ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

Desarrollo del Simulador para un modelo de propagación del análisis de cobertura en

conformidad con el estándar IEEE 802.16-2009 (Fixed Wireless MAN OFDM)

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

JAIME LEONARDO JARRÍN VALENCIA

PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERÍA

2012

Agendaa) Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos

a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)

b) Modelo Matemáticoc) Canal Inalámbrico

c) Resultadosd) Simuladore) Gráficas Obtenidas

d) Conclusiones y Recomendaciones

Antecedentes La tecnología de redes

inalámbricas de banda ancha que está revolucionando es WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), el cual es un sistema que permite la transmisión inalámbrica de voz, datos y video en áreas de hasta 48 km de radio (zonas rurales).

Su importancia radica en presentarse como una alternativa inalámbrica al acceso de banda ancha ADSL o fibra óptica, y una forma de conectar nodos Wi-Fi en una red de área metropolitana (WMAN).

AlcanceEstudio del estándar IEEE 802.16-2009• Análisis de la capa física Fixed Wireless MAN OFDM

Estudio del Modelo de propagación• Comprensión y análisis del modelo de propagación

propuesto.Implementación• Implementación del estándar IEEE 802.16-2009 en

lenguaje de programación de MATLAB.Obtención de Resultados• Obtención de gráficas de pérdidas del canal, BER.• Convalidación del Modelo de propagación.

Objetivo GeneralImplementar un modelo de

propagación en un simulador para el análisis de la capa física Fixed Wireless MAN OFDM en conformidad con el estándar IEEE 802.16-2009 .

Objetivos

Específicos

Analizar la capa física específica

para Fixed WirelessMAN

OFDM del estándar IEEE 802.16-2009

Analizar el modelo

matemático del modelo de

propagación propuesto por Yon Soo Cho y Won Yon Yang

Realizar un código en MATLAB que

permita simular en función de una

señal de entrada, potencia de transmisión, ganancia de

antenas, pérdidas en el canal y

obtener una señal resultante de la

transmisión.

Realizar un código en MATLAB que permita obtener gráficas de las

pérdidas del canal en función de la

distancia

Realizar comparaciones

entre las modulaciones definidas en el estándar IEEE

802.16-2009 para determinar su

eficiencia y desempeño

Convalidar el modelo matemático propuesto con otros modelos ya

existentes..


a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)

b) Modelo Matemáticoc) Canal Inalámbrico



Fixed WirelessMAN OFDM

Características

Uso de OFDM Únicamente

disponible para

enlaces punto a punto.

Soporte de las

frecuencias de 2 hasta

11 GHz.

Ambientes LOS y NLOS.

FTT de tamaño

256.

Modulaciones BPSK,

QPSK, 16QAM y 64QAM.

Diversas tasas de

codificación de canal.

Soporte de varios BW

(desde 1.25MHz)

Esquema Básico de Tx y Rx Transmisor

Receptor

Codificador de Canal (I)

• Tasa de código nativa=1/2

• Longitud de palabra=7• Polinomio Generador:

Ratas de CodificaciónOut 1/2 2/3 3/4 5/6X 1 10 101 10101Y 1 11 110 11010

XY X1Y1 X1Y1Y2 X1Y1Y2X3 X1Y1Y2X3Y4X5

Proceso ‘Punctured’

• Codificador Convolucional

Codificador de Canal (II)• Codificación Concatenada RS-CC

• Interleaver

• Constelaciones usadas (Modulador)

Generación del Símbolo OFDM

Prefijo Cíclico

Tg: Tiempo de GuardaTb: Tiempo útil de símboloTs: Tiempo de Símbolo

Inmunidad al

Multicamino


a) Estándar IEEE 802.16-2009 (FWM OFDM)b) Modelo Matemático del modelo de

propagaciónc) Canal Inalámbrico



Modelo Matemático del modelo de propagación (I)

Modelo Matematico del Modelo de Propagación(II)Coeficiente de correlación de la

frecuencia

Coeficiente de correlación de la antena receptora

Distancia de Referencia modificada






Presupuesto de Enlace (Link Budget)

Relación entre la Prx y la Eb/No Relación Señal a Ruido

B: Ancho de banda en HzK: Constante de Boltzman 1,380x10-23

Energía de Bit con relación a la densidad espectral de potencia de ruido

Fs=floor(n.BW/8000)x8000∆f=Fs/NFTTTb=1/∆fTg=GxTb Tsym=Tb+TgTsam= Tb/NFTT

Parámetros definidos en el Estándar

Diseño del Canal Inalámbrico

Ruido AWGN

Caso BPSK






Simulador

Ventana de presentación

Menú de Opciones

Caso 1: Simulación con una ráfaga de Bits

Caso 2: Simulación con una señal de Audio

Caso 3: Obtención de la gráficas de pérdidas de canal en función de la distancia

Caso 4: Obtención de gráficas de BER Vs Eb/No

Caso 5: Obtención de la gráfica BER Vs PTx

Caso 6: Obtención de Gráficas Ptx Vs Eb/No






Pérdidas del Canal

100

101

102

103

104

40

60

80

100

120

140

160

180

200Modelo de Yon Soo Cho, fc=3.5GHz

Distancia[m]

Pat

hlos

s[dB

]

htx=20 [m],hrx=10[m], terreno=A

100

101

102

103

104

40

60

80

100

120

140

160

180

200Modelo de Yon Soo Cho, fc=3.5GHz

Distancia[m]

Pat

hlos

s[dB

]

htx=20 [m],hrx=10[m], terreno=A

Sin corrección de Shadowing Con corrección de Shadowing

Pérdida a 5Km=165.6dBPérdida a 5Km=169.6dB3.7dB

Simulación con una señal de Audio

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1Señal Analóga

x/8000 s

Am

plitu

d

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000

50

100

150

200

250

300Señal Cuantizada PCM 8 bits

Am

plitu

d

x/8000 s

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180000

50

100

150

200

250

300Señal Recuperada

x/8000 s

Am

plitu

de

Señal Analógica

Valores referidos a:d=5KmPtx=0.251[W]modulación: 64QAM 3/4htx=20mhrx=10mGtx=17=Grxf=3.5GHzBW=3.5MHzPérdidas adicionales=2.8dB

Obtención del BER G=1/16 (1)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-10

-5

0

5

10

15

20

25

30Ptx Vs Eb/N0 G=1/16, BW=3.5GHz

Ptx [W]

Eb/

N0

[dB

]

BPSK 1/2QPSK 1/2QPSK 3/416QAM 1/216QAM 3/464QAM 2/364QAM 3/4

0 2 4 6 8 10 12 1410

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/No [dB]

BE

RBER vs Eb/No G=1/16

BPSKQPSK1/2QPSK 3/416QAM 1/216QAM 3/464QAM 2/364QAM 3/4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Eb/No [dB]

Pb

erro

r

BER vs Eb/No G=1/16


Obtención del BER G=1/16 (II)

Valores referidos a:d=5Kmhtx=20mhrx=10mGtx=17=Grxf=3.5GHzBW=3.5MHzPérdidas adicionales=2.8dB

Resultado Ptx Vs. Eb/No

Obtención del BER G=1/32 (1)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Eb/No [dB]

Pb

erro

r

Pb error vs Eb/No G=1/32


0 2 4 6 8 10 12 1410

-3

10-2

10-1

100

Eb/No [dB]

BE

RBER vs Eb/No G=1/32


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-10

-5

0

5

10

15

20

25

30Ptx Vs Eb/N0 G=1/32, BW=3.5MHz

Ptx [W]

Eb/

N0

[dB

]

BPSK 1/2QPSK 1/2QPSK 3/416QAM 1/216QAM 3/464QAM 2/364QAM 3/4

Obtención del BER G=1/32 (1I)

Valores referidos a:d=5Kmhtx=20mhrx=10mGtx=17=Grxf=3.5GHzBW=3.5MHzPérdidas adicionales=2.8dB

Resultado Ptx Vs. Eb/No

Pruebas de eficienciaSe realizó la comparación enviando

una señal de audio de 2.13 s

Menor potencia – Mayor número de símbolos

Mayor potencia – Menor número de símbolos

Convalidación del Modelo de Propagación.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-50

0

50

100

150

200Comparación Pérdidas de Propagacion, fc=3.5GHz, htx=20 [m],hrx=10[m], terreno=A

Distancia[m]

Pat

hlos

s[dB

]

Modelo de Yon Soo ChoEspacio LibreModelo del Sui

Modelo Pérdida a 5Km

Diferencia

Yon Soo Cho 165.94 dB ----

SUI 171.74 dB + 5.8 dB

Espacio Libre 117.3 dB - 48.64 dB






Conclusiones (I)

El modelo de propagación de Yon Soo Cho es válido únicamente en ambientes rurales donde la densidad de obstáculos es menor a la presentada en los ambientes urbanos.

Las mediciones resultantes de la red WiMAX de AT&T indica que en ambientes rurales existen menores pérdidas de propagación debido a la menor cantidad de obstáculos comparándolo con las zonas urbanas, por ello su valor de corrección, reduce las pérdidas del modelo de propagación.

Un mayor orden de modulación provoca que se necesite un número menor de símbolos para transmisitir la misma cantidad de información, permitiendo que se alcancen mayores tasas de transmisión; así se determina que de los casos de simulación , las modulaciones 16QAM ¾ y 64QAM 2/3 son las más eficientes al presentar un equilibrio entre protencia de transmisión y costo computacional.

Conclusiones (II)

El valor de prefijo cíclico (G) no presenta una ventaja mayor sobre canales inalámbricos únicamente con shadowing; su principal objetivo es para evitar la ISI en canales con mayores incidencias.

En las gráficas no se puede obtener valores de BER hasta 1x10-6 esto se debe a que al simular los ambientes reales, se alcanza la Eb/No necesaria para un BER=0, y al ser una gráfica semi-logarítmica no se puede graficar estos valores; Sin embargo, con el último valor de Eb/No graficado es posible conocer el BER máximo.

El modelo de Yon Soo Cho al ser contrastado con el de SUI, presenta una diferencia de 5.8dB menos, esto ratifica que el factor de corrección de shadowing AT&T es para ambientes rurales ya que hace que se tengan menores pérdidas de propagación, debido a que SUI está diseñado para ambientets urbanos.

Recomendaciones

Se debe seguir todas las indicaciones del estándar IEEE 802.16-2009 para lograr una adecuada implementación sin errores.

A pesar de alto costo computacional que produce el randomizador, su uso es fundamental, para evitar que largas cadenas de unos o ceros afecten el comportamiento de lo siguientes codificadores.

Se recomienda que a futuro se de continudad a este trabajo, modificando la parte del codificador de canal y reemplazando el codificador concatenado por un código Turbo, para reducir la cantidad de errores en la comunicaciones, reducir la potencia de transmisión necesaria y optimizar el sistema.

Es posible mejorar la eficiencia del decodificador de canal, reemplazando el demodulador y el decodificador de viterbi hard, por un decodificador de viterbi soft; estimando los bits que resultaron elimindos de la puntuarización.

GRACIAS!!!

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

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