بخشی از مقاله

چکیده:
این مقاله، با شبیهسازی لایه فیزیکی یک سیستم wimax با استفاده از استاندارد IEEE 802,16-2004 که برای کاربران ثابت تدوین شده است، به لایه فیزیکی Wimax ویدوئی به فرمت MPEG4 اعمال میشود و این شبیهسازی در محیط نرمافزار MATLAB صورت گرفته و به منظور رسیدن به کیفیت و ضریب نفوذ مطلوب در شبکههای Wimax طراحی شده است.
با انجام شبیهسازی روی این سیستم، مدولاسیون BPSK با کدینگ 1/2 در سیگنال به نویزهای مختلف، بالاترین PSNR و بیشترین مقاومت را در برابر نویز دارد و بعد از آن مدولاسیون QPSK با کدینگ 1/2 و در آخر مدولاسیون QPSK با کدینگ 3/4 قرار دارد.در آزمایشهای انجام شده بر روی فایلهای ویدئویی، با فشرده سازیهای متفاوت چون خطای چشم در قضاوت بر روی کیفیت ویدئویی تأثیر زیادی میگذارد و از PSNR به عنوان فاکتور مناسبی جهت قضاوت و تعیین کیفیت تصاویر تضاد شده است.

واژههای کلیدی:وایمکس، لایه فیزیکی استاندارد IEEE 802,16 -2004، مدولاسیون وفقی، . OFDM

مقدمه
با گسترش ارتباطات نیاز به داشتن شبکههای بی سیم که افراد بتوانند با یکدیگر، در هر نقطه از یک شهر با یکدیگر ارتباط برقرار کنند احساس شد. با توجه به این، انجمن مهندسین برق و الکترونیک، استاندارد IEEE 802,16که امروز به وایمکس، معروف شده است را تدوین کرد. در راستای پیادهسازی شبکههای مبتنی بر این استاندارد از نرمافزارهای متعددی نظیر، OPNET, NS2، Qual NET استفاده شده است. که اغلب به شبیه سازی اجزا و پوشش شبکه پرداخته و دارای محیطی گرافیکی میباشد.پیاده سازی لایههای شبکه در محیط نرمافزار MATLAB و سیمولینک، به خاطر دسترسی به پارامترهای طراحی، به درک صحیح و بهبود آن کمک میکند.

استفاده از تکنیک OFDM در لایه فیزیکی استاندارد IEEE 802,11 به مانند Wimax، باعث شد که بتوانیم، بهینهای از پهنای باند داشته باشیم، این مدولاسیون با ایجاد حاملهای متعامد میتواند صرفهجویی چشمگیری دراستفاده از پهنای باند نماید. به طور کلی این استاندارد از دو لایه مهم MAC و لایه فیزیکی تشکیل شده است که به طور مستمر برای تطابق با محصولات جدید دچار تغییرات میگردد و این باعث شده است که شبیهسازی استاندارد IEEE 802,16 تسهیل گردد. از آنجا که این دو استاندارد از بسیاری جهات مشابه یکدیگر میباشند، با بررسی تفاوتها و الزامات استاندارد جدید وایمکس، به شبیهسازی لایه فیزیکی آن میپردازیم.[4]

اگر بخواهیم به طور اجمالی قسمتهایی را شرح دهیم که در اینتکنولوژی مورد استفاده قرار میگیرد، میتوان گفت که مانند تمام سیستمهای مخابراتی دارای سه بخش عمده فرستنده، گیرنده و کانال است؛ اما تفاوت اساسی آن با دیگر سیستمها در اعمالی است که لایههای مختلف بر روی اطلاعات انجام میدهند، چون وایمکس و دیگر تکنولوژیهای اخیر ارتباطاتی ماهیتی شبکهای دارند، لاجرم این تفاوتها را میبایست در طراحی لایههای شبکه و پردازش اطلاعات جستجو کرد.برای حصول اطمینان از نحوه کارکرد صحیح مدل پیشنهادی، اطلاعات ویدیوئی را در مدولاسیونهای QPSK و BPSK برای شرایط کانالی و سیگنال به نویزهای مختلف ارسال و بازسازی نمودهایم. نتایج این شبیهسازی به صورت نمادی از نرخ خطای بیتی بر حسب سیگنال به نویز نمایش داده شده است.

-2فرستنده سیستم

این قسمت از مدل وظیفه تبدیل اطلاعات به نمونههای ارسال در کانال انتقال را بر عهده دارد و شامل قسمتهای زیر است:

-1-2 منبع اطلاعات:

در اینجا نیاز به ارسال دادهها با فرمتهای متفاوت داریم، پس میبایست ابتدا این اطلاعات به دسته بیتهای قابل انتقال در این لایه تبدیل شود. این بلوک دیتاهای ورودی را، قبل از اینکه وارد بلوکهای کد کننده بشوند، به صورت تصادفی در هم می آمیزد، تصادفی ساز، یک دنباله باینری شبیه تصادفی، به دنباله بیت اصلی، - که یا به صورت ارسال از ایستگاه پایه به مشترک است و یا به صورت ارسال از مشترک به ایستگاه پایه است - اضافه میکند. این دنباله بیت تصادفی، برای اجتناب از خطاهای ناشی از دریافت صفر و یکهای پشت سر هم توسط گیرنده صورت میپذیرد.هدف از تصادفیسازی دادهها، برای بهتر عملیات کدینگ است که در بلوک بعدی اجرا میشود.

کار به کمک مولد دنبالهی بانیری شبه تصادفی که از یک شیفتریجستر 15 مرحلهای، با مولد چند جملهای 1+ 14 + 15 و گیتهای XOR ساخته میشود، دریافت مقادیر اولیه این بلوک مطابق استاندارد در هر بار پروسه انجام میپذیرد. [8] این تکنیک در شکل شماره - 3 - نشان داده شده است.در حالت ارسال سیگنال از ایستگاه پایه به مشترک - مستقیم - و یا برعکس، ریجستر با مقدار 100101010000000 بارگذاری اولیه میشود و هر بایت از دیتا، که ارسال شود، از ارزش بیشتر به طور پیوسته، به تصادفیساز وارد میشدو و با هر پالس ساعت، بیتهای 14 و 15 با هم، XOR میشوند و به بیت شماره یک - بیت با ارزش بیشتر - منتقل می شود و ریجستر یک واحد به سمت راست شیفت پیدا می کند و در همان حال با اولین بیت از دنباله ورودی XOR میشود و به خروجی انتقال داده میشود برای تمام دنباله ورودی ادامه مییابد.

-2-2 کدکننده و تصحیحگر خطا
در فرستنده و گیرنده وایمکس، بلوکهای تصحیحگر خطا و کدکننده جهت کاهش خطا و پیادهسازی الگوریتم متنوعی از مدولاسیون و کدینگ به کار رفته است.این بلوک به طور وظیفه کد کردن اطلاعات و تصحیح خطا بر عهده دارد همچنین استفاده از واحدهای تصحیحگر خطا مانند کدکننده ریدسلمون و کانولوشن به عنوان بخشهایی هستند که در این سیستم باعث به حداقل رسانی خطا میشوند، بدین معنا که بعد از اینکه دیتاها تصادفیسازی شدند، وارد کدکنندهی رید - سولومون میشوند.[9] برای رسیدن به سرعتهای کدینگ متنوع در خروجی و انعطاف بالاو این که بتوانیم اجازه ساخت انواع بلوکها با اندازههای مختلف را داشته باشیم بعد از این بلوک عمل پانچکاری بر روی اطلاعات کد شده صورت میپذیرد، این عمل که با پاک کردن بیتهایی از اطلاعات ورودی که دارای سرعت انتقال پائینی هستند، باعث میشود اطلاعاتی با سرعت بالا در خروجی این ظاهر شود.

در انتهای این قسمت از کدکننده، بلوک Interleaver به جهت اینکه بتوان میزان درهمریزی بیتها را افزایش یا کاهش داد و هر چه میزان درهمریزی افزایش پیدا کرد در نتیجه، میزان از هم دور شدن بیتهایی که نویزی شدهاند، افزایش پیدا میکند، و باعث میشود که در مرحلهی دی کدکردن نرخ خطای بیت کاهش پیدا کند. شکل شماره - 1 - این قسمت از مدل را نشان میدهد. [5] این بلوک توسط عملیات سطری، ستونی با چیدن بیتها از نمونه های مختلف در کنار هم، به جای چیدن بیتها از یک نمونه، امکان وقوع خطا را به طور محسوس کاهش میدهد.
 
-3-2 نگاشتگر فاز و دانه
نای متد تقریباً در تمام سیستمهای بیسیم به کار میرود. بدین صورت که بیتهای ورودی به دامنه و فازهای معینی نگاشت میشوند.در این مرحله اطلاعات کد شده وارد بلوک مدولاتور فاز و دامنه میشود.این نگاشت مدولاسیوهای BPSK ، QPSK ، با کدینگهای 1/2 و 3/4 را پشتیبانی میکند.خروجی این بلوک بردارهای فاز و دامنه مختلط میباشد و به این بلوک نگاشتگر فاز و دامنه میگویند.این عمل جهت کاهش خطای بیتهای ارسالی بسیار مفید است زیرا، در گیرنده در صورت انحراف از مقدار واقعی به راحتی قابل تصحیح است. شکل شماره 1 این قسمت از مدل را نشان میدهد. [5]

-4-2 نرمالیز کننده:
بعد از عملیات نگاشت کردن، نقاط مختلط به دست آمده در یک فاکتور نرمال کننده ضرب میشوند تا مقدار توان متوسط برابری برای نمونهها در مدولاسیونهای مختلف داشته باشیم.این ضرایب برای مدولاسیونهای مختلف در جدول شماره 1 آورده شده است. [1]

-5-2 مدولاتور OFDM و تبدیل فوریه معکوس : - IFFT -
OFDM یک تکنیک انتقال بسیار قوی اطلاعات است که براساس اصل همزمان n فرکانس متعامد است و اغلب به زیرحاصلهای OFDM شناخته میشود. منظور از تعداد زیرحاملها، تعداد فرکانسهایی است، که نسبت به هم متعامد هستند و از نظر تئوری تداخل میان کانالها را حذف میکند. پهنای باندی که به هر کدام از این کانالها اختصاص مییابد کمتر از کل پهنای باند سیگنال اصلی - که به حامل تک شناخته میشود - ، است .[9]در این مرحله میبایست اطلاعاتی که جهت آگاهی از شرایط کانالی و منظورهای خاص مانند امنیت و سرویسها میباشند، تحت عنوان بیتهای آموزشی به نمونه OFDM اضافه گردد، فریم ساخته شده که ماهیت ماتریسی دارد، جهت ورود به بلوک بعدی یعنی IFFT صفرگذاری میشود، تا به اندازه این بلوک متناسب گردد 6] و . [1 اطلاعات خروجی از بلوک قبلی وارد بلوک IFFT میشوند تا به حوزهی زمان آورده شوند.

-6-2 اضافه کردن Cyclic Prefix - الحاق پیشوند چرخهای - :

اثرات ناشی از انتشار در محیطهای چند مسیره موجب تداخل میان نمونهها میشود و همچنین باعث میشود که نمونههای ارسالی متوالی با تأخیرهای متفاوت به گیرنده میرسند.برای بررسی پیشوند چرخهای آن را در دو حوزه زمان و فرکانس بررسی میکنیم. در حوزه زمان تعدادی بیت، از انتهای سمبلOFDM برداشته و ابتدای سمبل OFDM، اضافه میکنیم. این تکنیک در شکل شماره - 6 - نشان داده شده است. این پیشوند چرخهای کارایی سیگنال OFDM را در برابر تأخیر ناشی از انتشار سیگنال افزایش میدهد و همچنین باعث حفظ متعامد بودن فرکانس میشود.

-3گیرنده سیستم:

بعد از عبور سیگنال از فضای آزاد، سیگنال به گیرنده می رسد. سیگنالی که به گیرنده میرسد دچار نویز، محوشدگی، اتلاف توان و.. شده است. درگیرنده، برای رسیدن به سیگنال اصلی بایستی کلیه کارهایی که در فرستنده، بر روی سیگنال انجام شده تا ارسال شود، به طور معکوس انجام شود تا به سیگنال اصلی برسیم. به این صورت که در اولین بلوک گیرنده CP حذف شده و سیگنال توسط بلوک FFT با اندازه 256، از حوزه زمان به حوزه فرکانس برگردانده میشود. حاصل این مرحله حاملها با فرکانسهای متعامد میباشد. در مرحله بعد گاردباندها و پایلوتها حذف شده و اطلاعات آموزشی مربوط به تخمین کانال استخراج میگردد. پس از آن اطلاعات وارد عکس نرمالیز کننده شده و بعد از تطابق با یکی از مقادیر ثابت در آشکارساز فاز و دامنه، به بیتهای متناظر تبدیل میگردند. این بیتها از مرحله عکس تصحیح خطای پیشرونده که شامل De-interlever و پانچ کننده است میگذرد، تا به دادههای خام اولیه مبدل شد. [5] شکل - 5 - بلوک دیاگرام یک دیکد کننده در گیرنده و شکل - 4 - بلوک دیاگرام یک بازیابکننده را نمایش میدهد.

-4کانال انتقال
محیط انتقال به خاطر عواملی چون محوشدگی، متغیر با زمان بودن و نویز و تأخیر ناشی از انتشار در مسیرهای چندگانه، باعث ایجاد اختلالاتی چون تداخل میان نمونهها و محوشوندگی میشود.

اضافه کردن CP به عنوان روشی برای حذف تداخل مابین نمونهها استفاده میشود. 3] و [1

-5نتایج شبیهسازی:
-1-5 بررسی مدولاسیون کدینگ وفقی:

-1-5الف: مقایسه مدولاسیونهای BPSK و QPSK با کدینگ 1/2 و QPSK با کدینگ 3/4

در این مقاله، برای شبیه سازی لایه فیزیکی Wimax براساس استاندارد IEEE802,16,2004 اجزا و بلوکهای مورد نیاز معرفی شد. سپس برای اطمینان از کارکرد مدل شبیهسازی شده یک فایل ویدیوئی را در لایه فیزیکی طراحی شده، ارسال و بازیابی نمودیم. در این پوشش جهت ارسال از دو مدولاسیون 2-PAM و BPSK و QPSK، استفاده شد. نتایج حاصل از این مدولاسیونها و کدینگها بررسی میشود.برای بررسی نتایج، سیگنال به نویزهای مختلف را به سیستم اعمال میکنیم و کیفیت ویدیوئی دریافتی در سمت گیرنده با معیار PSNR و نرخ خطای بیت گزارش میشود. نتایج حاصل از این تلاش در شکل - 8 - نشان داده شده است.با انجام شبیهسازی روی این سیستم، مدولاسیون BPSK با کدینگ 1/2 در سیگنال به نویزهای مختلف، بالاترین PSNR و بیشترین مقاومت را در برابر نویز دارد و بعد از آن مدولاسیون QPSK با کدینگ 1/2 و در آخر مدولاسیون QPSK با کدینگ 3/4 قرارداد، که با انتظارات استاندارد مطابق است.

-1-5ب: مقایسه مدولاسیونها براساس کیفیت فیلمها در حضور نویز:

در این آزمایش نویز باید از حد مشخصی کمتر باشد زیرا در نویزهای بالا فیلم دریافت شده در درجه کیفیتی است که اصلاً قابل مشاهده و قضاوت نیستند. مرز حداکثر نویز با توجه به نوع مدولاسوین متفاوت است. شکل - 9 - تأثیر مدولاسیونهای مختلف را براساس مقایسه PSNR و در حضور نویز نشان میدهند. در این شکل نشان داده شده است که برای داشتن کیفیت فیلم مطلوبتر در هنگامی که کانال دارای نویز بالاست باید از مدولاسیونهای پایین استفاده کرد.

-1-5ج: مقایسه مدولاسیونهای متفاوت از دیدگاه مدت زمان ارسالی برای ارسال دادهها:

با مقایسه سه نرخ کدینگ در دو مدولاسیون، این نتیجه حاصل میشود،که مدولاسیون BPSK با نرخ کدینگ 1/2 ، به مراتب دارای نرخ خطای بیت کمتری است و با شیب تندی به سمت صفر میل میکند و در حالیکه در مدولاسیون QPSK با نرخهای کدینگ 1/2، 3/4اولاً اینکه، در مقایسه با BPSK به مراتب نرخ خطای بیت بالاتری دارد.در مورد PSNR هم، همین شرایط حاکم است، بدین معنی که BPSK به مراتب دارای PSNR بیشتری است و دو کدینگ دیگر با مدولاسیون QPSK ، در کمتر از 5 دسی بل رفتار نوسانی دارند به طوریکه در بعضی از سیگنال به نویزها، نرخ کدینگ 1/2، PSNR بیشتری نسبت به کدینگ 3/4 و در برخی دیگر، برعکس این حالت اتفاق میافتد.این ادعا به طور عملی در شبیهسازی و ارسال تصاویر ویدیوئی کاملاً قابل مشاهده است که در عمل باید به آن توجه کامل داشت. شکل 7 زمان ارسال مدولاسیونهای مختلف را مقایسه میکند.

:2-5 تأثیر نویز بر روی تصویر ویدیوئی با فشردهسازیهای مختلف و بررسی حضور نویز درکانال انتقالی Wimax

ابتدا فشردهسازی در رنج 224KB/S - 4KB/S بر روی تصاویر مرجع زبان اشاره انجام شده این فشردهسازی تأثیر زیادی بر روی کیفیت تصاویر دارد و این تأثیر را به صورت شطرنجهای ماتی که تصویر پیدا میکند میتوان مشاهده کرد. در آزمایش انجام شده تصاویر زبان اشاره با فشردهسازیهای متفاوت در کانالی با نویزهای 25db تا 35db عبور داده شده. به خوبی میتوان مشاهده کرد هر

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید