Universitatea Politehnica București

Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației

Modulația OFDM aplicată MIMO

Coordonator științific Student

Ș.l. ing. Adrian PĂUN Cucoș Ioana Cristina

Anul 2010

Cuprins

Lista de acronime..............................................................................................3

Lista de figuri....................................................................................................6

Conținutul proiectului pe capitole.....................................................................7

1. Introducere ...........................................................................................8

2. MIMO...................................................................................................8

2.1 Variante MIMO...................................................................92.1.1 SISO............................................................ 92.1.2 SIMO............................................................92.1.3 MISO...........................................................102.1.4 MIMO..........................................................10

3. OFDM...................................................................................................11

3.1 Transmisie cu purtătoare unică............................................12

3.2 Transmisie multipurtătoare..................................................12

3.3 Modulație OFDM. Avantaje și implementare......................13

4. Tehnologia MIMO-OFDM...................................................................16

5. Modelul sistemului MIMO-OFDM......................................................18

5.1 Transmișătorul......................................................................20

5.2 Receptorul............................................................................20

5.3 Modelul matematic...............................................................22

5.4 Analiza performanței.............................................................23

6. Implementarea simulării..........................................................................24

6.1 Simulare.................................................................................24

6.2 Rezultate................................................................................27

7. Concluzii.................................................................................................28

8. Direcții viitoare de cercetare...................................................................29

9. Bibliografie .............................................................................................30

2

Lista de acronime

ADC Analog to Digital Converter

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

ANCOM Autoritatea Națională pentru Administrare și Reglementare în Comunicații

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying

BS Base Station

BWA Broadband Wireless Access

CDMA Code Division Multiple Access

CIR Carrier to Interference Ratio

COFDM Coded Frequency Division Multiplexing

DAB Digital Audio Broadcasting

DAC Digital to Analog Converter

DMT Discrete Multi-Tone modulation

DSL Digital Subscriber Line

DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestrial

EV-DO Evolution-Data Optimized

FDM Frequency Division Multiplexing

FDMA Frequency Division Multiple Access

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

FTJ Filtru Trece Jos

GPRS General Packet Radio Service

HIPERLAN High Performance Radio LAN

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

ICI Inter Carrier Interference

ISI Inter-Symbol Interference

IEEE Institute of Electrical & Electronics Engineers

3

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

LAN Local Area Network

LOS Line Of Sight

MAC Medium Access Control

MAN Metropolitan Area Network

MB Megabyte

Mb/s Mega bites per second

MHz Mega Hertz

MIMO Multiple Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

MMSE Minimum Mean Square Error

MP3 MPEG Audio Layer III

NLOS Non Line of Sight

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplex Access

PCS Personal Communications Service

PDA Personal Digital Assistant

PSK Phase Shift Keying

PTP Point to Point

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RF Radio Frequency

SDMA Spatial-Division Medium Access

SIMO Single Input Multiple output

SISO Single Input Single Output

SNR Sound Noise Ratio

STC Space Time Coding

TDMA Time Division Multiple Access

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

4

VDSL Very high bit rate Digital Subscriber Line

WiFi Wireless Fidelity

WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless LAN

3G Third Generation of Wireless Communication Technology

3GPP Third Generation Partnership Project

3GPP2 Third Generation Partnership Project 2

5

Lista de figuri

Figura 1 SISO

Figura 2 SIMO

Figura 3 MISO

Figura 4 MIMO

Figura 5 Tehnica multiplexării cu diviziune în frecvență

Figura 6 Tehnica multiplexării cu diviziune în frecvență ortogonală

Figura 7 Modulație OFDM

Figura 8 Tehnici de multiplexare

Figura 9 Structura temporală a simbolului OFDM

Figura 10 Throughput pentru sistemele MIMO-OFDM

Figura 11 Emițător- Receptor pentru MIMO-OFDM

Figura 12 Prezența/ absența prefixului ciclic

Figura 13 Schema transmițătorului OFDM

Figura 14 Schema receptorului OFDM

Figura 15 Matricea canalului

Figura 16 Schema IEEE 802.11n folosind Simulink

Figura 17 Rezultate simulare

6

Conținutul proiectului pe capitole

Primul capitol al acestui proiect reprezintă o introducere în tehnica MIMO-OFDM.

Cel de-al doilea capitol constă într-o scurtă privire de ansamblu asupra sistemelor de antene inteligente, în special MIMO. Avantajele în a avea antene multiple la recepție și la transmisie sunt prezentate pe parcursul acestui capitol.

Al treilea capitol, OFDM începe prin a realiza o scurtă comparație între multiplexarea cu diviziune în frecvență și multiplexarea cu diviziune în frecvență ortogonală. Continuarea capitolului se ocupă de tehnica OFDM pe larg.

Cel de-al patrulea capitol, Tehnologia MIMO-OFDM demonstrează avantajele introduse de sinergia dintre cele 2 tehnici prezentate în capitolele anterioare.

Capitolul cinci, Modelul sistemului MIMO-OFDM, prezintă scheme detaliate ale receptorului și emițătorului. În acest capitol intervine și o parte din aparatul matematic folosit în cercetări.

Implementarea simulării, capitolul 6, prezintă modul în care Simulink poate fi utilizat pentru a studia performanțele MIMO-OFDM aplicat unui standar IEEE, și anume IEEE802.11n.

Capitolul 7, Concluzii, reia o parte din ideile principale prezentate în proiect, dar indică pe scurt o parte din avantajele introduse de această nouă tehnică, dar și dezavantajele sale.

Capitolul 8, Direcții viitoare de cercetare demonstrează că domeniul acesta este relativ nou, și că încă nu este exploatat în totalitate.

Bibliografia folosită în realizarea proiectului este prezentată în capitolul 9.

7

1. Introducere

MIMO-OFDM este o tehnologie dezvoltată de Iospan Wireless Inc. care folosește mai multe antene pentru a transmite și primi mai multe semnale radio. MIMO-OFDM va permite furnizorilor să implementeze un sistem pentru Acces Wireless de Bandă Largă (Broadband Wireless Access (BWA)) care are funcționalitate NLOS (Non-Line-of-Sight). Mai precis MIMO-OFDM preia avantajul proprietăților multicale a mediului folosind antene BS care nu au pierderi de tip LOS.

Line-of-Sight este o condiţie în care un semnal parcurge calea aerului în mod direct de la o antenă de emisie la o antenă de recepție fără a trece peste vreun obstacol. LOS este o condiţie ideală pentru o transmisie radio deoarece interceptarea propagării provine din condiţiile atmosferice şi din caracteristicile frecvenţelor de operare. Într-un mediu LOS, semnalul se poate întinde pe o distanţă mai mare cu o mai bună putere a semnalului şi un throughput mărit.

În mod contrar, Non-Line-of-Sight (NLOS), este o condiţie în care semnalul de la o antenă de emisie trece peste numeroase obstacole până ajunge la antena de recepție. Semnalul poate fi reflectat, refractat, poate suferi difracţie, absorbţie sau poate fi împrăştiat. Acestea creează multiple semnale care vor ajunge la receptor la momente diferite de timp, pe diferite căi, şi cu o putere diferită. În consecinţă, sistemele wireless dezvoltate pentru mediile NLOS trebuie să încorporeze mai multe tehnici pentru a acopri aceste probleme ceea ce face aceste sisteme mult mai complexe decât cele pentru LOS.

Potrivit Iospan:

‚‚În acest mediu, semnalele radio ricoșează de pe clădiri, copaci și alte obiecte în timp ce se propagă între cele două antene. Efectul ricoșării produce ‚‚ ecouri ’’ sau imagini multiple ale semnalului. Ca rezultat semnalul original și ecourile individuale ajung fiecare la antena de recepție la momente de timp diferite cauzând ecourile ce interferează unul cu celălalt degradând astfel calitatea semnalului’’

2. MIMO

Sistemul MIMO folosește antene multiple care transmit date simultan, în fragmente mici către receptor, care poate procesa fluxul de date și să le pună împreună. Acest proces denumit multiplexare spațială, creşte proporţional cu viteza de transmisie a datelor printr-un factor egal cu numărul de antene de emisie. În plus, din moment ce toate datele sunt transmise atât în aceeaşi bandă de frecvenţă şi cu semnături spațiale separate, această tehnică utilizează spectrul foarte eficient.

Tehnologia MIMO poate transporta de 4-5 ori mai multă informație decât cea mai avansată tehnologie utilizată astăzi în rețelele 3G (UMTS-HSDPA). Un design de rețea care încorporează tehnologia MIMO oferă scalabilitatea necesară pentru a descărca rapid conținut multimedia. Cu MIMO, de exemplu o poză de 500 Kb poate fi descărcată în jumătate de secundă sau un fișier video de 30 Mb poate fi descărcat în jumătate de minut

8

.

2.1 Variante MIMO

Diverse scheme care folosesc mai multe antene la transmițător sau la receptor sunt considerate potrivite pentru a îmbunătăți performanțele unui sistem de comunicații:

2.1.1 SISO (Single Input Single Output)

Transmisiile radio tradiţionale utilizează o antenă la transmiţător şi o antenă la receptor. Acest sistem este denumit Single Input Single Output.

Figura 1. SISO

O singură antenă atât la transmitator cât şi la receptor

Nu implică diversitate

Transmiţătorul şi receptorul au un singur lanţ RF (acesta este codecul şi modulatorul). SISO este relativ simplă şi ieftin de implementat şi a fost utilizată ani buni începând cu naşterea serviciilor radio. Este utilizată în broadcast TV şi radio precum şi în tehnologii wireless personale (Wi-Fi şi Bluetooth).

2.1.2 SIMO (Single Input Multiple Output)

Figura 2 SIMO 1x2

O antenă la transmiţător şi două antene la receptor

Implică o tehnică de diversitate la recepție

9

Pentru a îmbunătăţi performanţa, o tehnică a antenelor multiple a fost dezvoltată. Un sistem care utilizează o singură antenă la transmiţător şi antene multiple la receptor este numit SIMO (Single Input Multiple Output). Receptorul poate alege cea mai bună antenă pentru a capta semnalul cu cea mai mare putere sau să combine semnalele de la toate antenele maximizând astfel SNR (Signal to Noise Ratio). Prima tehnică este cunoscută ca diversitate comutată sau diversitate selectivă. Cea de-a doua este cunoscută ca şi rata maximă combinată.

2.1.3 MISO (Multiple Input Multiple Output)

Figura 3 MISO 2x1

Două antene la transmițător, o antenă la receptor

Implică o tehnică de diversitate a transmisiei

Un sistem care utilizează antene multiple la transmisie şi o singură antenă la recepţie se numeşte Multiple Input Single Output (MISO). O tehnică cunoscută sub numele de Alamouti STC (Space Time Coding) este folosită la transmițătorul cu două antene. STC dă posibilitatea transmiţătorului să transmită semnale în timp şi spațiu, ceea ce înseamnă că informaţia este transmisă de două antene la două momente de timp diferite consecutive. Antene multiple ale unor sisteme SIMO şi MISO sunt plasate de obicei la stația de baza (BS). Astfel, costul de a oferi fie diversitate a recepţiei (la SIMO), fie diversitate a transmisiei (la MIMO), poate fi împărţit de toţi clienţii serviţi de BS.

2.1.4 MIMO (Multiple Input Multiple Output)

Pentru a mări throughput-ul unei legături radio, antene multiple ( lanţuri multiple RF acordate) sunt plasate atât la recepţie cât şi la transmisie. Acest sistem este denumit Multiple Input Multiple Output (MIMO). Un sistem MIMO cu acelaşi număr de antene atât la transmisie cât şi la recepţie într-o legătură Punct-la-Punct (PTP) este capabil de a multiplica throughput-ul sistemului liniar cu fiecare antenă adiţională. De exemplu, un sistem 2x2 MIMO va dubla valoarea throughput-ului.

10

De departe cea mai promițătoare tehnologie care folosește mai multe antene este MIMO. Sistemul MIMO utilizează antene multiple atât la recepție cât și la emisie, ca în Figura 4.

Figura 4. Un sistem generic MIMO

Deoarece multe fluxuri de date sunt transmise în paralel de antene diferite, există o creștere liniară în throughput (cantitatea totală de date care poate fi procesată, sau trecută dintr-o parte în alta când sistemul lucrează la capacitate maximă) cu fiecare pereche de antene adăugată în sistem. Un aspect important constă în faptul că, spre deosebire de mijloacele tradiționale de creștere a throughputului, sistemele MIMO nu cresc banda pentru a crește throughputul. Aceste sisteme exploatează dimensiunea spațială prin mărirea numărului de căi spațiale unice între emițător și receptor. Cu toate acestea pentru a ne asigura că matricea canalului este inversabilă, sistemele MIMO au nevoie de un mediu bogat în propagare multi-cale. Tabelul de mai jos prezintă îmbunătățirea extraordinară de 99% a capacității unui sistem wireless ce utilizează MIMO. Un sistem rezonabil 5x5 poate furniza creșterea de 40 de ori a capacității pentru același raport semnal zgomot.

99% Capacitate (b/s/Hz)SNR= 12 dB SNR= 24 dB

(1,1) 0.3 1.8(5,5) 12.5 28.5(10,10) 29.2 62.0

Tabelul de mai sus sugerează că, fără a crește banda (o soluție foarte scumpă) sau puterea totală transmisă, putem realiza îmbunătățiri substanțiale ale throughputului folosind MIMO. Acest fapt are implicații importante deoarece sugerează că operatorii pot furniza servicii de bandă largă în cadrul spectrului pe care l-au achiziționat de la ANCOM.

3. OFDM

Tehnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) este o metodă de transmisie multipurtătoare. Istoria acestei tehnologii datează dinainte de 1960, dar a fost recent dezvoltată deoarece circuitele digitale care realizează operaţiile digitale cu viteză

11

sporită au început să fie disponibile pe piaţă. Această tehnică a apărut în anii 1960-1970 şi a fost patentată în SUA în 1970. Ea este folosită în sistemele europene de transmisie digitală a sunetelor (European Digital Audio Broadcast a DAB) şi pentru televiziunea digitală ( DVB-T) în Europa şi Australia. Transmisia pe cablu utilizează tehnica OFDM în modemurile DSL,ADSL şi VDSL. OFDM este utilizat și pentru rețele wireless LAN folosind standarde ca 802.11a,g, HIPERLAN/2. OFDM este o tehnică recent recunoscută ca o excelentă metodă pentru comunicaţii wireless bi-direcţionale de mare viteză.

3.1 Transmisie cu purtătoare unică

Tehnica multiplexării cu diviziune în frecvenţă, utilizată de mult timp în sistemele telegrafice clasice de transmisiune paralelă a datelor, evită suprapunerea spectrală a canalelor multiplexate, pentru a elimina interferenţa între canale, având însă, drept consecinţă, o eficienţă spectrală scăzută.

Figura 5. Tehnica multiplexării cu diviziune în frecvenţă

În sistemele FDM, semnalele de la mai multe emiţătoare sunt transmise simultan (în acelaşi time slot) pe mai multe frecvenţe. Fiecare domeniu de frecvenţă (subpurtătoare) este modulată separat de şiruri de date diferite şi are loc o spaţiere (guard time) între subpurtătoare pentru a evita suprapunerea semnalelor.

Când se utilizează multiplexarea prin divizarea în frecvență pentru a permite mai multor utilizatori să împartă acelaşi canal fizic de comunicaţie, atunci se numeste Frequency Division Multiple Access (FDMA) – acces multiplu cu divizare în frecvenţă.

3.2 Transmisie multipurtătoare

Faţă de transmisia cu purtătoare unică, unde fluxul de date se transmite pe o singură purtătoare, iar durata bitului este T, într-o transmisie OFDM fluxul de date se distribuie în paralel pe N subpurtătoare, prin această operaţie durata bitului transmis pe o subpurtătoare crește de N ori ajungând la NT. Tehnica OFDM folosește spectre cu suprapunere care sunt mai eficiente din punct de vedere al utilizării benzii. Eficiența spectrală este mai mare decât în cazul FDMA pentru că distanța între canale scade (se ajunge chiar la suprapunerea acestora). În acest caz, separarea canalelor

12

fără interferenţe se face utilizând proprietatea de ortogonalitate a subpurtătoarelor (aceasta înseamnă că ele sunt perpendiculare).

OFDM este o combinație a proceselor de modulare și multiplexare: un set de semnale provenind de la aceeași sursă este divizat într-un număr de canale independente (sub-seturi ale semnalului principal) și fiecare la rândul său este modulat de o purtătoare diferită și apoi multiplexat într-un semnal OFDM pentru a se realiza transmisia.

Figura 5. Tehnica multiplexării cu diviziune în frecvenţă ortogonală

În Figura 5 putem constata reducerea lărgimii de bandă prin eliminarea timpului de gardă (guard time) şi prin suprapunerea semnalelor

3.3 Modulație OFDM. Avantaje și implementare.

Canalele radio, datorită fenomenelor de propagare multi-cale, Doppler , fading, jitter de fază şi zgomote puternice, oferă adeseori transmisiei digitale o calitate slabă. Soluţia tehnică actuală, privind modularea semnalului astfel încât sistemul să lucreze eficient cu semnale afectate de distorsiuni puternice, este OFDM.  Principiul de bază este acela al divizării informaţiei de viteză mare în fluxuri de viteză mică şi transmiterea acestora utilizând un număr mare de subpurtătoare ortogonale. Se urmăreşte asigurarea unor viteze de transmisie ridicate, simplificând cerinţele impuse circuitelor de egalizare, acolo unde este posibil. Această tehnică este cunoscută şi sub denumirile de purtătoare multiple ( multi-carrier) sau modulaţie DMT ( Discrete Multi-Tone modulation). 

13

Figura 7. Modulație OFDM

OFDM are câteva avantaje cheie față de rețelele comune de acces wireless cunoscute sub numele de CDMA, care este este folosită în rețelele de telefonie mobilă 3G. Pentru început OFDM este o metodă mai robustă, ceea ce înseamnă că aceasta oferă o performanță mai mare în zonele aglomerate cu multe reflecții. Poate fi de asemenea folosită și pentru receptoarele simple.

În propagarea multi-cale se pot introduce fadinguri selective în frecvenţă sau în canal pot exista sub-benzi care să fie afectate mai puternic de interferenţe și se pot utiliza modulaţii adaptive pe diversele subpurtatoare şi tehnici de distribuire a informaţiei pe subpurtatoare, în aşa fel încât erorile să se distribuie ca erori izolate şi să poată fi înlăturate eficient de codurile corectoare de erori, care protejează transmisia. Semnalul OFDM suportă fadinguri selective în frecvenţă, fiind compus din subcanale în care fadingul este plat. În acest scop numărul de subpurtătoare pe care se face transmisia trebuie ales astfel încât lăţimea de bandă a unei sub-benzi să fie semnificativ mai mică decât banda de coerenţă a transmisiei, pentru ca fadingul selectiv în frecvenţă, în banda transmisiei, să fie înlocuit de fadinguri de tip plat în sub-benzile componente. Echivalent, în domeniul timp aceasta revine la a alege o durată a simbolului în sub-benzile componente mult mai mare decât întârzierea diferenţială a canalului.   Semnalele transmise prin canalele radio suferă distrorsiuni puternice, în special datorită propagării multi-cale, ce provoacă apariţia fading-urilor, datorită combinării subtractive a componentelor provenite din semnalul emis prin reflexie, difracţie , dispersie şi ajunse la receptor cu atenuări şi întârzieri diferite. Are loc o creştere spectaculoasă a ratei erorilor, sau a probabilităţii de eroare, aceasta ajungând să depindă liniar de raportul semnal/zgomot în locul dependenţei exponenţiale obişnuite. Problema combaterii efectului fading este aşadar de o deosebită importanţă. Pentru rezolvarea ei nu se poate folosi orice soluţie, având în vedere că un timp mai mare de procesare digitală a semnalelor ar împiedica realizarea de transmisii multimedia în timp real ( audio şi mai ales video ).  Soluţia actuală se bazează pe posibilitatea de a i se furniza receptorului o serie de

14

semnale independente, ce transportă aceeaşi informaţie. Datorită acestei redundanţe, există posibilitatea ca una sau mai multe replici ale semnalului de informaţie recepţionată să aibă un nivel suficient pentru a asigura o detecţie de calitate, sau să asigure un nivel corespunzător semnalului recepţionat prin combinarea adecvată a acestor replici. Această soluţie, bazată pe introducerea de redundanţă şi crearea deliberată de replici ale semnalului emis este cunoscută sub denumirea de tehnici cu diversitate. Creşterea performanţelor transmisiei şi asigurarea accesului multiplu al utilizatorilor la resursele commune ale sistemului de transmisie face apel la utilizarea eficientă a resurselor si gradelor lor de libertate avute la dispoziţieAceste resurse sunt:

Timpul; Frecvenţa (banda); Codul; Spaţiul.

Primele 3 resurse au condus la sistemele de multiplexare cunoscute ca: 

- FDMA (Frequency Division Multiple Access )- TDMA (Time Division Multiple Access)- CDMA ( Code Division Multiple Access)

Cea de a patra resursă, spaţiul , implică folosirea de antene multiple la emisie şi/sau recepţie şi dă naştere la tehnica SDMA ( Space Division Multiple Access), respectiv la sistemele MIMO ( Multiple Input, Multiple Output). MI se referă la antenele multiple de la emisie şi MO la cele multiple de la recepţie.

15

4. Tehnologia MIMO-OFDM

Tehnica OFDM se potrivește cel mai bine cu tehnologia MIMO. Un studiu efectuat de Nortel Wireless Technology Lab la începutul anului 2005 oferă un exemplu al sinergiei dintre tehnicile MIMO și OFDM. În timpul studiului, un utilizator de telefonie mobilă a avut a avut posibilitatea de a viziona două videoclipuri simultan cu descărcarea unui fișier de 264 MB cu o viteză de 37 Mb/s folosind o bandă PCS standard de 5 MHz. Folosind MIMO-OFDM, descărcarea a fost realizată în mai puțin de un minut față de 90 minute cât ar fi durat folosind rețelele actuale. Viteza este chiar de 10 ori mai mare decât viteza oferită de prima generație de dispozitive HSDPA (3.6 Mbps).

Cererea tot mai mare de servicii multimedia și creșterea conținutului legat de Internet duc la sporirea interesului pentru comunicații de mare viteză. Atât cerința pentru o bandă cât mai largă cât și flexibilitate impun utilizarea unor metode de transmisie eficiente care să se potrivească cu caracteristicile canalelor de bandă largă, în special pentru transmisiuni wireless în care canalul impune o serie de dificultăți. Așa cum am mai afirmat în wireless semnalul se propagă de la emițător la receptor printr-un număr de căi diferite, fenomen denumit propagare multi-cale.

Atenuarea semnalului poate fi diminuată prin diferite tehnici de diversitate. Pentru a obține diversitatea, semnalul este transmis (în mod ideal) prin căi multiple și independente de exemplu în timp, spațiu și frecvență sau combinate în mod constructiv la receptor. MIMO exploatează diversitatea spațială având mai multe antene la transmisie și recepție.

OFDM implementat cu IFFT la transmițător și cu FFT la receptor, convertește semnalul de bandă largă, în N semnale de bandă îngustă astfel încât egalizarea poate fi realizată în domeniul frecvenței.

Folosind pentru modulaţie operaţia IFFT, se alege în mod implicit spaţiul între subpurtătoare astfel încât la frecvenţa unde se realizează evaluarea semnalului recepţionat, toate celelalte semnale sunt nule. Dar ca să se poată păstra ortogonalitatea, trebuie să fie îndeplinite următoarele aspecte:

1. Transmiţătorul şi receptorul trebuie să fie perfect sincronizate. Aceasta înseamnă că amândouă trebuie să adopte aceeaşi frecvenţă de modulaţie şi aceeaşi scală de timp pentru transmisie.

2. Componentele analogice, părţi ale transmiţătorului şi ale receptorului, trebuie să fie de înaltă calitate.

3. Ar trebui să nu apară cai multiple de propagare.

În mod particular ultima condiţie este foarte delicată, atâta timp cât se doreşte combaterea unui canal cu multipropagare, dar există o soluție simplă pentru această problemă. Simbolurile OFDM sunt în mod artificial prelungite prin repeterea periodică a “cozii” simbolului şi precedarea simbolului cu acesta (Figura 9). La receptor acest interval numit

16

interval de gardă Tg trebuie îndepărtat. Cu cât acest interval este mai mare faţă de întârzierea maximă a canalului τmax toate reflexiile simbolurilor precedente sunt îndepărtate iar ortogonalitatea se va păstra. Bineînţeles această soluție nu oferă numai câştig, atâta timp cât porţiunea de timp pentru semnalul util Tb va fi precedată de un interval de gardă, vom pierde portiuni din semnal care nu vor putea fi folosite în transmiterea de informaţii.

Figura 9. Structura temporala a simbolului OFDM

Pe de altă parte, energia transmisă creşte o dată cu creşterea intervalului de gardă în timp ce energia de recepţie ramâne aceaşi pentru că extensia ciclică va fi îndepartată. Aşadar în acest caz va aparea o scădere a SNR. Această problemă a scaderii SNR poate fi rezolvată parţial prin mărirea dimensiunii FFT, care totuşi, printre altele, va afecta senzitivitatea sistemului prin introducerea zgomotului de fază. Folosind o extensie ciclică, eşantioanele necesare pentru a realiza operatia FFT la recepţie, pot fi prelevate oriunde în interiorul extensiei simbolului. Aceasta va oferi imunitate la multipropagare prin introducerea unei toleranţe pentru erorile de sincronizare.

OFDM a fost adoptat în standardele IEEE802.11a LAN și IEEE802.16a LAN/MAN, cunoscute și ca Wi-Fi, respectiv WiMax. Este de asemenea folosit în standardul IEEE802.20a, un standard care se ocupă de menținerea unei conexiuni de bandă largă pentru utilizatorii care se deplasează cu o viteză de până la 96 km/h.

Standardul IEEE802.11a LAN operează la rate de date până la 54 Mb/s (dacă permit condițiile pe canal) cu o spațialitate a canalului de 20 MHz rezultând astfel o eficiență a benzii de 2.7 b/s/Hz. Throughputul real este dependent de protocolul de acces la mediul de transmisiune (MAC). De asemenea, IEEE802.16a operează în multe moduri dependente de condițiile pe canal cu o rată de date ce variază între 4.20 și 22.91 Mb/s într-o bandă tipică de 6 MHz, ceea ce conduce la o eficiență de bandă între 0.7 și 3.82 biți/s/Hz.

17

Figura 10. Throughput pentru sistemele MIMO-ODM

Descoperiri recente în tehnicile MIMO promit o creștere importantă a performanței în ceea ce privește sistemele OFDM. Sistemele de bandă largă MIMO-OFDM cu eficiența benzii de ordinul zecilor de b/s/Hz sunt fezabile pentru mediile LAN/MAN. MIMO-OFDM este în curs de intensiv de investigare, de către cercetători. Deocamdată MIMO-OFDM nu este parte a evoluției formale a sistemelor celulare existente bazate pe standardele 3GPP (UMTS, HSDPA) și 3GPP2 (CDMA 1X, EV-DO).

În momentul de față MIMO-OFDM este considerat un candidat puternic pentru transmisiunile la nivel fizic pentru generația viitoare de sisteme de comunicații wireless. Produsele comerciale care utilizează MIMO-OFDM cu două transmițătoare și trei receptoare, sunt disponibile pentru WLAN (rețea locală wireless) și pot ajunge la o rată de date de 300 Mb/s cu eficiență spectrală de 7.5 b/s/Hz. Grupul ce se ocupă de standardizarea WLAN dorește să ajungă la o eficiență spectrală de 15 b/s/Hz folosind patru antene la transmisie.

5. Modelul sistemului MIMO-OFDM

Structura generală pentru emisie-recepție a MIMO-OFDM este prezentată în Figura 11. Sistemul este compus din N antene la transmițător și M antene la recepție.

18

Figura 11. Emițător-receptor MIMO-OFDM

Se consideră că durata prefixului ciclic este mai mare decât factorul de împrăștiere al canalului.

Prefixul ciclic, care este transmis în timpul intervalului de gardă, constă din sfârşitul simbolului OFDM copiat în intervalul de gardă, iar intervalul de gardă este transmis urmat de simbolul OFDM. Motivul pentru care intervalul de gardă constă din copierea sfârşitului simbolului OFDM este pentru că receptorul va integra peste un număr întreg de cicluri de sinusoide pentru fiecare multicale când se realizează demodularea OFDM cu FFT.

Introducerea prefixului ciclic are următoarele efecte:

- adăugarea acestuia creează un spaţiu de gardă între două simboluri consecutive în domeniul timp, asigurând reducerea ISI în domeniul timp. ISI va afecta doar acest prefix ciclic, care la recepție va fi eliminat, şi doar eşantioanele utile ale simbolului vor intra în blocul de demodulare. Așadar durata prefixului ciclic trebuie să fie mai mare decât durata răspunsului la impuls a canalului pentru a se elimina ISI în domeniul timp.

- prefixul ciclic este folosit la sincronizarea tactului de simbol şi a tactului de eşantionare, precum şi la egalizarea în domeniul timp; apoi prefixul ciclic este eliminat, nefiind folosit la demodulare.

Figura 12. Prezenta/absenta prefixului ciclic

19

Semnalul OFDM pentru fiecare antenă este obținut prin utilizarea transformatei Fourier rapide inverse (IFFT) și poate fi detectat de transformata Fourier rapidă (FTT).

5.1 Transmiţătorul

Un purtător de semnal OFDM este suma unor sub-purtătoare ortogonale, cu date în banda de bază pe fiecare sub-purtătoare, fiind independent modulate utilizând unul din tipurile de modulaţie de amplitudine în cuadratură (QAM) sau cu deplasare în fază (PSK). Acest semnal în banda de bază compus este de obicei utilizat pentru a modula o purtătoare RF principală.

Fig. 13 Schema transmiţătorului OFDM

S[n] este un flux serial de date binare. Prin multiplexare inversă, acestea sunt întâi demultiplexate în N şiruri paralele şi fiecare este mapat pe un simbol utilizând una din constelaţiile de modulaţie QAM, PSK , etc. De notat faptul că, constelaţiile pot să difere, astfel unele fluxuri pot avea o rată de bit mai ridicată decât celelalte.

5.2 Receptorul

FFT inversă este realizată pe fiecare set de simboluri, rezultând un set complex de probe în domeniul timp. Aceste probe sunt apoi mixate în cuadratură la o bandă de trecere pe cale standard. Componentele reale şi imaginare sunt mai întâi convertite digital-analogic utilizând convertoare digital-analogice (DAC). Semnalul analogic este apoi utilizat pentru a modula undele sinus şi cosinus la frecvenţa purtătoare fc. Aceste semnale sunt apoi însumate pentru a da semnalul de transmisie s(t).

20

Fig. 14 Schema receptorului OFDM

Receptorul primeşte semnalul r(t), care este apoi mixat în cuadratură până la banda de bază utilizând semnalele sin şi cos la frecvenţa purtătoare. Aceasta creează de altfel semnale centrate pe frecvenţa 2fc, deci trebuie utilizate filtre trece jos (FTJ) pentru a rejecta aceste componente. Semnalele din banda de bază sunt apoi eşantionate şi digitizate utilizând convertoare analog-digitale (ADC), iar FFT este utilizată pentru conversia înapoi în domeniul frecvenţă. Aceste N fluxuri paralele returnate, fiecare din ele este convertit într-un şir binar utilizând un detector de simbol. Aceste fluxuri sunt apoi re-combinate într-un flux serial s[n], ceea ce este o estimare a şirului de biţi original de la transmițător.

5.3 Modelul matematic

Simbolul MIMO-OFDM recepționat de pe a n-a subpurtătoare și al m-lea simbol OFDM al antenei i de recepție după FFT poate fi scris ca:

Ri [n,m]= ∑j=1

N

H i,j [n,m]Aj[n,m]+Wi[n,m], i=1,2,....,M (1)

unde:

Aj[n,m] este simbolul de date transmis pe cea de-a n-a purtătoare și m indică simbolul OFDM

Wi[n,m] reprezintă contribuția zgomotului aditiv la antena de recepție i pentru simbolul corespunzător în frecvență

Hi,j[n,m] este coeficientul canalului în domeniul frecvență cuprins între antena j de transmisiune și antena i de la recepție.

Coeficienții canalului în domeniul frecvență sunt obținuți ca și combinații liniare a canalelor dispersive.

H[n,m]= ∑i=0

I−1

hi[m]exp(-j2πin/T) , n=0,1,..., N-1 (2)

21

Unde I este numărul de canale derivate în domeniul timp și h[m] este modelat ca un proces Gaussian aleator independent de medie zero. Răspunsul la impuls a canalului Rayleigh poate fi exprimat ca

h(t, ) = ∑i=0

I−1

hi [t](-i(t)) (3)

unde:

hi este câștigul derivației

i este timpul de întârziere asociat cu cea de-a ia derivație. Această întârziere poate fi considerată invariabilă în timp.

Răspunsul canalului la impuls este admis ca fiind static peste durata unui simbol OFDM pe canal Tcanal = T+T’, unde T este durata simbolului OFDM și T’ este durata prefixului ciclic. Aceasta corespunde unui canal cu variație lentă unde timpul de coerență este mai lung decât durata simbolului pe canal. Această presupunere împiedică apariția interferenței inter-purtătoare (ICI).

Matricea canalului, H, e de dimensiune NxM, unde un termen corespunde celei de-a na subpurtătoare și celui de-al m simbol OFDM.

Figura 15. Matricea canalului

H1,1[n,m] H1,2 [n,m] ⋯ H1,N[n,m]

H = H2,1[n,m] H2,2[n,m]⋯ H2,N[n,m] (4)

⋮ ⋮ ⋱ ⋮

22

HM,1[n,m] HM,2[n,m] HM,N[n,m]

5.4 Analiza performanței

Dacă se iau în considerare simbolurile de date recepționate de la toate antenele, expresia simbolului de date recepționat poate fi reprezentat sub formă matriceală astfel:

R⃗[n,m]=H[n,m] A⃗[n,m]+W⃗ [n,m] (5)

unde A⃗[n,m]=[A1[n,m] A2[n,m]… AN[n,m]]T (6)

și R⃗[n , m ]=[R1[n,m] R2[n,m]⋯ RM[n,m]]T (7)

sunt vectorii Nx1 și Mx1 ai datelor transmise și recepționate. Pentru a obține simbolurile datelor transmise ecuația (5) trebuie să fie rezolvată. Această ecuație asigură egalizarea MIMO-OFDM.

A⃗ [n , m ]= H [n , m ]-1(R⃗[n , m ])+W [n ,m ]) (8)

Această egalizare funcționează bine în cazul în care nu există interferența simbolurilor (ISI), interferența inter-purtătoare (ICI) și zgomotul este redus. În prezența ISI și ICI semnalul recepționat poate fi scris ca în

R⃗[n , m ] = ∑j=1

N

R j,iU[n,m] + ∑

j=1

N

R j,iICI[n,m] + ∑

j=1

N

R j,iISI[n,m] + Wi[n,m]

= C(k) + I (k) (9)

unde:

C(k)= ∑j=1

N

R j,iU[n,m] reprezintă semnalul MIMO-OFDM transmis

I(k)= ∑j=1

N

R j,iICI[n,m] + ∑

j=1

N

R j,iISI[n,m] + Wi[n,m] reprezintă rezultatul datorat

interferențelor

Puterea utilă, PU, și puterea interferențelor, Pi, pot fi exprimate astfel:

PU = ⌊E ¿¿ |C (k )|2¿

PI = ⌊E ¿¿ |I (k )|2¿

23

Parametrul CIR (Carrier to Interference Ratio) este definit ca raportul dintre puterea semnalului purtător de semnal și puterea interferențelor; este un indicator al eficacității de semnalizare. Din punct de vedere matematic, poate fi definit astfel:

CIR= PU/ PI= ⌊E ¿¿ |C (k )|2¿ / ⌊E ¿¿ |I (k )|2¿ (10)

Probabilitatea de eroare pe bit, BER (Bit Error Rate), a unui sistem OFDM ce implică QAM poate fi dedus din CIR astfel:

Pb = (3/8)⌊1−(1/√1+5 /(CIR/2)) ⌋ (11)

6. Implementarea simulării

Simularea canalului permite examinarea caracteristicilor rețelelor de wireless comune cum ar fi zgomotul, propagarea multicale. Zgomotul simplu este simulat prin adăugarea de date aleatoare în semnalul de la emisie. Simularea propagării multi-cale implică introducerea unor copii atenuate și întârziate a semnalului transmis peste semnalul original. Deși OFDM previne cu succes apariția ISI, nu elimină problema atenuării. Folosind codarea și întrețeserea între domeniul timpului și frecvenței, datele transmise pot fi protejate. Îmbunătățiri viitoare pot fi obținute prin alte tehnici avansate, cum ar fi alocarea puterii și modulația adaptivă.

6.1 Simulare

Pentru a realiza simularea conceptului MIMO-OFDM se va folosi Simulink (acesta este integrat cu MatLab). Am ales simularea unui standard IEEE, și anume IEEE802.11n. În acest sens am folosit modelul prezentat pe site (www.mathworks.com).

Modelul reprezintă layerul fizic al IEEE802.11n. Ratele de date incluse în simulare sunt 6, 9, 12, 18,24, 3, 48 și 54 Mb/s. Schemele de modulare ce pot fi folosite sunt BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. În ceea ce privește OFDM această tehnică suportă o bandă de 20 MHz, are 52 de purtătoare, 64 de puncte FFT și prefix circular. Detecția MIMO se realizează uilizând un detector linear MMSE. Decodarea utilizată este Viterbi (se realizaeză decodarea unui șir de biți care au fost codați folosind FEC bazându-ne pe un cod convoluțional). Modelul canalui este TGn.

Ipotezele simplificatoare ale modelului sunt:

1. Nu se realizează conversii RF, semnalele se află în banda de bază2. Transmisiunea datelor este aleatoare, așadar nu apare un scrambler în schemă3. Pachetele au un număr fix de simboluri de date4. Nivelul puterii transmise este constant

24

5. Achiziția se realizează în mod ideal

Blocurile folosite au diverse culori după cum urmează

1. Albastru - blocuri de sisteme de comunicații2. Portocaliu – controlul sistemelor/ semnalelor3. Verde - Măsurarea semnalului/ performanțelor4. Galben - Grafice și afișaj5. Gri - Setări și documentație

Setările pentru care s-a realizat simularea se află în blocul gri, Simulation Settings, și sunt:

Numărul de antene la emisie: 2

Numărul de antene de la recepție : 2

Schema de modulație 15

Blocul de informații utile are 1000 Bytes

Blocul roz din schemă a cărui culoare nu se regăsește în legendă este o sursă de date cu rată variabilă. În sistemele de comunicație există posibilitatea ca sursele să fie realizate din mai mult de o sursă. Sursele pot fi surse de date, zgomot sau surse controlate. Sursele generează date într-un mod aleator sau pseudo-aleator. Blocul din figură este un Generator Binar Aleator Bernoulli, acesta utilizează o distribuție Bernoulli. Biții 0 și 1 sunt produși alternativ, acessta generează un semnal de ceas și activează procesul de sincronizare.

25

802.11n TGn Joint Proposal

%

SNR SS1 dB

PER

Double click to see documentation

and color legend

Double click to set simulation parameters

SNR SS2

dB

SNR SS3

dB

SNR SS4

dB

Mb/s

Bit Rate

MIN SNR

dB

SNR SS1

% Done

PER Graph

Double click to set PER test parameters

Legacy / HTPreamble

Training

Constellation

DisassembleOFDM Frames

Remove CyclicPrefix

Remove CyclicPrefix

Remove CyclicPrefix

Remove CyclicPrefix

Add CSD2,Cyclic Prefix

Add CSD2,Cyclic Prefix

Add CSD2,Cyclic Prefix

Add CSD2,Cyclic Prefix

PER TestSettings

SimulationSettings

IFFT

IFFT

IFFT

IFFT

FFT

FFT

FFT

FFT

TGn ChannelModel

RemoveZeros

RemoveZeros

RemoveZeros

RemoveZeros

STBC+

CSD1

SNR MultiportSwitch

Packet Error RateCalculation

Draw PERCurve

MultiportSwitch3

MultiportSwitch2

MultiportSwitch1

MultiportSwitch

MultiplexOFDM Frames

MultiplexOFDM Frames

MultiplexOFDM Frames

MultiplexOFDM Frames

ModulatorBank

SNREstimation

MIMODetection

SignalVisualization

Double click toopen/close

[prerxg][postrxg]

[estSNRdB]

[eqresp] [magresp]

[txbits]

[mode]

[rxbits]

[mode]

[mode]

[rxbits]

[txbits]

[mode]

[rxbits]

[mode]

[txbits]

[eqresp]

[estSNRdB]

[postrxg]

[prerxg]

[magresp]

[mode]

Power Spectrum Power Spectrum

DOC

DemultiplexOFDM Frames

DemultiplexOFDM Frames

DemultiplexOFDM Frames

DemultiplexOFDM Frames

DemodulatorBank

1

Debug Ant.

Variable-RateData source

AssembleOFDMFrames

AntennaMap

AdaptiveModulation

Control

Figura 16 Schema IEEE802.11n folosind Simulink

26

Blocurile din schemă prezintă o casetă cu parametrii săi de dialog, în care putem seta parametrii doriți de noi în simulare.

În timpul simulării în blocurile galbene apar valori calculate la momentul de timp respectiv.

6.2Rezultate

După ce se va realiza simularea, datele obținute vor putea fi incluse în setul de grafice din figura 12.

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20Equalized power spectrum (dB)

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20RX power spectrum (dB)

10-4

10-3

10-2

10-1

BER (per packet)

0

100

200

300

Bit rate (Mb/s)

0

10

20

30

40

50

60

SNR (dB)

-1 0 1

-1

0

1

Equalized signal

-2 -1 0 1 2

-2

-1

0

1

2

Unequalized signal

0 5 microsec

TX Data

Figura 17. Rezultatele simulării

27

7. Concluzii

Este evident că apetitul pentru comunicații wireless de bandă largă este abia la început și

acest domeniu se va dezvolta din ce în ce mai mult în următorii ani. În zilele noastre în Statele

Unite ale Americii numărul de laptopuri vândute îl depășește pe cel al desktopurilor. Dacă acest

trend continuă utilizatorii vor avea nevoie de servicii wireless de bandă largă oriunde s-ar afla :

acasă, la serviciu sau pe drum.

Wi-Fi și rețelele celulare de mare viteză care sunt deja implementate satisfac parte din

aceste nevoi, dar tehnica OFDM-MIMO, utilizată de WiMax 802.16e sau 802.11n, este

tehnologia necesară pentru a avea servicii wireless de bandă largă scalabile și economice.

Scalabilitatea oferită de aceste tehnologii devine importantă cu adevărat atunci când MP3

playerele, PDA-urile, jocurile portabile și alte device-uri portabile vor fi echipate să ofere

servicii wireless, oferindu-le utilizatorilor conexiune de bandă largă oriunde s-ar afla.

Folosind analogia cu o autostradă, dacă industria wireless grăbește implementarea

tehnologiei MIMO-OFDM, aplicații remarcabile (ce pot fi asemănate cu automobilele) vor fi

puse la dispoziția utilizatorilor și astfel aceștia vor ajunge în locuri noi mai rapid și mai eficient.

Astfel MIMO-OFDM reprezintă tehnologia cheie pentru a atinge potențialul oferit de

comunicațiilewireless.

Dintre avantajele introduse de MIMO-OFDM putem enumera:

6. Interferențe reduse

7. Câștig în diversitate

8. Creșterea capacității

9. Eficiența puterii

10. Câștigul în ceea ce privește utilizarea benzii

Dezavantajele majore constau în:

1. Spațialitatea antenelor trebuie să fie în strânsă legătură cu tipul canalului utilizat

2. Emițător și receptor foarte complicate

28

8. Direcții viitoare de cercetare

Un prim pas în viitor îl constituie studiul aprofundat al implementării MIMO-OFDM în

tehnologia WiMax.

Reţelele de tip wireless au cunoscut o dezvoltare semnificativă pe plan mondial, ele reprezentând o soluţie alternativă legăturilor terestre.

Mai multe companii românesti de operatori de comunicaţii ofera deja furnizorilor de servicii solutii de conectivitate wireless dintre cele mai performante.

Furnizorii de servicii Internet sunt si ei interesaţi in migrarea unor servicii adiacente către tehnologia wireless.

În prezent există mai multe moduri de a capta datele din eter: Wi-Fi, Bluetooth, GPRS, 3G. Dar acestora li se adaugă o nouă tehnologie care poate capta datele de şapte ori mai repede şi de o mie de ori mai departe decît populara tehno-logie Wireless Fidelity, sau Wi-Fi. În timp ce Wi-Fi are o rază de acţiune de aproximativ 30 m, WiMax utilizează o tehnologie de microunde radio care creşte distanţa la aproximativ 50 km. Aceasta înseamnă că ar putea fi folosită ca o alternativă la firele de cupru şi cablul coaxial pentru conectarea la Internet. Accesul la informaţia globală constituie o sursă de bogăţie la scară locală, prin creşterea productivităţii muncii bazate pe accesul la cvasitotalitatea informaţiilor disponibile în lume în legătură cu activitatea prestată. Totodată, reţeaua devine mai valoroasă pe măsură ce tot mai mulţi oameni se leagă la ea.

Acestea nu ar fi posibile fără implementarea OFDM.

Direcții viitoare de cercetare pot fi:

1. Aplicarea CDMA în MIMO-OFDM:

Alături de OFDM poate fi implementată a altă tehnologie COFDM (Coded Frequency Division Multiplexing). Metodată OFDM Codată este folosită pentru a înlătura fadingul selectiv în frecvență.

2. OFDMA

La fel ca şi în cazul OFDM, OFDMA asigură multiple sub-purtătoare apropiate, dar sub-purtătoarele sunt divizate în grupuri de sub-purtătoare.

3. Algoritmi pentru selectarea antenelor MIMO

4. Eliminarea interferențelor și scăderea toleranței față de zgomot

5. Dezvoltarea unor tehnici e estimare a canalului MIMO

29

9. Bibliografie

1. www.mathworks.com

2. Bănică Ion, Comunicații de date

3. Ye (Geoffrey) Li, Gordon Stuber, Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications

4. Rajan Ratti S/O Satya Nand, Simulation and Performance of MIMO-OFDM

5. Smart Antenna Research Laboratory, OFDM Simulation using MatLabS

6. http://www.mimo.ucla.edu/summaries/INTRO_MIMO&OFDM.pdf

7. http://www.pwtc.eee.ntu.edu.sg/Research/Pages/research_projects_mimo.aspx

8. http://connectedplanetonline.com/wireless/technology/mimo_ofdm_091905/

9. http://en.wikipedia.org/wiki/MIMO

10. http://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiplexing

11. http://hubpages.com/hub/mimo-ofdm

12. http://www.wave-report.com/tutorials/OFDM.htm

13. http://wcsp.eng.usf.edu/papers/ozdemir_papers/Kemal_WAMI04.pdf

14. http://www.ict.csiro.au/staff/iain.collings/publications/ ToAppear_JSAC_Transmitter_noise_effect_CameraReadyPageProofs.pdf

15. http://www.ijest.info/docs/IJEST10-02-07-94.pdf

16. http://iaf-bs.de/projects/gigabit-mimo-ofdm-testbed.en.html

17. stst.elia.pub.ro/RIC/Teme_RIC_2007_8/AdrianRisco/WiMAX.doc

30