГГц; полоса пропускания 10МГц;
число отсчетов БПФ 1024; установите уровень выходного излучения в пределах
-10 дБм; задержка кадра 5мс; число символов в пакете 12; Направление передачи
Downlink; число кадров 1.
2. Настройте сигнал со следующими параметрами пакетов:
1. Схема кодирования – QPSK CC 1/2;
Число символов – 2;
Число поднесущих – 26;
Символьное смещение – 0;
Смещение поднесущей – 4.
2. Схема кодирования – QPSK CC 1/2;
Число символов – 2;
Число поднесущих – 30;
Символьное смещение – 2;
Смещение поднесущей – 0.
3. Схема кодирования – QPSK CC 1/2;
Число символов – 2;
Число поднесущих – 30;
Символьное смещение – 4;
Смещение поднесущей – 0.
4. Схема кодирования – QPSK CC 1/2;
Число символов – 2;
Число поднесущих – 30;
Символьное смещение – 6;
Смещение поднесущей – 0.
3. Отключите искажения сигнала и внешний шум.
4. Настройте параметры приемника идентичными параметрам
передатчика. Дополнительно установите Количество точек усреднения
демодулятора равным 10.
5. Запустите виртуальный Прибор с заданными настройками. Убедитесь,
что передатчик и приемник соединены кабелем.
6. Снимите осциллограммы формы сигнала на соответствующем графике,
его спектр, а также структуру пакета OFDMA.
7. Снимите показания Отклонения спектральной маски от эталона и
четырех параметров, определяющих качество приема по указанию
преподавателя. Нарисуйте спектральное распределение относительных уровней
мощности в зависимости от частотного смещения на основе данных из таблицы
Спектр сигнала.
8. Снимите зависимости параметров пункта 7, а также вероятности
ошибки правильного обнаружения от мощности внешнего шума, увеличивая
значение дисперсии шума от 0 до 1 с шагом 0,1.
9. Проведите исследования по пунктам 1–8 для двух любых схем
кодирования пакетов и для двух любых режимов дуплексной передачи.
10. Вместо кабеля подключите рамочные антенны необходимого
частотного диапазона и проведите аналогичные исследования по пунктам 6-9
регулируя отношение сигнал/шум путем уменьшения мощности выходного
полезного сигнала.
Рис. 5. Лицевая панель программного комплекса.