Projektowanie systemów radiokomunikacyjnych opartych na

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 113
Transport
2016
'0
B, (?X,*#
PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW
RADIOKOMUNIKACYJNYCH OPARTYCH
NA METODZIE OFDMA
NA POTRZEBY TRANSPORTU MORSKIEGO
/: kwie 2016
Streszczenie: W referacie przedstawiono podstawy projektowania systemów radiokomunikacyjnych
do szybkiej transmisji danych, opartych na metodzie OFDMA, na potrzeby morskich systemów
transportowych. ( radiokomunikacyjnego # % '>X e interfejsu radiowego OFDMA. … uwarunkowania projektowe interfejsu radiowego. ( # zeanalizowano
! % #! oraz warunków operacyjnych systemu.
% ! morskich systemach
transportowych.
S!
< OFDMA, transport morski, szybka transmisja danych
1. WPROWADZENIE
Problematyka szybkiej transmisji danych multimedialnych w systemach radiokomunikacyjnych dla transportu morskiego, #%'>, nabiera coraz szerszego znaczenia](X%%!
rozwojem radiokomunikacji komórkowej. W chwili obecnej problematyka projektowania
np. systemów monitoringu, % !X™
kowane Xyt szeroko analizowana. Powszechnie wiadoX% % transmisji obrazów jest nie do przecenienia z punktu widzenia
np. systemów transportowych, systemów systemów wspo!ochron !]
Niniejszy referat dotyczy projektowania , w tym
transportowych, !
metod transmisji i )@$', %
!, obej # A1. C ! % ]
182
+B
transmisyjne ! o >= MHz, co pozostaje
w % w systemie komórkowym LTE. Natomiast
transmisj! odby
]>X„B:](™
%%&X%! Xjest
!
X%metody transmisji OFDM.
Transmisja s!™
!, ]>‘X™
%!X!
30 km od stacji brzegowej. Projektowanie systemów radiokomunikacyjnych na potrzeby
!
&!#!#™
X%
%]
2. UWARUNKOWANIA PROPAGACYJNE
W systemie radiokomunikacyjnym przeznaczonym dla transportu morskiego mamy do
czynienia z transmisj ! ! ™
]+! “)+ ^!] “-of+!_X w tzw. linia – nadawczej
i odbiorczej] …
% ! fal radiowych w takich warunkach [2, 3, 6, 7, 9, 11], jest model transmisji dwupromieniowej, w X %
do odbiornika docier!]z nich “)+X
!odbita od powierzchni morza. W !™
& dwie !, odbite od przeszkód brzegowych lub
np. od nadbudówek albo kad. Sjednak niewiel!)@$]
…]> !#™
powiedzi impulsowej FIR, który | czterech
odczepów.
s(t)
D0(t)e-jI (t)
0
Ws(t)
s(t-Ws)
Ds(t)e-jI (t)
s
'W1(t)
s(t-Ws-'W1)
D1(t)z1(t)e-jI (t)
1
'W2(t)
s(t-Ws-'W1-'W2)
D2(t)z2(t)e-jI (t)
2
+
y(t)
Rys. 1. Ilustracja modelu szerokopasmowego w postaci filtru FIR
O projektowaniu systemów radiokomunikacyjnych OFDMA d
183
+!y(t) !%
%
propagacyjnych, z odmienn faz |e] typu
LOS, o amplitudzie zespolonej D0(t) i fazie I0. ™
dowej /¡] … ! odbit od powierzchni morza, o amplitudzie zespolonej Ds(t) i fazie Is. Dociera
/!¡]Dodatkowe
% z1(t) i z2(t)X.
/ jednoznacz
X%%!& potencjalne zmiany wysoko
ci jednostki
, np. w czasie sztormu oraz zmienne falowanie morza.
2.1. "$-$\&18X RADIOKOMUNIKACYJNEGO
Z punktu widzenia problematyki projektowania systemów opartych na transmisji OFDM,
bardzo istotna jest & ] ™
kimi parametrami, jak: X | ! ! p ] % !& maksymalne ™
!]
Badania prezentowane w [1, 4, 5, 8] X % w rozrzut |, w omawianych warunkach propagacji bardzo niewielkie. Rozrzut | !
X
a stacj !%%!
]( obu przy!%50 ns, a w najgorszym przypadku
nie przekracza 250 ns. Jest to niezwykle istotne z punktu widzenia projektowania interfejsu
! )@$] , | X % )@$% &X
bardzo dobr & interfejsu radiowego. Wiadomo z literatury [10]X %
&% w porównaniu z maksymalnym rozrzutem | propagacjiX & o znacznego pogorszenia
, !] G ! % %, % % w projektowanym &%%Tg,min = 1 Ps.
* % ™
X
™
!!](
raczej X
takich, ] “,?] ) X % !
& 'f ™
! )@$, z tego punktu widzenia, % & % w porównaniu do LTE.
184
+B
3. ANALIZA CHARAKTERYSTYK INTERFEJSU
RADIOWEGO OFDMA
W systemach OFDM symbole zespolone !
X%! !
™
. Proces !!
##X]IFFT. Rozmiar
#%
!)@$ ™
& <X ! & ] Š% transformaty
%
X
&X
^ _] ( przypadku naszego
systemu odpowiedni jest ro>=<„X%
od 512
i mniejsza od 1024.
3.1. PODSTAWY PROJEKTOWANIA INTERFEJSU OFDM
)!
& ! )@$ & % ™
& | !] ( w przypadku transportu morskiego w porównaniu np. z szybkimi samochodami w systemach naziemnych. Realnie najszybsze
!& 20, %<‘X %>[
X ’] Zatem nawet w najgorszym przypadku
%]ŠX!™
&, & !%&
]…%!%&z uwagi na to, %& niezawod !] @! !
& ™
&
'f !! 'f Doopler
(1)
i zaleca !
'fmin = 12 kHz.
;
& próbkowania stosowana w interfejsie radiowym %% od
'f !transformaty FFTSIZE, czyli
fs
FFTSIZE ˜ 'f
(2)
Natomiast czas TOFDM trwania symbolu OFDM jest odwrotnie proporcjonalny do przy
'f, czyli
TOFDM
1
'f
(3)
O projektowaniu systemów radiokomunikacyjnych OFDMA d
185
; TTR trwania symboli OFDMX ! ochronny Tg, wynosi
TTR
TOFDM Tg
(4)
Z% on od liczby Nsymb )@$ X stanowi pojedyncza szczelina czasowa o czasie trwania Tslot = 0,5 ms. * % trwania symbolu OFDM, tym mniejsza jest liczba symboli Nsymb szcz];zatem
TTR
Tslot
N symb
(5)
C%X % !
& 'fX % &
w jednostce czasu. Dla!X % w ostatnim akapicie punktu 2.2,
zwyczajnie %& 'fX ! #
& transmisji.
C raczej odpowiednie dobieranie czasowych )@$. $%!&
™
niu czasu TOFDMX ! )@$X & jednej
szczelinie czasowej (0,5 ms)]Š
Tg &
Tg ! 'Tdelay
(6)
gdzie 'Tdelay | ! !] nacznie
bezpieczniej jest, gdy Tg >> 'Tdelay]CX%Tg &
od 'Tdelay w znacznym procencie czasu obserwacji.
3.2. ANALIZA CHARAKTERYSTYK SYSTEMU
T!™
>=$:, w trybie w dupleksu czasowego TDD. Oznacza to,
%
^™
_ ! (do stacji brzegowej). Podstawowe parametry techniczne proponowanego systemu zebrano w tab. 1.
Natomiast w tab. <
#!, !%™
nej liczby symboli OFDM w pojedynczej szczelinie czasowej (0,5 ms) oraz % od
!
] ( !
&, !
RpX! ™
Rmin, uzyskanej podczas analizy (najgorszy przypadek). Taki sposób
przedstawienia wyników % % ! odmiennych #! ! | #™
186
+B
#interfejsu radiowego. Ponadto, dla porównania, w tab. <%
!dwóch konfiguracji stosowanych w systemie LTE: dla 7 symboli OFDM (tzw. krótki przedrostek cykliczny) oraz dla 6 symboli
OFDM w szczelinie (tzw. krótki przedrostek).
Tablica 1
Podstawowe parametry techniczne projektowanego systemu
Parametr
*(#‘
@ wielokrotny / metoda dupleksu
;
&
^_
Modulacja
^_
Rozmiar transformaty FFT
Liczba symboli OFDM w jednej
szczelinie (0,5 ms)
Rozmiar bloku zasobów
OFDMA / TDD
1,4 GHz
10 MHz
QPSK i 16 QAM
Kod splotowy (3,1,9)
1024
6, 7 lub 8
12 podno
nych razy 8 (7 lub 6) symboli OFDM
Tablica 2
"
((
%
2.
!+5
!!2.
Nsymb
Liczba
4#
'f [kHz]
TOFDM [Ps]
TOFDM+Tg [Ps]
Tg [Ps]
Rp/Rmin
83,33
71,43
62,50
2,49
2,84
1,26
1,57
1,56
1,59
166,67
125
100
2,59
2,55
2,04
1,60
1,59
1,59
83,34
71,43
16,67
~4,76
1,19
1,39
Normalne 'f
6
7
8
792
672
600
12,37
14,58
16,33
3
4
5
1608
1200
960
6,09
8,17
10,21
6
7
600
600
15
15
80,84
68,59
61,24
Zmniejszone 'f
164,08
122,45
97,96
System LTE
66,67
66,67
Š&X% %#!
& w taki sposób, aby #
& ] Faktycznie
oli OFDM w jednostce czasu daje nieco lepsze wyniki,
mierze !!
!]
Š% Tg = 1,26 PX ! X faktycznie najkorzystniejszy jest wariant 8 symboli OFDM, przy zachowaniu 'f > 12 kHz.
C% %X%
™
X ! &
'fX%&ystana dla tej konfiguracji. 'f ™
!%% &, %zmniej!
]
$%% %&X%%
'f mniej%>2 :X%™
& & interfejsu !] C% X %
! ! ™
O projektowaniu systemów radiokomunikacyjnych OFDMA d
187
X w synchronizacji oraz & ™
, co oznacza z kolei %
& oblicze]raczej nieuzasadnione.
!)
)
R/R
R/R
1.70
1.70
1.60
1.60
1.50
1.50
1.40
1.40
1.30
<=>!
1.30
1.20
1.20
1.10
LTE 6 !
1.10
1.00
0.00
1.00
5.00
10.00
15.00
20.00
0.00
5.00
10.00
8 !&:%;
LTE 6 !
7 !&:%;
6 !&:%;
15.00
20.00
T [Ps]
T [Ps]
5 !&:%;
4 !&:%;
3 !&:%;
LTE 7 !
Rys. 2. "
&Rp/Rmin w funkcji czasu Tg, %#!
)@$Y_
'f > 12 kHz, b) wykres dla mniejszych 'f
( %
! # !
czasu ochronnego pokazano na rys. 2. Z przedstawionych wykresów wynika, %!
&%!!]% ™
tów zaznaczonych na wykresach odpowiada wariantowi konfiguracji, który jest potencjal % ] )
ochronny oznacza zmniejszenie odwrotnie] %& raczej Tg.
…
'f ]@™
!# 'f %>2 kHz. (%zauwa%&X% czasów ochronnych Tg &!
symboli OFDM w szczelinie czasowej.
Š
wspomniano, !X%™
%&%> P])X% naszym
% & € )@$ ] ( ! &, która, j & na
rys. 2, od !ych w systemie LTE.
4. PODSUMOWANIE
(##!™
!)@$'X!, pracu! % !, który % |& w transporcie morskim. Jak wspomniano, morskim ! # ! )@$] Wynika to po pierwsze
188
+B
!| propagacji wielodrogowej oraz, po drugie, z relatywnie ma!! X ™
]( propagacyjnym mamy %™
& zastosowania wanymi
symbolami OFDM. @ temu % !e %#
™
korzystania zasobów fizycznych systemu, która jest nieco % ] uzyskiwana w
systemie naziemnym “,?])X%metoda OFDMA jest rekomendowana do zastosowania w systemach radiokomunikacji morskiej na potrzeby transportu morskiego.
Bibliografia
1. Lee Y.H., Dong F., Meng Y.S., Near Sea-Surface Mobile Radiowave Propagation at 5 GHz: Measurements and Modeling. Radioengineering, vol. 23, no. 3, September 2014.
2. Matolak D.: AG Channel Sounding for UAS in the NAS, NASA, Project presentation. University of
South California, 2014.
3. Matolak D.: Air-Ground Channels & Models: Comprehensive Review and Considerations for Unmanned
Aircraft Systems, DOI 978-1-4577-0557-1/12/$26.00, IEEE 2012.
4. Matolak D., Shalkhauser K., Kerczewski R, L-Band and C-Band Air-Ground Channel Measurement &
Modeling for Over-Sea Conditions, Aeronautical Communications Panel, 30th Meeting of Working
Group F. Seattle, Washington, USA, 2014.
5. Matolak D., Shalkhauser K., Kerczewski R, L-Band and C-Band Air-Ground Channel Measurement &
Modeling Update, Aeronautical Communications Panel, 31st Meeting of Working Group F. Seattle,
Washington, USA, 2014.
6. Matolak D., Sun R.: Air-Ground Channel Characterization for Unmanned Aircraft Systems: The OverFreshwater Setting, DOI 978-1-4799-4891-8/14/$31.00, IEEE 2014.
7. Matolak D., Sun R.: Antenna and Frequency Diversity in the Unmanned Aircraft Systems Bands for the
Over-Sea Setting, Project presentation. University of South California, 2014.
8. Newhall W.G., Mostafa R., Dietrich C., Anderson C. R., Dietze K., Joshi G., Reed J.H., Wideband Airto-Ground Radio Channel Measurements Using Antenna Array at 2 GHz for Low-Alititude Operations.
DOI 0-7803-8140-8/03/$17.00, IEEE 2003.
9. Parsons J.D.: The mobile radio propagation channel, 2nd ed. Wiley 2000.
10. Yang S.,C., OFDMA System Analysis And Design, Artech House 2010.
11. Zajic A.: Mobile-to-Mobile Wireless Channels. Artech House, 2013.
DESIGN OF OFDMA-BASED RADIO COMMUNICATION SYSTEMS
FOR MARITIME TRANSPORT
Summary: In the paper the principle of OFDMA-based radio communication systems of high-speed data
transmission for maritime transport systems is presented. In the first part basic characteristics of radio communication channel in the A1 sea zone, having an effect on the process of OFDMA systems design is characterized. Subsequently, basic characteristics of proposed system and the conditions of radio interface design
are described. In the last part of the paper achieved throughput for various configurations of radio interface
and different system operating conditions are analysed. The proposed solutions are useful for the realization
of multimedia services in maritime transport systems.
Keywords: OFDMA, maritime transport, high-speed data transmission
#…;G/
nr DOB-BIO6/09/5/2014.