Mérési útmutató az Újgenerációs hálózatok szakirány Labor 1 méréseihez OFDM mérés Mérés helye: Hálózati rendszerek és Szolgáltatások Tanszék Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium I.B.113. Összeállította: Dr. Jeney Gábor, Tudományos főmunkatárs Jakó Zoltán, PhD hallgató Utolsó módosítás: 2013. szeptember 02. 1
1. Bevezetés Az OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) napjaink talán legelterjedtebb többvivős multiplexálási eljárása. Alkalmazzák mobil hálózatokban (3GPP-LTE, WiMax), vezeték nélküli LAN hálózatokban (IEEE 802.11a, g, n és HIPERLAN/2), multimédiás szolgáltatásoknál (DVB és mobile TV, digitális rádió), stb. Ezért nélkülözhetetlen, hogy a jelenleg mobil hírközléssel foglalkozó hallgatók ismerjék a rendszer főbb elemeit és azok működését. Ezen mérés célja, hogy a ortogonális frekvenciaosztásos rendszerekről elviekben elsajátított ismereteket szimulációs környezetben megvizsgáljuk ezzel könnyebbé téve a működési elv megértését. 2. A mérésekről általában A mérések eszköze a számítógép. Semmi más nem szükséges a mérések elvégzéséhez (nem kell papír, se írószer, se vonalzó se számológép). A mérést a System View szimulációs programmal végezzük, a jegyzőkönyv készítéséhez pedig a Libre office aktuális verzióját kell használni, mely utóbbinak felhasználói szintű ismeretét feltételezzük minden egyes hallgatóról. A számítógépbe való bejelentkezéshez használja a mcl / mcl felhasználónév és jelszó párost. Bejelentkezést követően indítsa el a System View programot, valamint a labor oldaláról nyissa meg a mérési útmutatót (vagy akár az otthon kinyomtatott példányát is használhatja). A méréshez használható jegyzőkönyv sablont is a labor weboldalán találja. A méréshez a Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium hallgatói számítógépeit kell használni, melyek a laborba bejáratánál elhelyezkedő asztalon lévő fekete színű számítógépeket jelölik. A gépeken Windows 7 operációs rendszer fut. 3. OFDMA elméleti összefoglaló Az OFDM egy speciális változata a frekvenciaosztásos multiplexelés rendszereknek (FDM). Ebben a rendszerben keskenysávú alvivőket (subcarrier) használnak. Az alvivők száma a rendelkezésre álló sávszélesség függvénye, néhány száztól akár több ezerig is terjedhet. Az alvivőket úgy választjuk meg, hogy frekvenciatartományban ortogonálisak legyenek egymásra. Az ortogonalitás miatt a kereszt (a vivők közti) interferencia (Inter Carrier Interference - ICI) zéró és még védősávokra sincs szükség. E tulajdonság nagyon megkönnyíti az ilyen rendszerek implementációját (adó és vevő oldalon egyaránt), hiszen nincs szükség vivő szűrőkre, mint a hagyományos FDM rendszerekben. Az ortogonalitás megköveteli, hogy az alvivők közti frekvenciasáv legyen, ahol a modulációs szimbólumidő. A 3GPP LTE-re vonatkozó szabványában ezt az alvivő távolságot 15kHz-re választották. Tanulmányainkból ismerjük, ha egy idő tartományban négyzet alapú impulzust használunk akkor a frekvenciatartományban alakú függvényt kapunk: 2
1. ábra: egy alvivő idő- és frekvenciatartományban Ha N db alvivőt használunk akkor az adatátvitelhez szükséges sávszélesség (Hz). 2. ábra: Az OFDM alvivők spektruma Az ortogonalitás miatt nagy spektrális hatékonyság érhető el és a teljes frekvenciasávot kihasználható. Ugyanakkor az OFDM rendszerekben nagyon pontos frekvencia szinkron szükséges a vevő és adó között, hiszen a frekvenciacsúszás miatt megbomlik az alvivők ortogonalitása és a vivők közti interferencia (ICI) megnövekszik. Frekvencia ofszetet az adó és vevőben lévő oszcillátor pontatlansága vagy Doppler csúszás okozhat. A mozgás miatti doppler csúszást a vevőben kompenzálni kell. A többutas terjedésből adódó frekvencia szelektív fading is elronthatja az alvivők közti ortogonalitást. Ennek kiküszöbölésére a gyakorlatban ciklikus előtagot (prefixet) alkalmaznak. 3.1. OFDM adó felépítése Ebben az alfejezetben azt nézzük meg, hogy néz ki egy OFDM modulátor elvi felépítése. 3
3. ábra: Az OFDM modulátor (elvi) felépítése Az OFDM modulátor a bejövő modulált (QPSK,QAM) szimbólumokat ( ) egy soros - párhuzamos átalakítás után modulálja az adott alvivő frekvenciájával, majd az így kapott jelfolyamot összeadja, így jön létre az OFDM jel komplex alapsávi jel az intervallumban:, (1) ahol a k. modulált alvivő frekvenciával. az általános komplex, modulációs szimbólum a k. alvivőn. Az OFDM átvitelénél darab modulált szimbólumot párhuzamosan sugározza ki. A modulációs szimbólum lehet bármilyen modulációs ábécé-ből pl. QPSK, 16-QAM vagy 64-QAM. Tudjuk, hogy és modulált OFDM alvivő ortogonális az intervallumon ezért:, ha. Vagyis nincs áthallás a két alvivő között. 3.2 OFDM vevő felépítése Az OFDM demoduláláshoz darab korrelátorra lesz szükség a vevőben (minden alvivőre egy darab). A bejövő jelet lekeverjük az frekvenciáról, majd a korrelátor segítségével visszakapjuk az eredetileg küldött modulált szimbólumokat. 4
4. ábra: Az OFDM demodulátor (elvi) felépítése 3.3 FFT/IFFT alapú OFDM adó/vevő felépítése Eddig megismerkedtünk az OFDM modulátor és demodulátor elvi felépítésével. A valóságban ugyanakkor darab korrelátor implementálása a vevőben meglehetősen komplikált lenne (főleg ha több ezer alvivős rendszerünk van). Helyette a jelfeldolgozási szempontból hatékony és könnyen implementálható Fast Fourier Transform (FFT) algoritmust használják. Vegyünk egy mintavételezett OFDM jelet ( ), ahol a mintavételi frekvencia az alvivő frekvenciaköz többszöröse legyen:. N értékét úgy kell megválasztani, hogy a mintavételi tétel teljesüljön. Tekintettel arra, hogy az OFDM jel nominális sávszélessége, -nek nagyobbnak kell lennie -nél. Ezzel a feltételezéssel az (1) képlet időben diszkrét (mintavételezett) alakja:, (2) ahol Tehát mintavételezett OFDM jel egy N méretű Inverz Diszkrét Fourier transzformációja (IDFT) az modulációs szimbólumoknak, plusz kiegészítve a maradék szimbólumokat 0-val egészen -ig. Ha N értékét 2 hatványának választjuk akkor IDFT lecserélhető a gyorsabb Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) algoritmusra. A transzformáció elvégzése után -ből egy Digital-analóg átalakítás után ismét analóg (OFDM) jelet kapunk. 5
5. ábra: Az OFDM modulátor IFFT-vel Az hányados egy tipikusan nem egész szám. Például LTE esetében, 10MHz-es sávszélesség esetén. Az IFFT mérete legyen például, tehát a mintavételi frekvencia Hasonlóan a demodulátor is felépíthető DFT ill. FFT segítségével: 4. Ellenőrző kérdések 6. ábra: Az OFDM demodulátor FFT-vel 1. Mi az OFDM rendszerek előnye(i), hátránya(i)? 2. Rajzolja le és magyarázza el az OFMD adó elvi felépítését! 3. Rajzolja le és magyarázza el az OFMD vevő elvi felépítését! 4. Ismertesse az FFT algoritmussal megvalósított OFDM adó vevő elvét! 5. Bizonyítsa be, hogy és modulált OFDM alvivő ortogonális az intervallumon! 6
5. Mérési feladatok 1. Készítse el az OFDM (elvi) adóját! Az alvivők száma 5 legyen, frekvenciájuk 100, 110, 120, 130 és 140 Hz legyen! Forrásjelnek használjon 10Hz-es négyszögjelet! Készítsen képet az így kapott OFDM jel spektrumáról! 2. Készítse el az OFDM (elvi) adó mellé a vevő oldalt is! Vizsgálja meg a forrás jelet az adó és vevő oldalon. Felismerhető a küldött jel a vevő oldalon? Nézze meg az így kapott OFDM rendszer bit hibaarányát! (Használja a loop adta lehetőségeket) 3. Vizsgáljuk meg mi történik zaj hozzáadása esetén. Ehhez először az OFDM jelhez adjon hozzá egy Gauss zaj generátor jelét! Vizsgálja meg, hogy változik a vevő oldalon a dekódolás hatékonysága! Hogy változott a hiba arány? Érzékeny az OFDM rendszer a AWGN zajra? 4. Nézzük meg a több utas terjedés hatását. Hogyan változik a vevő oldalon a dekódolás hatékonysága! Hogy változott a hiba arány? Érzékeny az OFDM rendszer a több utas terjedésre? 5. Vizsgáljuk meg mi történik ha az adóoldali vivőfrekvenciák közül egyet elhangolunk! Vizsgálja meg, hogy változik a vevő oldalon a dekódolás hatékonysága! Hogy változott a hiba arány? Problémát jelent egy ilyen frekvenciacsúszás? 6. Felhasznált irodalom [1] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold és Per Beming:"3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband", Academic Press, 2010. [2] Shinsuke Hara és Ramjee Prasad: "Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications", Artech House Boston, 2003 7