بخشی از مقاله
خلاصه
به منظور دستیابی به ارسال ایمنتر در سیستمهای مخابرات بیسیم، معرفی روشهای ارسال مقاومتر در برابر کانالهای 25 mm نویزی، چندمسیره و متغیر با زمان، اهمیت بسیار یافته است و روشهای ارسال چندحاملی که به کارگیری آنها محدود به سالهای اخیر نیست، به طور وسیع مورد استفاده قرار گرفتهاند. در OFDM به عنوان یک روش ارسال چندحاملی از تبدیل فوریهی سریع FFT به منظور ایجاد تعامد در بین زیرحاملها استفاده میشود. در سالهای اخیر ایدهی استفاده از تبدیل بستهی موجک به عنوان جایگزین تبدیل فوریهی سریع در هستهی سیستم چندحاملی مطرح شده است.
در این مقاله، ویژگیها و ساختار دو طرح از مدولاسیون OFDM که عبارتند از FFT-OFDM و WPT-OFDM از جنبه-های مختلف بررسی شدهاند. همچنین عملکرد این سیستمها بر حسب پارامتر BER آنها در حضور کانال AWGN و با استفاده از منظومههای مختلف توسط نرم افزار MATLAB شبیهسازی و مقایسه شده است. نتایج به دست آمده از شبیهسازی نشان میدهد که میتوان عملکرد BER مدولاسیون OFDM را با به کار گیری تبدیل WPT که از خانواده-ی موجک مناسب استفاده میکندخصوصاً برای SNR های بالا بهبود بخشید.
کلمات کلیدی: MCM، OFDM، FFT، WPT، Daubechies6، Haar، Symlet6، مدولاسیون چند حاملی، مدولاسیون بستهی موجک
.1 مقدمه
- Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM یک روش مدولاسیون دیجیتال است که تعداد زیادی سیگنال باند باریک را که به صورت آهسته و با نرخ پایین مدوله شدهاند به جای یک سیگنال پهنباند که به صورت سریع و بانرخ بالا مدوله شده است، ارسال میکند. OFDM مرسوم به منظور اختصاص دادههای موازی به زیرکانالهای متعامد از تبدیل فوریهی سریع - FFT - استفاده میکند .[1] این تقسیم مزایایی دارد که از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
-1 این ارسال به صورت موازی برروی فرکانسهای مختلف صورت میگیرد تا ارسال دادهی دیجیتال در کانال با محوشوندگی چندمسیره را ایمنتر کند، زیرا این موضوع باعث میشود که محوشوندگی بر روی تعداد زیادی بیت پراکنده شود و اثر آن را تقلیل میدهد.
-2 به دلیل تعامد بین زیرکانالها، طیف آنها مجاز به همپوشانی با یکدیگر هستند که این منجر به افزایش کارایی پهنای باند میشود .[4-2]
-3 ارسال موازی همچنین طول سمبل را افزایش میدهد که به استقامت بیشتر سیستم در برابر تداخل بین سمبلی - ISI - ، کانالهای با محوشوندگی چندمسیره و کانالهای پهنباند با مشخصه نویز ضربهای میانجامد2]، 4، 5، 6،و.[7
-OFDM 4 سنتی به دلیل استفاده از تبدیل FFT از لحاظ پیچیدگی،روش ارسال چندحاملی نسبتاً سادهای به شمار میرود 6] و .[8
اما مشکل استفاده از تبدیل FFT در OFDM، سطح بالای لوبهای کناری آن است که تداخل بزرگی را موجب می-شود. برای کاهش این نوع از تداخل، OFDM یک بازهی محافظ - در حالت خاص پیشوند چرخشی Cyclic Prefix - - CP - در ابتدای فریمهای داده اضافه میکند. که این CP پهنای باند و توان اضافهتری را بدون حمل هیچگونه اطلاعات مصرف میکند و کاهش کارایی پهنای باند /توان را در پی دارد8]،6،4و.[9 برای مرتفع کردن این نقیصه در سیستم FFT-OFDM طرح جدید WPT-OFDM پیشنهاد میشود که بدون استفاده از CP هم میتواند به عملکرد مناسب دست یابد 9] و.[10در رابطه با این دو روش مطالعاتی در سالهای مختلف انجام شده است. در سال 2008، حساسیت این مدولاسیونها نسبت به نویز فاز و رانش فرکانس بررسی شد .
[5] در 2009 عملکرد آنها تحت نگاشتهای منظومهی 8-QAM، 16-QAM، 32-QAM و 64-QAM با تعداد 64 حامل و تنها با استفاده از موجک Haar برای شبیه سازی WPM مقایسه گردید و گزارش شد که عملکرد BER برای 8-QAM توسط WPM از سایرحالتهای مورد بررسی بهتر بوده است .[8] در 2013 مطالعات بیشتری در این زمینه انجام گرفت. در مرجع [6] به مقایسهی تئوری دو روش پرداخته شده و در [1] این دو روش با یکدیگر و همچنین مدولاسیون تک حاملی تحت نگاشت 16-QAM در حضور کانال AWGN تنها با استفاده از موجک Haar مقایسه شدند و نتایج نشان داد که WPM و ارسال تک حاملی عملکرد BER یکسان و بهتراز FFT-OFDM ارائه میدهند. در [2]، از نگاشتهای BPSK، QPSK و 4-QAM و با استفاده از موجک Haar برای مقایسهی دو روش مدولاسیون چندحاملی در کانال AWGN استفاده شد.
در [9]، عملکرد آنها برای سیستمهای چند حاملی MIMO و با استفاده از موجک Daubechies2 مقایسه گردید. در [4] محققان عملکرد دو روش را د کانال AWGN تحت نگاشت 2-QAM بررسی کردند و در شبیهسازی از موجک Daubechies8 و موجکهای دو متعامد استفاده نمودند.در این مقاله، عملکرد دو روش ارسال چند حاملی را برای تعداد 2048 حامل و نگاشتهای BPSK، 4-QAM و 16-QAM با استفاده از موجکهای Haar، Daubechies6 و Symlet6 در حضور کانال AWGN مقایسه نمودهایم که تا به امروز در مطالعات گذشته چنین کاری انجام نشده است.سایر بخشهای این مقاله به قرار زیر است: در بخش2 روش ارسال چند حاملی مالتیپلکس تقسیم فرکانسی متعامد OFDM بررسی میشود. در بخش3 به معرفی طرح مبتنی بر تبدیل فوریه FFT-OFDM پرداخته شده است. در بخش4 معرفی طرح مبتنی بر تبدیل بستهی موجک WPT-OFDM ارائه شده استنهایتاً. بخش5 به شبیهسازی و مقایسه و ارزیابی و بخش6 به نتیجهگیری اختصاص یافته است.
.2 روش ارسال چند حاملی مالتیپلکس تقسیم فرکانسی متعامد OFDM
OFDM به عنوان یک روش مدولاسیون چندحاملی دیجیتال به دلیل دایورسیتی فرکانسی، مقاومت سیگنال را در برابر تداخل های فرکانسی افزایش میدهد .[11] در این روش که پیچیدگی نسباًت کمی دارد، ارسال نرخ بالا در کانالهای به شدت مخرب امکانپذیر است. در شرایط بسیار بد کانال، OFDM برای مقابله با تداخل و به علاوه بالابردن کارایی پهنای باند، چندین سیگنال باند باریک مدوله شدهی آهسته را به جای یک سیگنال باند پهن مدوله شدهی سریع ارسال میکند، به گونهای که باند فرکانسی اصلی به چندین باند باریک تقسیم میشود و حساسیت سیستم را نسبت به نویز پالس ضربهای پهن باند و فیدینگ کانال سریع کمتر میکند 2]و.[5 در این حالت، زیرکانالها متعامد بوده و همپوشانی دارند. بنابراین حاملهای بیشتر و دادههای بیشتری میتوانند در یک پهنای باند معین ارسال شوند که این موضوع بازدهی پهنای باند را بسیار بالا میبرد. زیرا میتوان به طور همزمان N سمبل داده را روی N حامل ارسال کرد و نرخ داده در هر زیرحامل را به 1/N ام نرخ دادهی کلی کاهش داد.
همچنین بازهی سمبل به دلیل ارسال موازی افزایش مییابد در ننیجه برای کانالهای با مشخصهی نویز ضربهای مفید است 2]و.[4تازمانی که تعامد بین زیرحاملها برقرار است، زیرحاملهای مجاور بایکدیگر تداخل ندارند2]و[6و معمولاً پهنای باند زیرکانالها خیلی کمتر از پهنای باند همدوسی کانال بیسیم است. بنابراین ISI هر زیرکانال کوچک است. زمانی که OFDM از یک باند محافظ و یک همسانساز حوزهی فرکانس استفاده میکند نسبت به کانالهای با محوشوندگی فرکانسگزین مقاوم است و کارایی فرکانسی بالایی دارد، بنابراین OFDM یک روش ارسال کارآمد برای سیستم مخابرات بیسیم به حساب میآید .[8]در سالهای اخیر، OFDM توجه محققین زیادی را به دلیل تقاضای بیشتر مخابرات سیار سریع به خود جلب کرده و در شبکه های بیسیم محلی و شهری به تصویب رسیده و در اکثر استانداردهای متداول و کاربردی از جمله WiFi، WiMAX، DVB و3GPP/LTE استفاده شده است 1]و5و.[8
.3 معرفی طرح مبتنی بر تبدیل فوریه FFT-OFDM
در سیستم FFT-OFDM، جریان بیتهای اطلاعات ابتدا با استفاده از یکی از روشهای مدولاسیون دیجیتال از جمله PSK و QAM در سمت فرستنده بهگونهای نگاشت میشود که دادههای دودویی سریال به سمبلهای مختلط که نقاط منظومه هستند تبدیل شوند و سپس سمبلهای داده از سریال به موازی تبدیل شده به گونهای که N سمبل سریال، N سمبل موازی با طول زمانی N برابر و نرخ سمبل 1/N برابر را تشکیل میدهند. آنگاه از این N سمبل موازی تبدیل IFFT گرفته شده و نتیجهی آن یک سمبل OFDM میشود که از رابطهی زیر به دست میآید.که در آن f فاصلهی فرکانسی بین زیرحاملها و X k اطلاعات سمبل FFT است.
بعد از این که سمبل OFDM ساخته شد، یک بازهی محافظ اضافه میشود تا اثر ISI که به دلیل ارسال در کانال ایجاد شده است را کاهش دهد. بنابراین یک CP در ابتدای هر سمبل OFDM قرار میگیرد. در سمت گیرنده دادهها به طور معکوس با استفاده از تبدیل FFT، بازسازی شده به گونهای که میتوان پس از اعمال طرح دمدولاسیون متناظر، به همان جریان بیت ارسالی دست یافت 2]، 7 و.[9ایراد اصلی FFT این است که در آن توابع مبنا سینوسی و کسینوسی هستند و این حاملهای سینوسی، با شکل پالس مستطیلی باعث ایجاد لوبهای کناری بلند میشوند که ISI و ICI و NBI را افزایش میدهند بنابراین یک بازهی
