بررسی و شبیه سازی الگوریتم های سنكرونیزاسیون در سیستم های OFDM

فرمت فایل:PDF

تعداد صفحه:148

فهرست مطالب :

چكيده ....................................................................... ١
مقدمه................................................................. ٢
فصل اول-كليات...................................................................... ٧
١- مقدمه............................................................................... ٨ -١
٢- پارامترهاي انتشار راديويي .......................................................... ٨ -١
١- تضعيف................................................................................. ٨ -٢-١
٢- پديده فيدينگ ريلي................................................... ١٠ -٢-١
٣- فيدينگ ناشي از انتخاب فركانس.............................................. ١١ -٢-١
۴- گسترش تأخير ............................................................... ١٢ -٢-١
۵- شيفت داپلر............................................................................... ١٣ -٢-١
٣- انتشار چندمسيره.............................................................................. ١۴ -١
١- پارامترهاي كانال چند مسيره.................................................. ١٨ -٣-١
۴- ساختار سيستم هاي چند حاملي.................................................. ٢٣ -١
۵- تعامد حاملها................................................................................. ٢٧ -١
٣٠........................................... OFDM فصل دوم- معرفي و پياده سازي
٣١.......................................................................... OFDM ١- تاريخچه -٢
٣۴........................................................................OFDM ٢- اصول اساسي -٢
٣۶.....................................................OFDM ٣- مدولاتور و دمدولاتور -٢
با استفاده از تبديل فوريه گسسته........................... ٣٩ OFDM ۴- پياده سازي -٢
۵- فاصله زماني محافظ......................................................................... ۴٣ -٢
۶- پنجره بندي............................................................................... ۴٩ -٢
٧- همزماني .......................................................... ۵٣ -٢
۵٧........................................................OFDM ٨- فرستنده و گيرنده سيستم -٢
٩- تخمين كانال................................................................... ۵٩ -٢
با سيستم هاي تك حاملي ..................................... ۶٣ OFDM ١٠ - مقايسه -٢
۶٣......................................................... OFDM ١- مزاياي -١٠-٢
۶۵............................................................OFDM ٢- معايب -١٠-٢
۶٧................................................... OFDM فصل سوم- سنكرونيزاسيون در
١- مقدمه................................................................... ۶٨ -٣
۶٨......................... OFDM ٢- خلاصه اي از سنكرونيزاسيون در سيستم هاي -٣
۶٨.............................OFDM ١- انواع سنكرونيزاسيون در سيستم هاي -٢-٣
٢- تكنيك هاي سنكرونيزاسيون در سيستم انتقال پيوسته و سيستم بسته اي............. ۶٩ -٢-٣
٣- سنكرونيزاسيون زماني سمبل ........................................... ٧٠ -٣
١- سنكرونيزاسيون زماني نيمه دقيق سمبل در سيستم پيوسته........................ ٧١ -٣-٣
٢- سنكرونيزاسيون زماني دقيق سمبل در سيستم پيوسته................................. ٧٣ -٣-٣
٣- سنكرونيزاسيون زماني سمبل در سيستم بسته اي.................................... ٧٣ -٣-٣
۴- مدل كنترلي سنكرونيزاسيون زماني سمبل....................................... ٧۴ -٣-٣
۴- سنكرونيزاسيون فركانسي حامل ................................................. ٧۴ -٣
١- الگوريتم هاي بازيافت فركانسي حامل.......................................... ٧۶ -۴-٣
٢- اجزاء انحراف فركانسي حامل ................................................ ٧٩ -۴-٣
١- قسمت صحيح انحراف فركانسي حامل ............................... ٨٠ -٢-۴-٣
٢- قسمت اعشاري نيمه دقيق انحراف فركانسي حامل............................. ٨١ -٢-۴-٣
٣- قسمت اعشاري دقيق انحراف فركانسي حامل........................... ٨٢ -٢-۴-٣
۴- قسمت كنترلي انحراف فركانسي حامل............................................ ٨٢ -٢-۴-٣
۵- انحراف فركانسي حامل در سيستم انتقال بسته اي............................ ٨٢ -٢-۴-٣
۵- سنكرونيزاسيون كلاك نمونه برداري....................................... ٨٣ -٣
۶- الگوريتم هاي تخمين توأم ................................................... ٨۵ -٣
٨٧....................................OFDM فصل چهارم- مقدمات شبيه سازي يك سيستم
١- مقدمه ................................................................................ ٨٨ -۴
با استفاده از شبيه سازي كامپيوتر ي ..................... ٨٨ OFDM ٢- پيكر بندي يك سيستم -۴
٩۴................................... (AWGN) ٣- شبيه سازي نويز سفيد گوسي جمعي -۴
٩٧................................................................................ attn ١- محاسبة -٣-۴
۴- شبيه سازي كانال فيدينگ ريلي ............................................................ ٩٨ -۴
و بررسي سنكرونيزاسيون .................. ١٠٢ OFDM

فصل پنجم- شبيه سازي سيستم
١- مقدمه ........................................................................................ ١٠٣ -۵
٢- پارامتر هاي شبيه سازي ................................................ ١٠٣ -۵
٣- الگوريتم تخمين همزماني سمبل با استفاده از پيشوند تناوبي وشبيه سازي آن .......... ١٠٧ -۵
۴- الگوريتم تخمين همزماني سمبل با استفاده از سمبل آموزشي وشبيه سازي آن ........... ١٠٩ -۵
۵- روش بهبود يافته تخمين همزماني سمبل با استفاده از سمبل آموزشي ويژه وشبيه سازي آن... ١١٣ -۵
فصل ششم- نتيجه گيري و پيشنهادها ....................................................... ١١٨
١- نتيجه گيري ........................................................ ١١٩ -۶
٢- پيشنهادها ........................................................ ١٢١ -۶
علائم اختصاري........................................................................ ١٢٣
منابع فارسي............................................................................... ١٢٨
منابع لاتين ................................................................................... ١٢٩
چكيده انگليسي............................................................... ١٣٢

چکیده :

انتشار چند مسيره از مهمترين عوامل محدود كننده ارسال اطلاعات با نرخ بيت بالاست. OFDM یکی از مناسبترين تكنيك هاي ارسال با نرخ بيت بالا از طريق كانال هاي انتخابگر فركانسي است كه با تقسيم سمبل هاي ارسالي بين چندين زير حامل وارسال همزمان آنها در مقابله با انتشار چند مسيره بسيار مقاوم وكاراست. با رشد روز افزون سيستم هاي پرظرفيت، كاربردهاي اين تكنيك روز به روز افزايش مي يابد. با اين حال روش OFDM مشكلاتي از قبيل حساسسيت به خطاهاي همزماني فركانسي و زماني و نويز فاز و بزرگي نسبت حداكثرتوان به توان متوسط (PAPR) را نيز به همراه دارد.

سنكرونيزاسيون مهمترين موضوع در تمام سيستمهاي مخابرات ديجيتال خصوصاً در سيستم هاي OFDM است. خطاهاي سنكرونيزاسيون نه تنها باعث تداخل بين سمبلها (ISI) مي شود بلكه باعث تداخل بين حاملها (ICI) نيز مي شود. در اين پروژه ابتدا به معرفي سيستم OFDM مي پردازيم سپس مشكلات عدم همزماني در OFDM و انواع سنكرونيزاسيون در OFDM را بيان مي كنيم. در نهايت به بررسي و شبيه سازي الگوريتم تخمين همزماني سمبل بااستفاده از پيشوند تناوبي مي پردازيم و بعد الگوريتم تخمين همزماني سمبل با استفاده از سمبل آموزشي ويژه را شبيه سازي مي كنيم. براي اين كار ابتدا به معرفي يك متريك زماني براي سمبل آموزشي ويژه مي پردازيم و با استفاده از آن نقطه شروع سمبل OFDM را به دست مي آوريم. سپس با اصلاح متريك زماني كه منجر به تعريف متريك زماني دوم مي شود سطح نامشخص تخمين انحراف زماني را كاهش مي دهيم. همچنين عملكرد بهتر روش سنكرونيزاسيون زماني دوم نسبت به روش اول با نمودارهاي BER و SER برحسب SNR های مختلف بررسي شده است.

دورنماي مخابرات نايل شدن به تكنيك هايي است كه نرخ انتقال بالاي اطلاعات را در محيط هاي مختلف بي سيم فراهم آورد. اين محيط ها مي توانند شامل مشخصه هاي چند مسيرگي، فيدينگ، نويز جمع شونده، و بالاخره تغييرات زماني كانال و يا به عبارتي شيفت داپلر باشند. امواج الكترومغناطيسي با مشخصه هاي مناسب انتشار در فضا، امكان ايجاد ارتباط بي سيم را تا مسافتهاي چندين كيلومتري با سرعت و پهناي باند مختلف فراهم مي كنند. سيستمهاي پخش گسترده راديويي و تلويزيوني با برد بالا نمونه هايي از كاربرد چنين سيستم هايي هستند. نسل اول سيستمهاي بي سيم (بخصوص مخابرات سيار) تا سال 1990، به منظور ايجاد ارتباط صوتي و ارسال داده با حداكثر نرخ بيت 2.4kbps استفاده مي شد. درچند سال اخير مخابرات بي سيم رشد چشم گيري داشته است. نرخ رو به رشد فناوريهاي تلفنهاي سيار، شبكه هاي WLAN و اينترنت موجب افزايش تقاضا جهت كسب ظرفيت بالا در شبكه هاي بي سيم گشته است. در حال حاضر اكثر سيستم هاي WLAN از استاندارد IEEE802.11 استفاده مي كنند كه حداكثر نرخ داده اي به اندازه 11Mbps را ارائه مي دهند. استاندارد هاي جديدتر WLAN مثل IEEE 802.11.a كه مبتني بر فناوري OFDM هستند نرخ داده هاي بالاتر از 54Mbps را حمايت مي كنند. درآينده نه چندان دور سيستم هاي WLAN به پهناي باندي بيشتر از 100Mbps نيازمند خواهند بود. بنابراين اصلاح طيفي و افزايش ظرفيت داده در سيستم هاي OFDM در كاربردهاي WLAN بسيار با اهميت است. همگرايي سرويس هاي دسترسي به اينترنت و فناوري مخابرات سيار با كاربردهاي چند رسانه اي صوت و تصوير كيفيت بالا در آينده نزديك ديده مي شود. مخابرات سيار نسل دوم (2G) مانند GSM سرعت های خيلي پاييني براي ارسال داده (9.6 – 14.4 kbps) فراهم آورده و هزينه بالايي در بر دارند كه در نتيجه، سودمندي اين سرويس را كاهش مي دهد. هدف مخابرات سيار نسل سوم و چهارم فراهم آوردن محدوده وسيعي از سرويس ها با نرخ داده بالا از قبيل ارائه سرويس هاي صوتي و تصويري باكيفيت بالا روي مخابرات سيار ، تلفن هاي تصويري و دسترسي پرسرعت به اينترنت است. سيستم هاي مخابرات سيار نسل سوم (3G) مانند UMTS نرخ داده بالاتري (64kbps-2Mbps) نسبت به  مخابرات سيار هاي نسل دوم مانند IS-95 و GSM ارائه مي دهند. همچنين سيستم مخابرات سيار نسل دوم فقط جهت سرويس هاي صوتي منظور شده است در حالي كه سيستم مخابرات سيار نسل سوم به سرويس هاي داده علاوه بر صوت تمايل دارد. سيستم مخابرات سيار نسل سوم از W-CDMA به عنوان روش مدولاسيون استفاده مي كند. اين مدولاسيون مقاومت خوبي در برابر اثرات چند مسيري داشته و همچنين نرخ داده انعطاف پذير و راندمان طيف بالائي را داراست. نرخ داده بالاتر سبب ايجاد سرويس هاي جديدتر از قبيل ارتباط بي سيم كامپيوترها، گزارش گيري از راه دور، دوربين هاي بي سيم مبتني بر web و سيستم هاي هدايتگر اتومبيل روي اتصال دائمي شبكه، شده است.

تقاضاي استفاده از طيف راديويي به شدت در حال افزايش است و سيستم هاي مخابرات سيار زميني فقط يكي از چند كاربرد رقيب براي پهناي باند مقتضي هستند. اين كاربردها نيازمند بودند كه سيستم راديويي مربوطه به صورت مطمئن محيط هاي با ديد غيرمستقيم (NLOS) با فاصله انتشار 0.5-30Km و سرعتي حدود 100km/hr يا بيشتر را حمايت كند و چنانچه در فركانسي بالاي فركانس مربوطه عمل شود افت مسير زيادي خواهيم داشت و همچنين شيفت داپلر بالاتر، در سرعت هاي بالا نيز اضافه خواهد شد. از محدوديت هاي مهم سيستم مخابرات سيار نسل سوم ارائه سرويس با نرخ بيت بالا ولي با هزينه بالاست.

OFDM كانديداي لايه فيزيكي سيستمهاي مخابرات سيار نسل چهارم (4G) است. در حال حاضر تحقيقات زيادي روي سيستمهاي مخابرات سيار نسل چهارم در حال انجام است. اين سيستمها احتمالاً بين سال هاي 2008 – 2012 گسترش خواهند يافت و جايگزين نسل سوم خواهند شد. تا به حال تعداد كمي از اهداف شبكه هاي نسل چهارم منتشر شده است گرچه كاربردها و قابليت هاي نسل سوم را گسترش خواهند داد و دسترسي جهاني بهبود يافته اي را ارائه خواهند داد. كاربردهاي شبكه هاي نسل چهارم مثل  4 – HDTV (Mbps 20 و شبكه هاي بي سيم كامپيوتري (1 – 100 Mbps) است. البته جهت پوشش دادن اين سرويس ها بايد هزينه هاي سرويس دهي نسبت به نسل سوم كاهش يابد. علاوه بر نرخ داده بالا بايد كيفيت سرويس دهي (QoS) بالا نيز نسبت به سيستم هاي سلولي رايج انجام شود. در سيستم هاي سلولي نسل سوم اين درصد بين 90 – 95 درصد پوشش است يعني ارتباط شبكه مي تواند روي 90 – 95 درصد سطح سلول حاصل شود. اين مقدار براي شبكه هاي WLAN كافي نيست. براي شبكه هاي نسل چهارم اين درصد به محدوده 99/5 – 98 رسيده است. جهت دستيابي به اين سطح از سرويس دهي نيازمنديم تا سيستم مخابراتي بسيار منعطف و انطباق پذير باشد. در بسياري از كاربردها، حفظ اتصال شبكه از دستيابي به نرخ داده واقعي، مهمتر است. هرچند محيط انتقال در بهترين شرايط مي تواند تا نرخ بيتهاي 20Mbps را حمايت كند ولي اگر مسير انتقال خيلي ضعيف باشد، براي مثال در يك زير زمين از ساختمان، جهت حفظ و پايداري لينك بايد نرخ داده كاهش يابد. بنابر اين براي شرايط حساس و محدود، نرخ داده ممكن است تا 1kbps هم كاهش يابد. به عنوان يك پيشنهاد جهت كاربردهايي كه نيازمند نرخ داده ثابت هستند كيفيت سرويس دهي مي تواند توسط تخصيص منابع اضافي به كاربران در ازاي مسير انتقال ضعيف اصلاح شود. به طور كلي براي شبكه هاي بي سيم پرظرفيت يك گزينه بسيار مناسب، مدولاسيون چند حاملي و به ويژه تكنيك تقسيم فركانسي متعامد OFDM است.

و...