BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Az OFDM hozzáférési technika alkalmazási lehetőségeinek vizsgálata Balog Tünde Konzulensek: dr. Imre Sándor, Híradástechnikai Tanszék Balázs Ferenc, Híradástechnikai Tanszék. BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Híradástechnikai Tanszék Mobil Távközlési Laboratórium Budapest, 2002.
ii Diplomaterv Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Villamosmérnöki szak Copyright c 2002, all rights reserved to the author. No part of this degree thesis may be reproduced or distributed in any form or by any means without the prior written permission of the author. Ez a diplomaterv L A TEX szövegszerkesztõvel készült, Times New Roman betûtipussal.
iii NYILATKOZAT Alulírott Balog Tünde, a BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM hallgatója kijelentem, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem el és abban csak az irodalomjegyzékben megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva a forrásokból átvettem, egyértelmûen ezen források megadásával megjelöltem. Budapest, 2002. május 17. Balog Tünde
iv KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Az utóbbi években nyújtott szakmai segítségért, konzultációs órákért, valamint a számtalan publikációs lehetőség előteremtéséért köszönettel tartozom Dr. Imre Sándor tanár úrnak. Továbbá köszönöm Balázs Ferencnek a tanácsok és ötletek végtelen áradatát, valamint dolgozataim elsőkezű átnézését. Köszönöm még Kovács Dániel Lászlónak a szimulációs program elkészítésében nyújtott támogatását. S köszönettel tartozom családomnak, hogy a nehéz pillanatokban is mindig türelemesek voltak velem és vég nélküli biztatásuk hozzájárult ahhoz, hogy az egyetemet elvégezhessem. Végül köszönet illeti az Egyetemközi Távközlési és Informatikai Központot (ETIK) az anyagi támogatásért.
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 1 2. Az OFDM hozzáférési technika 3 2.1. Az OFDM kezdetei......................... 3 2.2. Elméleti alapok........................... 5 2.2.1. Védő idő és ciklikus kiterjesztés.............. 6 2.2.2. Ablakozás.......................... 7 2.3. Jelfeldolgozás............................ 8 3. OFDM alkalmazások 10 3.1. DAB................................. 10 3.1.1. Csatornakódolás a DAB renszerben............ 13 3.1.2. Interleaving......................... 14 3.1.3. Keretstruktúra....................... 14 3.2. DVB................................. 16 3.2.1. Külső/belső kódolás és interleaving............ 17 3.2.2. Moduláció......................... 17 3.2.3. OFDM alapsávi jel kialakítás................ 18 3.3. Magic WAND............................ 20 3.4. HIPERLAN/2............................ 21 3.4.1. Hyperlan/2 fizikai rétege.................. 22 3.4.2. OFDM szimbólum kialakítása............... 26 3.5. IEEE 802.11a............................ 27 3.5.1. Rendszermodell....................... 27 3.5.2. Keretstruktúra....................... 28 3.5.3. Rendszerparaméterek.................... 29 3.6. xdsl................................ 30 3.6.1. ADSL............................ 31 3.6.2. VDSL............................ 32 3.7. Összegzés.............................. 34 v
TARTALOMJEGYZÉK vi 4. Jövőbeni alkalmazási lehetőségek 36 4.1. Power Line Telecommunication.................. 36 4.1.1. MultiCarrier Code Division Multiple Access....... 38 4.2. 4. generációs mobil távközlés.................... 39 5. Alcsatorna kiosztás 43 5.1. Statikus kiosztás........................... 44 5.1.1. Folytonos alvivő kiosztás (OFDM FDMA)........ 44 5.1.2. Interleaving kiosztás (OFDM InterleavedFDMA)..... 45 5.2. Dinamikus kiosztás......................... 45 5.2.1. Modell........................... 45 5.3. Rádiós csatorna........................... 47 5.3.1. Fading........................... 48 5.3.2. Rice fading......................... 49 5.4. Paraméterek meghatározása..................... 50 5.5. Számítógépes szimuláció...................... 52 6. Összegzés 56 7. Függelék 58 7.1. A Függelék............................. 58 7.2. B Függelék............................. 58 7.3. C Függelék............................. 58 7.4. D Függelék............................. 58 7.5. E Függelék............................. 59 7.6. F Függelék............................. 60 7.7. G Függelék............................. 60 8. Melléklet 70 Rövidítés jegyzék 75
Ábrák jegyzéke 2.1. Spektrum átlapolódása....................... 4 2.2. A vivők ortogonalitása miatt nincs áthallás az egyes alvivők között 4 2.3. Áthallás lép fel az OFDM szimbólumnál.............. 7 2.4. Az OFDM szimbólum időbeli alakulása.............. 7 2.5. Általános OFDM adó-vevő felépítése............... 8 3.1. DAB adó felépítése......................... 12 3.2. DAB vevő felépítése........................ 12 3.3. R = 8/13-os sebességhez tartozó lyukasztási mátrix....... 13 3.4. DAB frame struktúrája....................... 15 3.5. DVB rendszer funkcionális blokkvázlata.............. 16 3.6. Magic WAND OFDM modulátora................. 20 3.7. Hyperlan/2 referencia modellje................... 23 3.8. Konvolúciós kódoló......................... 24 3.9. Az IEEE 802.11a adó vevő struktúrája............... 27 3.10. Frame struktúra........................... 28 3.11. Spektrumkép az IEEE 802.11a rendszernél 1............ 31 3.12. Spektrumkép az IEEE 802.11a rendszernél 2............ 31 3.13. DMT hozzáférés strukturális felépítése............... 32 3.14. VDSL blokkvázlata......................... 33 3.15. Védő idő felépítése VDSL-nél................... 33 3.16. A konvolúciós interleaver felépítése................ 35 4.1. Az MC CDMA rendszer felépítése................. 38 4.2. Mobil rendszerek fejlődésének állomásai.............. 40 5.1. Statikus alcsatorna kiosztás frekvencia idő függvényei...... 44 5.2. Dinamikus alcsatornakiosztás blokkvázlata............ 46 5.3. A Bello függvények rendszere................... 49 5.4. Fadinges rádiós csatorna...................... 51 5.5. Additív zajos csatornában statikus kiosztás bithiba aránya..... 53 5.6. Additív zajos csatornában statikus és dinamikus kiosztás összehasonlítása bithiba arány alapján................... 54 vii
ÁBRÁK JEGYZÉKE viii 5.7. Rice fadinges csatornában statikus kiosztás bithiba aránya..... 54 5.8. Rice fadinges csatornában statikus és dinamikus kiosztás összehasonlítása bithiba arány alapján.................. 55 7.1. BPSK, QPSK, 16 QAM és 64 QAM modulációk konstellációs diagramjai.............................. 66 7.2. DVB konstellációs diagramjai................... 67 7.3. DVB konstellációs diagramjai nem egyenletes 16 QAM-re és 64 QAM-re............................... 68 7.4. Egy Gold kódcsalád megvalósítása................. 69
Táblázatok jegyzéke 3.1. DAB átviteli típusai......................... 12 3.2. Csatornánkénti OFDM szimbólumok száma átviteli típusonként. 15 3.3. DVB lyukasztási mintája...................... 17 3.4. OFDM szimbólum kialalkításának paraméterei 6 MHz-es csatornaosztásnál............................. 19 3.5. OFDM szimbólum részeinek paraméterei 6 MHz-es csatornaosztás esetén.............................. 19 3.6. A WAND OFDM modem főbb paraméterei............ 20 3.7. HIPERLAN/2 átviteli típusai.................... 24 3.8. Hyperlan/2 lyukasztási mintája................... 25 3.9. HIPERLAN/2 átvitel paraméterei.................. 26 3.10. IEEE 802.11a átviteli típusai és paraméterei............ 30 3.11. IEEE 802.11a időzítési paraméterei................ 30 3.12. Megengedett teljesítmény szintek IEEE 802.11a-nál az USA-ban. 30 3.13. Védő idő hosszak beállítása 4 khz-es szimbólumsebességnél... 34 4.1. Javaslat a 4. generációs rádiós interfész paramétereire....... 42 5.1. Konvolúciós kódoló generátorpolinómjai.............. 52 ix
1. fejezet Bevezetés Korunk információs társadalma robbanásszerű fejlődésen megy keresztül. Az információ átvitelt igénylő alkalmazások széles palettán terülnek el, az emberiség csak most kezdi megismerni a komponenseit és kiaknázni a bennük rejlő lehetőségeket. Az ókorban megjelenő írás a korszak egyik legnagyobb vívmányának tekinthető. A gyalogos, illetve lovas futárok átviteli sebessége az évszazadok alatt egyre inkább szűkös keretté vált. A kódolt fényjelzésű adattovábbítás ugyan csökkentette a kézbesítési időtartamot, viszont nem biztosította összetett, komplex üzenetek továbbítását. A középkor számos kísérleti eredménye segített Morse átütően sikeres és eredményes, s mind a mai napig használatban lévő technikájának feltalálásához. Az elektromosság felhasználása rendkívül hatékony megoldásnak bizonyult. A XIX. században kezdődött ipari forradalom indította útjára azt a műszaki fejlesztési áramlatot, melynek sodrása napjainkig folyamatosan erősödött. A Graham Bell által feltalált telefon kiegészítve Puskás Tivadar telefonközpontjával ideig-óráig csillapította ugyan az emberek információ átviteli éhségét, de végső megoldást nem adott. A számítástechnika térnyerése a XX. szd. második felében újabb kihívások elé állította a világ mérnökgárdáját. Az internet mára az egész bolygón elterjedt adatküldési mód. A vezetékes mellett megjelenő mobil üzenet-továbbítás egyre újabb és újabb feladatokat hozott magával. A műszaki kutatók körében már tavaly arról kezdtek beszélni, hogy milyen lesz a majdan megvalósuló 4. generációs mobil hálózat, mikor még a 3. generációs rendszer is épp csak bevezető fázisába jutott a világban. Mivel a frekvenciával limitáltan rendelkezünk, és számos rendszer frekvenciatervezetbeli ütközéséről hallunk, a jövőben olyan fizikai rétegbeli megoldásokat kell keresnünk, ami minél hatékonyabb sávszélesség kihasználtság mellett nagy mennyiségű adat gyors átvitelére képes. Ezen követelményeknek tesz eleget az ortogonális frekvenciaosztásos hozzáférés (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Diplomatervem célja, hogy megvizsgáljam az OFDM matematikai hátterét, képed adjak megvalósított alkalmazásairól, mely támogatást nyújt a feladat további részének megoldásában. Az elméleti háttér és a gyakorlati rendszerek is- 1
FEJEZET 1. BEVEZETÉS 2 merete lehetőséget ad jövőbeni alkalamzások felismerésére. Többfelhasználós rendszerben az erőforrások kihasználásának különféle módozatainak vizsgálata kiemelkedő jelentőséggel bír, hogy a későbbi szabványosításra kerülő rendszertervezet gyakorlatba történő átültetése minél hatékonyabb eredményre vezessen. A feladat megoldása során igénybe vettem a MATLAB program segítségét, hogy az általam vizsgált módszerekhez a szimulációkat elkészíthessem. Részletes leírásuk, és a szimulációs eredményeik rávilágítanak arra, hogy ezen technikák közül a dinamikus alcsatorna kiosztás biztosítja a legjobb minőségű átvitelt, hiszen némely esetben akár 5-6 db-lel is meghaladja a statikus kiválasztással elérhető minőségi paraméterértéket.
2. fejezet Az OFDM hozzáférési technika 2.1. Az OFDM kezdetei Az OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ortogonális frekvenciaosztásos hozzáférés a többvivős átviteli technikák egyik speciális fajtája, amelynél a soros nagysebességű adatfolyamot kisebb sebességű, egymással párhuzamos alvivőkön továbbítják [1]. Az OFDM alkalmazásának egyik legfőbb oka, hogy nagy robosztussággal bír a frekvencia szelektív fadinggel, illetve a keskenysávú interferenciával szemben. Míg egyvivős rendszernél a fading vagy az áthallás az egész kapcsolat (link) átvitelét tönkreteheti, addig többvivős átvitelnél az alcsatornáknak csupán néhány százaléka sérül meg. Ezek a hibák a rendszerbe megfelelően beépített hibajavító kódolással kiküszöbölhetők. Eme párhuzamos információ-átviteli és frekvencia multiplexálási technika alapjait a 60-as években kezdték el publikálni [2, 3, 4]. Kezdetben a párhuzamos átviteli technikánál a rendelkezésre álló teljes frekvenciasávot N részre osztották fel, amelyek nem lapolódtak át. Az alcsatornákat egyenként modulálták, majd az N db alvivőt frekvenciában multiplexálták. Az alvivők nem lapolódhattak át, hogy közöttük ne léphessen fel áthallás, azonban így kevésbé hatékonynak bizonyult a frekvenciasáv kihasználtsága. A probléma elkerülésére a 60-as évek közepén új ötlet merült fel: párhuzamos adatátvitel és frekvencia multiplexálás átlapolódó alcsatornákkal. Az egyes alvivők f távolságra fekszenek egymástól és egy-egy alvivő f sávszélességű. Az átlapolódási technikával ily módon 50 %-nyi sávszélességet lehet megtakarítani, amit az 2.1. ábra szemléltet. Ahhoz, hogy az alvivők között ne alakuljon ki áthallás, közöttük ortogonalitást kell biztosítani. Az ortogonalitás itt azt jelenti, hogy a rendszerben matematikailag precízen leírható kapcsolat áll fenn az alvivők frekvenciái között. A vevőkben minden egyes vivőt alapsávi tartományba transzformálnak, s azokat egy szimbólumnyi időtartamra integrálják, eredményül pedig a kívánt jelsorozatot kapják. Ha a detektálni kívánt alvivőn kívül minden alcsatorna jele T szimbólumidő alatt egy egész szám többszörösével ismétlődik meg, akkor azok 3
FEJEZET 2. AZ OFDM HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKA 4 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 f 50%-nyi megtakarítás f 2.1. ábra. Spektrum átlapolódása f f 2.2. ábra. A vivők ortogonalitása miatt nincs áthallás az egyes alvivők között értéke az integrálás során zérust eredményez. Végül az alvivők lineárisan függetlenek egymástól, tehát ortogonálisak, ami úgy biztosítható, ha az alvivők közötti távolság 1/T egész számú többszöröse. Számos kutatás az OFDM átviteli technika hatékonyságának növelésére koncentrált, és teszi azt ma is. Weinstein és Ebert 1971-ben DFT-t (Discret Fourier Transformation) alkalmazott párhuzamos átvitelű rendszereknél a moduláció és a demoduláció részeként [5]. A 2.2. ábrán jól látható, hogy minden egyes alvivő középfrekvenciájánál nincs áthallás a többi alcsatornából, hiszen azoknak a az amplitúdója zérus nagyságú. Tehát, ha a vevőben DFT-t alkalmazunk és minden alvivő középfrekvenciájára korrelációt számolunk, akkor a jelet interferencia nélkül tudjuk detektálni. A továbbiakban DFT alapú többvivős technikát alkalmazva a frekvenciaosztásos multiplexálást nem sávszűrőkkel, hanem alapsávi jelfeldolgozással érhetjük el. Ahhoz, hogy le lehessen csökkenteni az alvivőkhöz szükséges oszcillátorok és koherens demodulátorok számát, ami a frekvenciaosztásos multiplexáláshoz szükséges, teljesen digitális FFT-vel (Fast Fourier Transformation) történő megvalósítást kell alkalmazni. Az FFT a DFT-nek rendkívül haté-
FEJEZET 2. AZ OFDM HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKA 5 kony kialakítása. Napjaink VLSI (Very-Large-Scale Integration) technológiája nagyon gyors és óriási méretű FFT chipek gyártását is lehetővé teszi, amelyek alkalmazásával mind az adóban, mind a vevőben a számítási kapacitás O(N 2 )-ről O(N log N)-re csökkenthető. Az 1960-as években az OFDM-et nagyfrekvenciás katonai kommunikációs rendszereknél használták, mint például a KINEPLEX-nél, az ANDEFT-nél vagy a KATHRYN-nál. Az utóbbinál a változó sebességű adatmodem 34 darab alvivővel, közöttük 82 Hz-es frekveciaosztással működött. A 80-as években az alkalmazási terület tért hódított a mindennapi alkalmazásokban is. Főként nagysebességű modemeknél és digitális mobil kommunikációnál kezdték felhasználni. A 90-es években az OFDM technikát szélessávú mobil rádiócsatornás adatkommunikációhoz (WLAN, HYPERLAN/2), HDSL-hez (High-speed Digital Subscriber Lines) 1.6 Mbps, ADSL-hez (Asymmetric Digital Subscriber Lines) 6 Mbpsig, DAB-hoz (Digital Audio Broadcasting) és DVB-hez (Digital Video Broadcasting) kezdték fejleszteni és alkalmazni. 2.2. Elméleti alapok Az OFDM alapgondolata szerint a nagysebességű soros adatfolyamot kisebb sebességű, egymással párhuzamos sorozatokra bontjuk, amelyeket egyidejűleg továbbítunk. Ebben az esetben a szimbólum időbeli hossza megnő, s ezáltal a csatorna többutas terjedésből származó idődiszperzív hatása csökken. A szimbólumközi áthallás (ISI InterSymbol Interference) védő idő beiktatásával szinte teljes mértékben kiküszöbölhető. A művelet során az OFDM szimbólumot ciklikusan kiterjesztjük a vivők közötti áthallás (ICI InterCarrier Interference) elkerülésére [6]. A jel az alcsatornák összegzéséből jön létre, amelyek modulációja általában BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) vagy M QAM (Quadrature Amplitude Modulation), melyek konstellációs diagramjait az A Függelék tartalmazza. Ha d k, i = x k, i + j y k, i alakú az M QAM modulációs konstelláció értéke a k-adik diszkrét időpillanatban, ahol x k, i és y k, i értékei ±1, ±3,..., ±(L 1) lehetnek és L = M, N az alvivők száma és T a szimbólum hossza, akkor az OFDM jel időfüggvénye a következőképpen írható fel [15]: v(t) = A k N 1 n=0 d k, i φ n (t k T ), (2.1) amelyben ( φ n (t) = exp j 2π ( )) n N 1 2 U T (t) (2.2) T
FEJEZET 2. AZ OFDM HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKA 6 és n = 0, 1,..., N 1. A φ(t) függvények ortogonális hullámformák, az U T (t) pedig egy téglalap alakú impulzusformáló függvény. Az alvivők között a távolság f = 1/T, ami biztosítja az ortogonalitást és a szimbólumok közötti fázisfolytonosságot. Az OFDM nagy előnye, hogy már az 2.1. fejezetben említett digitális jelfeldolgozás (FFT) segítségével könnyen és rendkívül hatékonyan megvalósítható. Ha vesszük a k=0 adatblokkot és figyelmen kívül hagyjuk az exp ( j (2π (N 1) t/2t )) frekvencia offszetet, akkor a komplex alapsávi jel: v(t) = N 1 n=0 ( ) j2πnt d 0, n exp T (2.3) alakú, ahol 0 t T. A t = k T s időpillanatokban vett minták, ahol T s = T/N pedig v k = v(k T s ) = N 1 n=0 alakúak, ahol k = 0, 1, 2,..., N 1. ( ) j2πnk d 0, n exp N T s 2.2.1. Védő idő és ciklikus kiterjesztés (2.4) Az OFDM alkalmazásának egyik legfontosabb oka a többutas terjedés hatásaival szembeni robosztussága [1, 6]. A bemeneti adatfolyamot N alvivőre osztva a szimbólumhossz N-szer kisebb, ami a késleltetés szórást a szimbólumidőhöz képest relatíve lecsökkenti. Az ISI elkerülésére minden OFDM szimbólumnál védő időt vezetünk be, amit nagyobbra választunk, mint amekkora a csatorna várható késleltetése. Ez az intervallum azonban nem tartalmazhat hasznos jelet, különben megnövekszik a vivők közti interferencia (ICI). ICI akkor jön létre, ha az alvivők közötti ortogonalitás megszűnik. A 2.3. ábra két alvivő közötti áthallást jelenít meg. Ha az OFDM vevő megpróbálja demodulálni az első alvivőt, akkor az a második alvivőből áthallást fog számolni, mert az FFT intervallumon belül nincs egész számú cikluskülönbség az 1. és a 2. alcsatornák között. Ezzel egyidőben azonos ok miatt az első alvivő is áthallást hoz létre a második alvivőnél annak detektálása során. A hatás csökkentése, illetve teljes megszüntetése céljából védő időt vezetünk be, így az OFDM szimbólum késleltetett része egész szám többszörösével található meg az FFT intervallumban. Védelmet addig biztosít, amíg a védő idő hossza nagyobb, mint a késleltetésé.
FEJEZET 2. AZ OFDM HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKA 7 1-es alcsatorna ICI-t okoz 2-es alcsatorna GT 1/ f OFDM szimbólum 2.3. ábra. Áthallás lép fel az OFDM szimbólumnál T prefix TS T prefix T S T T S T GT 2.2.2. Ablakozás 2.4. ábra. Az OFDM szimbólum időbeli alakulása Ahhoz, hogy a spektrum minél gyorsabban fusson le a jel széleinél, minden egyes OFDM szimbólumra impulzus formálást alkalmazunk. A művelet eredményeként gyorsan zérusra lefutó jelszéleket kapunk. Leggyakrabban az emelt cosinus függvényt használják: 0.5 + 0.5 cos (π + t π/(β T s )), ha 0 t β T s w(t) = 1, ha β T s t T s 0.5 + 0.5 cos ((t T s ) π/ (β T s )), ha T s t (1 + β) T s (2.5) Itt T s a szimbólum hossza, ami rövidebb, mint a teljes szimbólumhossz, mert a szomszédos szimbólumoknál a felfutási és lefutási tartományoknál átlapolódást engedünk meg. Az OFDM jel időbeli alakulása a 2.4. ábra szerinti. A gyakorlatban az OFDM jel generálása egy komplex folyamat során valósul meg. Először N c db bemeneti QAM jelet csupa zérusokkal egészítenek ki, hogy N db bemeneti mintát kapjanak az IFFT kiszámolásához. Ezután az utolsó
FEJEZET 2. AZ OFDM HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKA 8 RF adó D/A bináris bemenet kódolás interleaving moduláció pilot beillesztés S/P P/S GT hozzáadása + ablakozás bináris kimenet dekódolás deinterleaving demoduláció csatorna korrekció P/S IFFT(adás) FFT(vétel) S/P GT eltávolítása RF vétel A/D idõ+frekvencia szinkronizáció 2.5. ábra. Általános OFDM adó-vevő felépítése T prefix mintát az IFFT kimenetén az OFDM szimbólum elejére bemásolják és az első T postfix mintákat a szimbólum végéhez hozzáfűzik. Ezt követően a jelet összekonvolválják az w(t) emelet cosinus függvénnyel. Végül a kapott jelet hozzáadják a kimenethez T s késleltetéssel úgy, hogy β T s átlapolódási tartomány lépjen fel, ahol β a w(t) függvénynél a levágási faktor (roll-off faktor). Fontos megjegyezni, hogy minél nagyobb β, vagyis minél gyorsabb a jel szélének a felfutása/lefutása, annál kevésbé toleráns a jel a késleltetéssel szemben, hiszen a β faktor β T s mértékben lecsökkenti az effektív védő időt. Ablakozás helyett hagyományos szűréssel is lehet csökkenteni a jel spektrumának a széleit. A két művelet egymás duálisa; az OFDM szimbólum megszorzása egy ablakkal azt jelenti, hogy a w(t) ablakozó függvény spektrumát összeszorozzuk az egyes alvivők impulzusainak spektrumával. Ha szűrést alkalmazunk, akkor időtartománybeli konvolúciót hajtunk végre, tehát a jel időtartománybeli függvényét összekonvolváljuk a szűrő impulzusválaszával. Alkalmazás szempontjából célszerűbb az ablakozást választani, hiszen a digitális szűrésben mintánként megvalósítandó szorzások száma sokkal több, mint ablakozásnál, mert az csak szimbólumonként végez szorzást azokra a mintákra, amelyek a felfutási/lefutási tartományba esnek. Mivel a mintáknak csak nagyon kis százaléka esik ebbe a tartományba, ezért az ablakozás lényegesen egyszerűbb és gyorsabb eljárás. 2.3. Jelfeldolgozás A 2.5. ábra egy teljes OFDM modemet ábrázol, ahol a felső ág az adót, az alsó pedig a vevőt jeleníti meg. Az adóba érkező jelsorozatot először kódolják, majd az interleaving következik. A kapott jelsorozatot modulációval szimbólumokká alakítják, amihez gyakran pilot jeleket illesztenek. Soros/párhuzamos átalakítás után az IFFT segítségével alvivőkre bontják a bitsorozatot, majd párhu-
FEJEZET 2. AZ OFDM HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKA 9 zamos/soros átalakítás után ciklikus védő időt illesztenek a szimbólumok elejére és ablakozást végeznek. Az így kialakuló alapsávi jelet vivőfrekvenciára ültetik és kisugározzák. A vevőben a fenti folyamatok inverzét végzik el. A rádiófrekvenciás jel lekeverése és digitalizálása után a detektálás pontosságát javító időzítési és frekvencia szinkronizálási folyamatot követően eltávolítják a szimbólumok elejéről a védő időt. Soros/párhuzmos átalakítás szükséges az FFT elvégzéséhez. A jelsorozat soros bitfolyammá történő alakítása után a QAM szimbólumok viszszafejtése, deinterleaving és dekódolás következnek. Az FFT/IFFT modul azonos hardver elem, hiszen a két művelet majdnem azonos egymással. IFFT-t FFT-vel úgy valósíthatunk meg, hogy az FFT bemenetén és kimenetén lévő jelet konjugáljuk, valamint a kimeneti jel értékét az FFT méretével elosztjuk. Ezt az egyszerűsítést azonban csak akkor tudjuk megvalósítani, ha nem követelmény, hogy a terminál egyidejűleg adási és vételi üzemben is működjön.
3. fejezet OFDM alkalmazások Az utóbbi években egyre több helyen kedték el alkalmazni az OFDM technikát kihasználva az előző fejezetben megismert előnyös tulajdonságait. Ebben a fejezetben részletesen bemutatok két műsorszórási technológiát: a DAB (Digital Audio Broadcasting) digitális rádiós műsorszórást és a DVB (Digital Video Broadcasting) digitális földi TV műsorszórást. A Magic WAND tesztrendszer kísérletet tett az ATM (Asynchronous Transfer Mode) átviteli módszer vezetéknélküli megvalósítására. További vezetéknélküli alkalmazások a WLAN (Wireless Local Area Network) IEEE 802.11a altípusa az Amerikai Egyesült Államokban, míg annak európai megfelelője a HYPERLAN/2. Végül az xdsl (Digital Subscriber Lines) vezetékes kialakítású rendszercsaládot helyezem a figyelem középpontjába. 3.1. DAB A Digital Audio Broadcasting (DAB) rendszer kifejlesztésének első lépését 1987-ben tették meg, amikor létrehozták az EUREKA 147 kutatási projektet Európában. A következő évben döntés született a genfi Műholdas Rádióigazgatási Konferencián, amelynek értelmében az új európai rádiós rendszer fizikai rétegét COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Mutiplexing) technikával alakítják ki, valamint a rendszer hatékonyabb kihasználásához hangtömörítést alkalmaznak. A következő néhány év tapasztalata alapján 1991-ben meghatározták az alapvető rendszerparamétereket, majd további kutatások következtek. Szabványt 1995 februárjában írt az European Telecommunications Standards Institute (ETSI) DAB-Norm ETS 300401 néven. Az 1995 nyarán megrendezett Frekvenciaterv Konferencián két frekvenciasávot különítettek el Európában: 174 240 MHz; 1,452 1,492 GHz. Az első hivatalos adásokat Nagy-Brittannia és Svédország sugározta 1995 szeptemberében. Számos más ország (európai államok, valamint Kanada, Ausztrália, India, Kína) tesztrendszerei alapján további specifikációs modosításokat végeztek 1996 végéig [7]. Akkor véglegesítették a következő rendszerparamétereket: 10
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 11 frekvencia sávok: 174 240 MHz, 1,452 1,492 GHz, alvivők száma (N) : 1536, 768, 384, 192, alvivők közötti távolság ( f) : 1, 2, 4, 8 khz. Az OFDM-mel, mint hozzáférési technikával a DAB egy szélessávú átviteli technikát választott, mely kiváló tulajdonságokkal rendelkezik a frekvenciaszelektivitással szemben. Az 2.1 alapegyenletből levezethető a DAB alapsávi ekvivalens kifejezése: s(t) = R ahol és ej2πf ct g n, l (t) = Rect(x) = L N/2 m= l=0 n= N/2 d m, n, l g n, l (t mt F T NULL (l 1)T ), { 0, ha l = 0 e j2πn(t T GT /T s) Rect(t/T )), ha l = 1, 2,..., L { 1, ha 0 x 1 0, egyébként (3.1) (3.2), (3.3) valamint az R jel a függvény valós rész képzését jelenti. A fenti egyenletekben T NULL a nullaszimbólum hosszát adja meg, ami egy DAB keret elejét jelzi, valamint a vevő szinkronizációját segíti; L a kereten belüli OFDM szimbólumok számát adja meg a nullszimbólum nélkül; T F a keret hosszát határozza meg, az f c pedig a vivő középfrekvenciát. Olyan hétköznapi alkalmazásoknál, mint amilyen a DAB is, a jelfeldolgozó egységeknek nagyon egyszerűnek kell lenniük, hogy tömegesen eladható arucikk lehessen. Az FFT algoritmus alkalmazása ezt a követelményt teljesíti. A komplex alapsávi ekvivalens jelet egyszerűen és hatékonyan állítja elő. A módszer további előnyeként jelentkezik az adóban és a vevőben történő felhasználási lehetősége, s nem követelmény különböző algoritmus megvalósítása azokban. A DAB túlmintavételezést alkalmaz a fenti követelmény teljesítéséhez, amely során a plusszban megjelenő virtuális alvivők nem hordoznak hasznos információt. A védő idő alkalmazásával megakadályozható, hogy az előző szimbólum hasznos jelrésze a késleltetés miatt tönkretegye az aktuális jelet. Feltételezve, hogy a csatornaparaméterek egy keret alatt nem változnak, fáziskülönbségi kódolás (DQPSK) alapján az összes információ kinyerhető az összegzett jelből. A f vivőtávolság közvetlen kapcsolatban áll a szimbólumhosszal, s ezáltal az ortogonalitással is. Mivel mozgó termináloknál is követelmény az ortogonalitás, ezért a ν max 1/T (3.4)
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 12 3.1. táblázat. DAB átviteli típusai Típusok f [khz] T GT 2048 khz T 2048 khz alvivők száma 1. 1 504 2552 1536 2. 4 126 638 384 3. 8 63 319 192 4. 2 252 1276 768 multiplexálási információk, adók nevei, alternatív frekvenciák stb. csatornakódolás FIC hangprogram hangtömörítés adatszolgáltatás csatorna multiplexer csatornakódolás csatornakódolás többi alcsatorna M U L T I P L E X E R OFDM modulátor adó 3.1. ábra. DAB adó felépítése feltételnek teljesülnie kell. A vivőfrekvencia eltolásával a szomszédos alvivők jeleinek frekvenciatartományban nem a megfelelő pozícióban lesznek a zérusátmenetei, ami áthallást eredményez. A DAB rendszernél a frekvenciától és a mozgási sebességtől függően 4 típust különböztetnek meg, melyek paramétereit a 3.1. táblázat jeleníti meg [7]. A 3.1 és a 3.2 ábrák a DAB rendszer adó-vevő felépítését mutatják be. nagyfrekvenciás rész vezérlõ busz OFDM demodulátor és alcsatorna kiválasztás hibajavítás hangdekódoló rádióprogram adatvevõ készülék vétel kezelése és vezérlése 3.2. ábra. DAB vevő felépítése
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 13 G 1 = x 6 + x 4 + x 3 + x + 1 G 2 = x 6 + x 5 + x 4 + x 3 + 1 G 3 = x 6 + x 5 + x 2 + 1 G 4 = x 6 + x 4 + x 3 + x + 1 (133 oktálisan) (171 oktálisan) (145 oktálisan) (133 oktálisan) j i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3.3. ábra. R = 8/13-os sebességhez tartozó lyukasztási mátrix 3.1.1. Csatornakódolás a DAB renszerben A csatornakódolásnál általában a blokkódolás és a konvolúciós kódolás közül választanak [8], ami több tulajdonságtól is függ. Egyrészt a konvolúciós kódok nagyon érzékenyek a hibák csomósodására, így alkalmazásánál minden esetben kiegészítő interleaving szükséges. A DAB-nál csak konvolúciós csatornakódolással dolgoznak, amit időtartománybeli és frekvenciatartománybeli interleavinggel bővítenek ki. Konvolúciós kódolás. Hibavédelemre a DAB lyukasztott konvolúciós kódolót vesz igénybe, melyek kényszerhossza K = 7. A forrásbiteket egy 6 bit hoszszúságú shiftregiszterbe töltik. Adott generátorpolinómok (G 1, G 2, G 3, G 4 ) alapján minden forrásbithez 4 kódbitet (c 1, c 2, c 3, c 4 ) rendel a kódoló. A kódolás utáni bitsorozatból minden negyediket kihagyjuk, így R = 1/4-es kódsebességet alakítunk ki. Minden 4 kimeneti bitfolyamot c 1 -től c 4 -ig 8 bitenként blokkba foglaljuk. A c i bitfolyam j-dik bitjét akkor továbbítjuk, ha a lyukasztó mátrix i-dik sorának j-dik száma 1 értékű. Például az R = 8/13-os kódsebességhoz a 3.3.ábra mátrixa tartozik. Ennél a példánál a c 1 bitfolyam minden bitjét továbbítjuk, a c 2 bitsorozatból pedig csak az 1., 2., 3., 5., 7. biteket. A c 3 és c 4 adatfolyamokat kihagyjuk. A DAB standard 24 féle lyukasztási mátrixot ad meg, amelyeket a következőképpen lehet generálni [7]: R = 8, ahol 1 < s < 24. (3.5) 8 + s Nem azonos hibavédelem. Hangprogramoknál lehetőség van különféle szintű hibavédelem kihasználására. Alapvetően 5 féle hibavédelmi szintet definiál a rendszerspecifikáció, amelyek más-más lyukasztási mátrixszal dolgoznak az Unequal Error Protection (UEP) során. Beszédátvitel 14 féle sebességen történhet:
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 14 32 384 kbit/sec. Minden védelmi szinthez kiszámolható egy közepes kódsebesség: R = netto adatsebesség brutto adatsebesség (3.6) Azonos hibavédelem. A rádióprogramok mellett adatátviteli lehetőséget is biztosít a DAB, melyen keresztül a különféle programcsatornák információit továbbítják. Kétféle hibavédelmi szintet definiál a szabvány. 3.1.2. Interleaving Időtartománybeli interleaving. Az interleaver a kódolóból érkező biteket oly módon válogatja szét, hogy a kimenetén véletlenszerű permutációt hoz létre. A gyakorlatban ilyen ideális interleavert nem lehet megvalósítani, hiszen tárolási kapacitása véges. A fenti ok következtében szuboptimális megoldást valósítanak meg. A soros, kódolt bitfolyamot B bitenként párhuzamosítják, ahol j M hoszszúsággal késleltetik a biteket (j = 0, 1,..., B-1). A művelet végén a bitsorozatot soros adatfolyammá alakítják vissza. A DAB szabvány M értékét egységesen 24 ms-ban, B értékét pedig 16 bit-ben határozza meg. Frekvenciatartománybeli interleaving. Mobil csatorna esetén gyakran találkozhatunk lapos fadinggel, amikor a destruktív hatás széles frekvencia tartományt érint, s több egymással szomszédos alvivőn továbbított jel veszik el. A hatás csökkentésére, illetve kiküszöbölésére vezették be a frekvencia interleavinget, amelynél egy OFDM szimbólum elemeit (d i -t) egy ismert F (i) függvény által megadott módon más alvivőhöz rendelik. A folyamat eredményeként a szimbólumon belüli szomszédos biteket egymástól távoli alcsatornákon továbbítják. 3.1.3. Keretstruktúra A rendszer által definiált keret 3 fő részből áll: szinkronizációs csatorna (Synchronization Channel SCH), gyors információátviteli csatorna (Fast Information Channel FIC), adathordozó csatorna (Main Service Channel MSC). A keret felépítését a 3.4. ábra szemlélteti. A 3.1. fejezetben ismertetett átviteli típustól függően változik az egyes csatornákon továbbított szimbólumok száma.
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 15 nullszimbólum fázisreferencia szimbólum FIC szimbólumok MSC szimbólumok nullszimbólum 3.4. ábra. DAB frame struktúrája 3.2. táblázat. Csatornánkénti OFDM szimbólumok száma átviteli típusonként Típus szimb. száma 1 keretben FIC szimb. száma MSC szimb. száma 1. 76 3 72 2. 76 3 72 3. 152 8 144 4. 76 3 72 SCH. A szinkronizációs csatornát a keret első két szimbóluma alkotja, a nullszimbólum és a fázisreferencia szimbólum. A nullszimbólum a keret- és szimbólumstruktúrára történő szinkronizációt segíti a vevőben. A nullszimbólumon belül opcionálisan lehetőség van ún. Transmitter Identification Information (TIS) továbbítására. Minden küldő a nullszimbólumban egyéni, speciális OFDM szimbólumot használ. A vevő az FFT során felismeri ezeket a mintákat, s ezáltal az adót azonosítja. A fázisreferencia szimbólum három fontos feladatot lát el: egyrészt referenciaként szolgál a DQPSK demodulációhoz, másrészt a szimbólumok kiértékelésekor az offszet meghatározásában nyújt segítséget, ami a frekvenciakorrekcióhoz elengedhetetlen feltétel, harmadrészt pedig megbecsülhető belőle a rádiós csatorna impulzusválasza, ami finomabb keretszinkronizációt tesz lehetővé. FIC. A gyors információátviteli csatorna vezérlési és dekódolási információkat hordoz, amelyek fontosak a multiplexálásnál, valamint tájékoztatást nyújt a benne található szolgáltatásokról és műsorprogramokról. A FIC ismeretében a vevő ki tudja választani az adatfolyamból a számára hasznos információkat. MSC. Az adathordozó csatorna tartalmazza a felhasználó számára a hasznos információt.
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 16 Program MUX Átviteli video kódoló MUX hang kódoló adat kódoló 1 szétosztó 2 n MUX adaptáció külsõ kódoló külsõ interleaver belsõ kódoló belsõ interleaver moduláció frame adaptáció OFDM Védõ idõ D/A RF MUX adaptáció külsõ kódoló külsõ interleaver belsõ kódoló pilot jelzés 3.5. ábra. DVB rendszer funkcionális blokkvázlata 3.2. DVB A Digital Video Broadcasting (DVB) első szabványleírását 1997 márciusában adta ki az ETSI ETS 300 744-es számú bejegyzés alatt. A gyakorlati felhasználás hatására folyamatosan módosították a leírást, a legutóbbi érvényben lévő változat 2001 januárjában készült el V1.4.1-es kiadási címzéssel [11]. A video műsorszórás kezdetei azonban egészen 1990-ig nyúlnak vissza, amikor az EBU/ETSI JTC Broadcast (European Broadcasting Union/Eropean Telecommunications Standards Institute Joint Technical Committee) csoportot megalakították, hogy a műsorszórással kapcsolatos tevékenységeket koordinálja. A szervezet 1993 szeptemberében hívta életre a DVB projektet, ami a televíziózásban mind a nyilvános, mind a magán szektorbeli részt szervezi. Napjainkra óriási szerveződéssé vált, hiszen több, mint 25 országból 200-nál is több szervezetet foglal magába [11]. Az MPEG-2 (Moving Picture Experts Group 2) kódoló kimenetéről érkező bitsorozaton a következő műveleteket végzik el a jel kisugárzásáig: 1. fehérítés (scramblerezés), 2. külső kódolás (Reed-Solomon kód) és interleaving (konvolúciós interleaving), 3. belső kódolás (lyukasztott konvolúciós kódolás) és interleaving, 4. moduláció, 5. OFDM alapsávi jel kialakítás és 6. vivőfrekvenciára ültetés. A rendszer funkcionális blokkvázlatát a 3.5. ábra jeleníti meg.
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 17 3.3. táblázat. DVB lyukasztási mintája Kódsebesség (r) Lyukasztási minta Átvitt bitsorozat 1/2 X:1, Y:1 X 1 Y 1 2/3 X:1 0, Y:1 1 X 1 Y 1 Y 2 3/4 X:1 0 1, Y:1 1 0 X 1 Y 1 Y 2 X 3 5/6 X:1 0 1 0 1, Y:1 1 0 1 0 X 1 Y 1 Y 2 X 3 Y 4 X 5 7/8 X:1 0 0 0 1 0 1, Y:1 1 1 1 0 1 0 X 1 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 X 5 Y 6 X 7 Sramblerezés. Az energia szórás egyenletesebbé tételére a bitsorozatot scramblerezik (fehérítik), ami által a zérus és egyes értékű bitek eloszlása egyenletesebbé válik. A feladatot a következő PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) polinom generátorral hajtják végre: S(X) = 1 + X 14 + X 15. (3.7) 3.2.1. Külső/belső kódolás és interleaving Külső kódolás és interleaving. A külső kódolást és interleavinget az MPEG 2 átviteli csomagra alkalmazzák, amely egy 1 byte-os szinkronizációs szóból, SYNCn (01 000 111) és 187 byte-nyi hasznos adatból áll. A kódolásnál RS(204, 188, t = 8) rövidített Reed-Solomon kódot használnak, ahol a kód 204 byte hosszú, s azt a 188 byte-os átviteli csomagra alkalmazzák. Eredményül egy 204 byte-os sorozatot kapunk. A kódolás hatására 8 byte-nyi véletlenszerű hiba javítását lehet elvégezni a vevőben. Az interleaving I = 12-es ágú, amit csak a SYNCn szón kívüli 203 byte-nyi védelemmel ellátott bitsorozatra alkalmaznak, ahol a késleltetés értéke M = K/I = 17, ahol K = 204. Minden ágat FIFO (First-In First-Out) shift regiszterekkel valósítanak meg, ahol a bemeneti és a kimeneti kapcsolókat szinkronizálják. Belső kódolás és interleaving. A rendszer számos lyukasztott konvolúciós kódolási lehetőséget biztosít, ahol az R = 1/2-es sebességű G 1 = 171 OCT és G 2 = 133 OCT generátorpolinómokkal jelzett konvolúciós kód alkotja az alapot. Lyukasztással 2/3-os, 3/4-es, 5/6-os és 7/8-os kódsebességek érhetők el, melyek kialakítását az 3.3. táblázat mutatja. A belső interleaving bitszinten és szimbólumszinten történik. 3.2.2. Moduláció Egy OFDM szimbólumon belül minden alvivőt QPSK, 16 QAM, 64 QAM, nem archaikus 16 QAM, vagy nem archaikus 64 QAM módon modulálunk. A
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 18 konstellációs pontok viszonya az α paramétertől függ, értéke 1,2 vagy 4 lehet. Az α a konstallációs diagramban a pontok minimum távolságát határozza meg. Ezen pontok pontos helyzetei d i = x i + j y i a következők lehetnek: QPSK esetén x { 1, 1}, y { 1, 1}, 16 QAM α = 1 esetén x { 3, 1, 1, 3}, y { 3, 1, 1, 3}, nem archaikus 16 QAM α = 2 esetén x { 4, 2, 2, 4}, y { 4, 2, 2, 4}, nem archaikus 16 QAM α = 4 esetén x { 6, 4, 4, 6}, y { 6, 4, 4, 6}, 64 QAM α = 1 esetén x { 7, 5, 3, 1, 1, 3, 5, 7}, y { 7, 5, 3, 1, 1, 3, 5, 7}, nem archaikus 64 QAM α = 2 esetén x { 8, 6, 4, 2, 2, 4, 6, 8}, y { 8, 6, 4, 2, 2, 4, 6, 8} és nem archaikus 64 QAM α = 4 esetén x { 10, 8, 6, 4, 4, 6, 8, 10}, y { 10, 8, 6, 4, 4, 6, 8, 10}. A moduláció konstellációs diagramjait a B Függelék tartalmazza. 3.2.3. OFDM alapsávi jel kialakítás A jel kisugárzása frame struktúrában történik, melynek hossza T F és 68 OFDM szimbólumot fog össze. Minden szimbólumot 2K átviteli módnál 1705 alvivő, míg 8K átviteli módnál 6817 alvivő alkot T szimbólumhosszal. Egy szimbólum két részből áll: T S hasznos jelrészből és T GT védő időből. A védő idő a hasznos rész ciklikus kiterjesztése, melyet a szimbólum elejére illesztenek. Az OFDM frame 4 részből áll: átvitt adatokból, szórt pilot cellákból, folytonos pilot cellákból és jelzési csatornákból. A pilot jelek frame szinkronizálásra, frekvencia szinkronizálásra, időtartománybeli szinkronizálásra, csatorna becslésre, átviteli mód azonosítására és a fázis zaj nyomonkövetésére szolgálnak. A szabvány 3 féle csatornaosztást ad meg: 6,7, illetve 8 MHz-t. A 6 MHz-es csatornosztás esetén a 3.4. táblázat tartalmazza az
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 19 3.4. táblázat. OFDM szimbólum kialalkításának paraméterei 6 MHz-es csatornaosztásnál Paraméterek 2K mód 8K mód Alvivők száma N 1705 6817 T S hossza 298,6667 µs 1194,667 µs Vivők közti távolság 1/T S 3,348214 khz 0,837054 khz Két legszélső alvivő közötti távolság 5,71 MHz 5,71 MHz OFDM paramétereket, míg 7 és 8 MHz esetére vonatkozó adatokat a C Függelék, illetve a D Függelék tartalmazza. A 2.3 egyenlet kiegészítésével a továbbított jel: s(t) = R { e j2πf ct 67 m=0 l=0 n=0 } N d m, l, n Φ m, l, n (t), (3.8) ahol Φ m, l, n = { e j2π k (t T T GT l T 68 m T ) S, ha (l + 68m)T t (l + 68m + 1)T 0, egyébként (3.9) és n jelöli az alvivőket, l az OFDM szimbólumokat, m az átviteli frame-eket, T a szimbólum hosszát, T S a vivők közti távolság inverzét, T GT a védő idő hoszszát, f c a közép vivőfrekvenciát, k az alvivő indexét a közép vivőfrekvenciához viszonyítva (k = n N/2), d m, l, n az n-dik alvivő l 1-dik adatszimbólumát az m-dik frame-ben. A szimbólum és részeinek hosszát 6 MHz-es csatornaosztás esetén a 3.5 táblázat tartalmazza. 3.5. táblázat. OFDM szimbólum részeinek paraméterei 6 MHz-es csatornaosztás esetén Mód 2K mód 8K mód Védő intervallum T GT /T S 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32 T S hossza 2048 T e 8192 T e 298,667 µs 1194,667 µs Védő idő hossza T GT [µs] 512 T e 256 T e 128 T e 64 T e 2048 T e 1024 T e 512 T e 256 T e 74,667 37,333 18,667 9,333 298,667 149,333 74,667 37,333 Szimbólum hossza 2560 T e 2304 T e 2176 T e 2112 T e 10240 T e 9216 T e 8704 T e 8448 T e T = T GT + T S [µs] 373,3 336 317,3 308 1493,3 1344 1269,3 1232
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 20 amplitúdó becslés szint detektor szinkronizálás frekvencia becslés idõzítés RF RX AGC A/D frekvencia kompenzálás FFT fázisbecslés adat dekódolás fázis kompenzálás fázisbecslés 3.6. ábra. Magic WAND OFDM modulátora 3.6. táblázat. A WAND OFDM modem főbb paraméterei Paraméterek Értékek Alvivők száma 16 Moduláció 8 PSK Kiegészítő kódolás kódhossz: N h =8, kódsebesség: R=1/2 Bitsebesség (kódolás után) 20 Mbps (24 bit/szimb) Szimbólum idő 1,2 µsec Védő idő 0,4 µsec Ablakozás emelt cosinus β=0,2 Vivők közti távolság 1,25 MHz Tanító szekvencia 7 szimbólum Vivőfrekvencia 5,2 GHz Kimeneti teljesítmény 1 W 3.3. Magic WAND A Magic Wand (Wireless ATM Network Demonstrator) az európai ACTS (Advanced Communications Technology and Server) program része, amit 1996-ban kezdtek el kidolgozni. A konzorcium tagjai egy OFDM hozzáférési technikát alkalmazó vezetéknélküli ATM teszthálózatot fejlesztettek, amelyen tetszőleges típusú információt lehet átvinni. A megvalósított rendszer nagyban hozzájárult a későbbi 5 GHz-es frekvenciasávbeli szabványosítási tevékenységekhez. Először is fizikai árvitelként az OFDM technika hatékony kihasználásával támogatta az OFDM közeghozzáférési technika alkalmazásának elfogadását nagysebességű, vezetéknélküli hálózatokban. Másrészt a vezetéknélküli ATM alapú Magic WAND alapul szolgált a HIPERLAN/2 adatkapcsolati rétegének szabványosításánál [10]. A 3.6. ábra a WAND OFDM adó-vevőjéről ad képet. Az RF (Radio Fre-
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 21 quency) vevő a jel erősítését és a frekvencia lekonvertálását végzi. Az AGC (Automatic Gain Control) a vevő legbonyolultabb része, hiszen 3µsec alatt kell az amplitudó nyereséget megállapítania és beállítania. Az A/D (analóg/digitalis) átalakítás után frekvenciabecslés és frekvenciakorrekció következik. Erre azért van szükség, mert az OFDM nagyon érzékeny a frekvencia ofszetre [10]. Az FFT algoritmus megfelelő időpillanatbeli alkalmazásakor a vevő megtartja a megfelelő amplitúdó értéket és fázisbecslést mind a 16 alcsatornán. A 7 szimbólumnyi hoszszúságú tanító szekvencia segít beállítani a fázis referenciát az egyes alvivőkre. A fáziskompenzálás után további jelfeldolgozás következik (deinterleaving, dekódolás stb.). A WAND modem kiegészítő kódolást használ hibajavító kódolásra (FEC) és a PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) csökkentésére. N h =8 hoszszúságú kiegészítő kódot alkalmaz 4 db 8 PSK kódolt bitre, eredményül 8 db komplex kimenetet generál [21]. Ezekre a komplex jelekre FFT műveletet végezve a PAPR alacsony értéken tartható. A 16 alvivő kódolására két darab 8 hoszszúságú kódra interleavinget használnak, ezáltal frekvencia diversitit hozva létre. A 3.6. táblázat részletesen ismerteti a WAND modem paramétereinek beállítási értékeit. 3.4. HIPERLAN/2 A HIPER rendszercsalád 4 tagból tevődik össze. A HIPERLAN/1 (High Performance Radio Local Area Network Type 1) nagysebességű információátvitelt biztosít korlátozott mobilitás támogatással a lefedési területen belül. Az ad-hoc hálózat az 5 GHz-es sávban működik. A HIPERLAN/2 (High Performance Radio Local Area Network Type 2) 6 Mbps 54 Mbps-os sebességet tesz lehetővé a centralizált szervezésű hálózaton belül korlátozott mobilitással. A rendszer Quality of Service - t (QoS, minőségbiztosítás) valósít meg a stack szerkezet megfelelő szintjén az 5 GHz-es sávban. A HIPERMAN (High Performance Radio Metropolitan Area Network) kültéri, nagysebességű (tipikusan 25 Mbps), fix hálózati hozzáférést alakít ki az előfizetői épületek között, miközben multimédiás támogatást biztosít. Engedélyköteles és szabad sávban egyaránt működhet, amiből főként a GHz-es sávot támogatják. A HIPERLINK az előzőekhez viszonyítva már rendkívül nagy sebességet valósít meg a 155 Mbps-mal, ami viszont azzal jár, hogy csak statikus rádiós összeköttetés valósítható meg vele. Elsősorban HIPERMAN és/vagy HIPERLAN Access Point-ok (AP-k) összekötésére tervezték. A 17 GHzes frekvenciasávban működik. A hálózatban a mobil terminálok (MT) a bázisállomásokkal (AP) kommunikálnak a rádiós interfészen keresztül. Mindemellett lehetőség van közvetlen öszszeköttetésre két MT között, amit Direct Módnak nevezünk [9]. A HIPERLAN/2 legfőbb előnyei [15]: nagysebességű átvitel (fizikai szinten: 6 54Mbps),
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 22 kapcsolat-orientált (adatküldés előtt kapcsolat kiépítés), QoS támogatás (előre definiált prioritási szintek), biztonság (hitelesítés és adatfolyam kódolás), mobilitás (handover AP-k között), hálózat- és alkalmazásfüggetlenség (más fix és mobil hálózatokhoz kapcsolódás) és power saving (teljesítménykímélő üzem). Az ETSI 1997 tavaszán alapította a Broadband Radio Access Networks (BRAN) technikai szabványosítási csoportot, mely a korábbi Sub Technical Committee RES10 jogutódja, amely csoport a HIPERLAN/1 szabvány specifikációit készítette el. Az új ETSI BRAN projekt célja, hogy csak a rádiós hozzáférési hálózatot és néhány konvergencia rétegbeli funkciót szabványosítson a különféle mag hálózatok számára. A HIPERLAN/2 hálózat fizikai rétegére vonatkozó előírások legutóbbi változatát a 2001 februárjában kiadott ETSI TS 101 475-ös számú szabvány tartalmazza. A HIPERLAN/2 a fogyasztóknak együttesen biztosít nyilvános és otthoni vezetéknélküli hozzáférést az Internethez és más jövőbeni multimédiás valós idejű alkalmazásokhoz. A rendszert könnyen lehet telepíteni és számos más hálózattal képes együttműködni, mint például az Ethernettel, az IEEE 1394-vel, vagy az ATM-vel (Asynchronous Transfer Mode). Az előzőek megvalósításához szoros kapcsolatot építettek ki az ATM Forummal, a HIPERLAN2 Global Forummal, az IEEE Wireless LAN Committees P 802.11a és IEEE 802.16 szabványosítási szervezeteivel, valamint az Internet Engineering Task Force-szal, az ITU R-vel (International Telecommunicaiton Union Radio sector) és számos belső ETSI technikai csoporttal. 3.4.1. Hyperlan/2 fizikai rétege A fizikai rétegen az átviteli forma a burst, amely egy preamble-t és egy adatmezőt tartalmaz. A névleges vivőfrekvenciák közötti csatornaosztás 20 MHz, és összesen 19 db csatornát foglaltak le. Minden csatornán 52 segédvivőn történik az átvitel, amiből 4 alvivő pilot jelek szállítására foglalt a koherens demodulációhoz, s a többi 48 alcsatorna szolgál a hasznos információ átvitelére. Az átvitel a névleges vivőfrekvenciára, mint középfrekvenciára vetítve történik. A védő idő hossza 800 nsec, ami 250 nsec-os késleltetés szórásig biztosít védelmet. Kis beltéri környezetben lehetséges opcionálisan 400 nsec-os védő idő használata is. Az adó referencia modellje a 3.7. ábrán látható [9]. Az adó ennek megfelelően az alábbi elemekből épül fel:
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 23 PDU-k a DLC-tõl 1 2 FEC hibajavító 3 4 5 fehérítés interleaving mapping kódolás 6 7 OFDM burst kialakítás rádió adó 3.7. ábra. Hyperlan/2 referencia modellje Az átviteli sebesség konfigurálása megfelelő fizikai rétegbeli mód megválasztásával, ami link adaptáción alapul. A PDU-k (Protocol Data Unit) tartalmának scermblerezése (fehérítés). A fehérített bitekre FEC (Forward Error Correction) alkalmazása, melyet a fizikai mód konfigurálásakor választanak ki. A kódolt bitekre interleaving alkalmazása, amit a moduláció módja határozza meg. Alvivő (subcarrier) moduláció az interleavingnek alávetett bitek modulációs konstellációhoz való rendelésével. A kompex alapsávi jel előállítása OFDM modulációval. Pilot alvivők beszúrása, megfelelő preamble csatolása a PDU-khoz és a fizikai burst kialakítása. Vivőfrekvenciára ültetés. Az adatsebesség 6 Mbit/sec-tól 54 Mbit/sec-ig változhat a különböző modulációnak (BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM), és a konvolúciós kódolóhoz rendelt lyukasztásnak megfelelően. A 64 QAM-es típust a rendszer opcionálisan tartalmazza, megvalósítása nem kötelező. Az adott típusok paramétereit a 3.7. táblázat tartalmazza [19], ahol R a kódsebesség, R nevl a névleges bitsebesség Mbps-ban, N al az alvivőnkénti kódolt bitek száma, N szimb az OFDM szimbólumonként kódolt bitek száma és N adat a szimbólumonkénti adatbitek száma. Scrambling. A 3.7. ábrában a fehérítést az S(x) generátorpolinóm segítségével valósítják meg, ahol S(x) = X 7 + X 4 + 1. (3.10) A vételi oldalon a descremblerezésnél ugyancsak az S(x) függvényt alkalmazzák a vett bitsorozatra.
FEJEZET 3. OFDM ALKALMAZÁSOK 24 3.7. táblázat. HIPERLAN/2 átviteli típusai Moduláció R R nevl N al N szimb N adat BPSK 1/2 6 1 48 24 BPSK 3/4 9 1 48 36 QPSK 1/2 12 2 96 48 QPSK 3/4 18 2 96 72 16 QAM 9/16 27 4 192 108 16 QAM 3/4 36 4 192 144 64 QAM 3/4 54 6 288 216 kimeneti adat X bemeneti adat T b T b T b T b T b T b kimeneti adat Y 3.8. ábra. Konvolúciós kódoló FEC. A hibajavító kódolás négy részből tevődik össze: 6 tail bit hozzáfűzése, konvolúciós kódolás, kódsebességtől független lyukasztás (P1), kódsebességtől függő lyukasztás (P2). A fenti műveletek pontos adatait a PDU csomag típusa határozza meg. A konvolúciós kódoló felépítése megegyezik a 3.1.1 fejezetben bemutatott G 1 és G 2 polinomokkal. A kódsebességtől független lyukasztást minden átviteli típusnál egységesen megvalósítanak. A kódolóból érkező bitsorozatra a következő mintát alkalmazzák: X : 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 és Y : 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0. Ekkor a kimeneten az X 1 Y 1 X 2 Y 2 X 3 Y 3 X 4 Y 4 X 5 Y 6 X 8 Y 7 X 9 Y 8 X 10 Y 9 X 11 Y 10 X 12 Y 11 X 13 Y 12 bitfolyam jelenik meg. A kódsebességtől függő lyukasztásnál az érkező biteket először demultiplexálják, majd az R kódsebességtől függően a 3.8. táblázat alapján scramblerezik [9]. Az így kapott jelen interleavinget végeznek, ahol a