Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: 2013 15 5 Bitová chybovost přenosu dat v systému LTE Bit error ratio in LTE data transmission Petr Navrátil xnavra37@stud.feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Abstrakt: Článek popisuje vytvořený model pro zpracování signálu ve fyzické vrstvě mobilního systému LTE, jak pro část uplink, tak i pro část downlink. Procedury ve vyšších vrstvách nejsou v modelu zahrnuty. Pomocí vytvořeného modelu je možné stanovit bitovou chybovost (BER) systému při zvoleném odstupu signál / šum ve zvoleném přenosovém rádiovém prostředí. Pro simulaci modelu bylo využito prostředí programu Matlab. Část přenosových rádiových prostředí byla převzata z modelu realizovaného na TU Wien. Celý měřící model vznikl v rámci řešení diplomové práce na téma Modely systému LTE. Abstract: Article describes created model for signal processing in physical layer of mobile system LTE for uplink and downlink. Procedures in higher layers are not used in this model. Created model is used to measure bit error ratio (BER) for different value signal / noise ratio in various radio environments. For simulation is used program Matlab. Some radio environments were taken from model created at TU Wien. Complete simulation program was created to solve my diploma thesis named LTE system models.
VOL.15, NO.5, OCTOBER 2013 Bitová chybovost přenosu dat v systému LTE Petr Navrátil Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: xnavra37@stud.feec.vutbr.cz Abstrakt Článek popisuje vytvořený model pro zpracování signálu ve fyzické vrstvě mobilního systému LTE, jak pro část uplink, tak i pro část downlink. Procedury ve vyšších vrstvách nejsou v modelu zahrnuty. Pomocí vytvořeného modelu je možné stanovit bitovou chybovost (BER) systému při zvoleném odstupu signál / šum ve zvoleném přenosovém rádiovém prostředí. Pro simulaci modelu bylo využito prostředí programu Matlab. Část přenosových rádiových prostředí byla převzata z modelu realizovaného na TU Wien. Celý měřící model vznikl v rámci řešení diplomové práce na téma Modely systému LTE. 1 Úvod Mobilní systém LTE (Long Term Evolution) je systém schopný přenést vysoké datové toky, teoreticky až 100 Mbit/s ve směru downlink a 50 Mbit/s ve směru uplink. Nabízí také variabilní šířku pásma od 1,4 MHz až po 20 MHz. Na rozdíl od předchozího mobilního systému UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) se v systému LTE využívá techniky OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Systém LTE dále využívá kmitočtový (FDD) a časový (TDD) duplex a nabízí i současné použití více antén (technologie MIMO, diverzita). Dle přidělené šířky pásma pro komunikaci je stanoven počet zdrojových bloků. Jeden zdrojový blok je definován v kmitočtové oblasti jako 12 subnosných pro jeden časový slot s délkou 0,5 ms. Jeden časový slot obsahuje dle zvoleného cyklického prefixu 7 nebo 6 OFDM symbolů. Rámec systému LTE se skládá celkem z 10 subrámců po 1 ms a každý subrámec se skládá ze dvou slotů (obrázek 1). V následujících odstavcích je popsána fyzická vrstva systému LTE a typy přenosových rádiových kanálů. Fyzická vrstva systému LTE je podrobně popsána ve specifikacích mezinárodní organizace 3GPP. Jedná se především o specifikace 36.211 [2] Fyzické kanály a modulace, 36.212 [3] - multiplexování a kanálové kódování. Druhá kapitola prezentuje dosažené hodnoty chybovosti přenosu a je rozdělena na dvě části. V první části jsou prezentovány výsledky simulace přenosu chybovosti v závislosti na odstupu S/N. Druhá část je věnována pozorování chybovosti přenosu na zvoleném snímku. 1.1 Model pro downlink Datová komunikace ve směru downlink může zpracovávat současně až dvě kódová slova a využívat tak technologii MI- MO. Stejně jako směr uplink, používá i downlink modulace, 16-QAM a 64-QAM. Blokové schéma pro vysílací stranu ve směru downlink je na obrázku 2. Obrázek 1: Rámec systému LTE Obrázek 2: Blokové schéma pro downlink 290
VOL.15, NO.5, OCTOBER 2013 V prvním bloku se vstupní signál (transportní blok) zabezpečí CRC kódem a v případě potřeby probíhá dále jeho segmentace na menší části (segmenty). Každý segment prochází kanálovým kodérem, který je pro datové signály realizován turbo kodérem s poměrem 1/3. Na výstupu turbo kodéru jsou segmenty ukládány do kruhového zásobníku pro vyrovnání přenosové rychlosti a pro případné vyžádání opakování přenosu dat HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request). Na výstupu kruhového zásobníku dostáváme kódové slovo, které se dále skrambluje. Dle zvolené modulace se provede mapování symbolů a případně, dle konfigurace přenosu na jedné nebo více antén, se provede rozložení kódového slova pro jednotlivé antény. Následují bloky mapování a OFDM multiplex, který je realizován pomocí inverzní Fourierovy transformace IFFT. Signál v časové oblasti podle požadavků transponujeme na požadovanou nosnou (up convertor). Po průchodu rádiovým prostředím jsou na přijímací straně realizovány inverzní operace. Na přijímací straně je realizován i blok jednoduchého ekvalizéru typu Zero Forcing, který se užije pro všechna přenosová prostředí mimo AWGN kanálu. Jeho úkolem je vykreslit hrubý odhad přenosového kanálu, dle známých hodnot referenčních subnosných. Pro zajištění přesnějšího odhadu kanálu je nutné použít MMSE (Minimum Mean Square Error) ekvalizér a vhodnou interpolaci přenosu mezi referenčními subnosnými, jelikož Zero Forcing ekvalizér ztrácí přesnost s klesajícím odstupem S/N. 1.2 Model pro uplink Směr uplink se odlišuje především ve způsobu použité multiplexace výstupu, využívá multiplex SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Rozdíl mezi OFDMA a SC-FDMA je patrný na obrázku 3. Obrázek 4: Blokové schéma pro uplink 1.3 Přenosové rádiové kanály Jako jeden ze základních přenosových kanálů je realizován Gaussovský kanál (AWGN kanál). Signál je přijat přímou cestou a je pouze utlumen na velkou nebo malou hodnotu. Obrázek 3: Multiplex OFDM a SC-FDMA [4] Mapování dat v modelu pro uplink je realizováno lokalizovaně (Localized), dle zvoleného počtu použitých rádiových bloků před spuštěním simulace. K tomuto účelu se před aplikací IFFT vstupní signál upraví pomocí diskrétní Fourierovy transformace (DFT). Důvod použití technologie SC-FDMA je především v úspoře energie akumulátoru mobilního zařízení. Blokové schéma přenosu pro uplink je na obrázku 4. Obrázek 5: Gaussovský kanál [5] Pokud se již vyskytují odrazy, můžeme kanály rozdělit na Rayleigh kanál a Rice kanál. Rice kanál obsahuje přímou cestu. Naopak Rayleigh kanál nemá přímou cestu, ale pouze odrazy, viz obrázek 6 a obrázek 7. 291
BER [ - ] BER před FEC [ - ] VOL.15, NO.5, OCTOBER 2013 Obrázek 6: Rice kanál [5] 1,E-07-5 0 5 10 15 20 25 SNR [db] Obrázek 8: Bitová chybovost AWGN kanálu před kanálovým dekodérem Obrázek 7: Rayleigh kanál [5] Správným nastavením parametrů (zpoždění a zisk) můžeme vytvořit standardizované přenosové prostředí dle ITU. Vybraná standardizovaná prostředí byla převzata z modelu pro simulaci LTE vytvořeného na TU Wien [6]. Mezi ně patří například modely typu Pedestrian-A (PedA) nebo Flat Rayleigh (FlatRayleigh). 2 Výsledky simulace Simulace jsou prováděny na vytvořeném přenosovém modelu LTE v programu Matlab v konfiguraci SISO (Single Input Single Output) pro downlink, tedy jeden přijímač a jeden vysílač. Výsledky simulací můžeme rozdělit do dvou částí, dle použitého vstupního signálu. V první části byla jako vstup simulace použita náhodná data o délce 10 6 bitů, délka těchto dat ovlivňuje měřenou přesnost bitové chybovosti. V druhé části simulace byl uskutečněn přenos obrázku a jeho kvalita na přijímací straně byla posuzována dle nastavených parametrů modulace, chybovosti a poměru S/N. 2.1 Měření chybovosti v rádiovém prostředí Pro měření chybovosti byla náhodně vytvořena data o délce 10 6 bitů a přenesena v systému LTE s parametry: Šířka pásma B = 20 MHz, normal CP (7 OFDM symbolů). Proměnným parametrem byl zvolen typ modulace a poměr S/N. 2.1.1 Gaussovský (AWGN) kanál Tento kanál se vyznačuje tím, že obsahuje přímou cestu signálu bez odrazů, do které je přidán aditivní gaussovský šum, který zhoršuje poměr S/N. Chybovost přenosu závisí na typu použité modulace. Obrázek 8 zobrazuje bitovou chybovost bez zabezpečení proti chybám (kanálovému kódování). Na obrázku 9 je již vynesena chybovost přijímaných dat po opravě kanálovým dekodérem. -5 0 5 10 15 20 SNR [ db] Obrázek 9: Bitová chybovost přenosu v AWGN kanálu Z grafů je patrné, že chceme-li dosáhnout chybovosti menší než 1,0E-6 s využítím maximální přenosové rychlosti ( modulace), musí být poměr S/N větší jak 18 db. 2.1.2 Rayleigh kanál Jedná se o kanál, který nemá přímou cestu, ale pouze několik odrazů. Pro simulaci byly zvoleny celkem 3 odrazy. První odraz je utlumen o 3dB a zbývající dva odrazy o 10 db a 40 db. Maximální časový rozdíl mezi prvním a posledním odrazem je 500 ns. Kanál je pro každé nové měření generován, to se projevuje i v měření bitové chybovosti. Vzhledem k odrazům a přítomnému šumu se zhoršují nároky pro přenos. Pro tento kanál je zapotřebí k detekci již ekvalizér. Pro chybovost lepší než 1,0E-6 a modulaci je nutné mít odstup S/N větší než 30 db. Charakteristika je na obrázku 10. 292
BER [ - ] BER [ - ] BER [ - ] VOL.15, NO.5, OCTOBER 2013 0 5 10 15 20 25 30 SNR [db] Obrázek 10: Bitová chybovost v Rayleigh kanálu Dalším příkladem Rayleigh kanálu je např. Flat Rayleigh. Tento typ kanálu má v daném čase konstantní přenos na všech kmitočtech (subnosných). Kanál je převzat z modelu vytvořeného na TU Wien. Pro komunikaci v kanálu Pedestrian-A s chybovostí menší než 1E-6 a s maximální propustností je nutné splnit minimální odstup S/N 37 db. 2.2 Vliv chybovosti na přenos obrázku Pro vizuální představu o vlivu chybovosti byl přenesen přes vytvořený model testovací obrázek a byly zaznamenány jeho podoby pro různé poměry S/N a jeden typ modulace (obrázek 13). Na obrázku 14 je naopak možné porovnat vliv modulací při stejném poměru S/N. Všechny obrázky byly zaznamenány pro přenosový kanál AWGN. Pro objektivní hodnocení jednotlivých obrázků byla vypočítána normalizovaná efektivní chyba NRMSE [10]. Hodnota NRMSE může nabývat hodnot 0 až 1, přičemž nulová hodnota odpovídá bezchybnému stavu. Výpočet této hodnoty provedeme pomocí vzorce (1). Kde X je matice vstupních hodnot a Y je matice výstupních (přijímaných) hodnot. -10 0 SNR [ db ] 10 20 (1) Obrázek 11: Bitová chybovost v Flat Rayleigh kanálu Bitová chybovost na obrázku 11 je vynesena pouze pro modulace a. V charakteristice jsou zřejmé hodnoty poměru S/N, od kterých se skokově mění chybovost, zejména pro modulaci při 15 db. Pro modulaci jsou hodnoty pro chybovost 1E-6 na kanálu Flat Rayleigh pod hodnotou 0 db. 2.1.3 Pedestrian-A Pedestrian-A kanál je převzat stejně jako kanál Flat Rayleigh z již realizovaného modelu. Tento kanál je standardizován, obsahuje přímou cestu a 3 odrazy. Jedná se o simulaci přenosu při pomalé chůzi. -5 5 15 25 35 SNR [ db ] Obrázek 12: Bitová chybovost v Pedestrian-A kanálu Obrázek 13: Vliv poměru S/N na přenos obrázku 293
VOL.15, NO.5, OCTOBER 2013 Ze změřených přenosů testovacího obrázku je patrné, že s klesajícím odstupem S/N výrazně roste chybovost, což se projeví zvýšením počtu chybných pixelů v obrázku. Při chybovosti vyšší než 2,5E-1 je již přenášený obrázek nečitelný. Stejným způsobem můžeme sledovat chybovost přenosu dat v prostředí s konstantním S/N pro různý typ použité modulace (Obrázek 14). Můžeme tedy porovnat nároky jednotlivých modulací na úroveň S/N. V praxi pro zlepšení bitové chybovosti BER můžeme při přenosu dat zvýšit kódový poměr kanálového kódování nebo změnit typ používané modulace. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Wireless Communication Teams CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost a také za odborné a pedagogické pomoci vedoucího diplomové práce prof. Ing. Stanislava Hanuse, CSc. Literatura [1] HANUS, Stanislav. Rádiové a mobilní komunikace III Systém LTE. Elektronické skriptum, FEKT VUT v Brně, Brno, 2013 [cit. 2013-05-7]. [2] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) - Physical channels and modulation, 3GPP, Tech. Rep. TS 36.211Version 8.9.0, Dec. 2009 [3] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) - Multiplexing and channel coding, 3GPP, Tech. Rep. TS 36.212 Version 8.8.0, Dec. 2009 [4] SHAPIRA, Yair. LTE Uplink & SC-FDMA: Introduction [online]. [cit. 24.9.2013]. Dostupný na WWW: http://www.exploregate.com/video.aspx?video_id=55#. UkFYAz-Bbq6 [5] KRATOCHVÍL, Tomáš. Digitální televizní a rozhlasové systémy (MDTV) Standard DVB-T/T2 pro přenos digitální televize. Prezentace k předmětu MDTV, FEKT VUT v Brně, 10/2011 Obrázek 14: Chybovost v závislosti na použité modulaci 3 Závěr V článku je obecně popsáno zpracování datového signálu jak ve směru uplink, tak i ve směru downlink pro fyzickou vrstvu mobilního systému LTE. Takto vytvořený model byl následně realizován v programovém prostředí Matlab a výsledky simulace jsou zde uvedeny pro vybrané rádiové kanály. Z naměřených křivek chybovosti lze pozorovat, že s rostoucím počtem odrazů v přenosu je nutné pro stejnou chybovost dosáhnout většího poměru S/N. Jelikož je v systému LTE použit pro kanálové kódování turbo kodér, je možné při modulaci dosáhnout příjmu i pod hranicí S/N = 0 db s menší chybovostí než 10-4. Dalším zlepšením pro snížení nároků na přenos by byla realizace vhodnějšího ekvalizéru, např. ekvalizér typu MMSE na místo ekvalizéru typu Zero Forcing, zejména pro prostředí s mnohonásobnými odrazy a nízkým S/N. [6] LTE Downlink Link Level Simulator, [Online]. Dostupné z URL: <http://www.nt.tuwien.ac.at/ltesimulator/>. [7] C. Mehlfhrer, M. Wrulich, J. C. Ikuno, D. Bosanska and M. Rupp. Simulating the Long Term Evolution Physical Layer. in Proc. of the 17th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2009), Glasgow, Scotland Aug. 2009. [8] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) - LTE physical layer; General description, 3GPP, Tech. Rep. TS 36.201 Version 8.3.0, March. 2009 [9] RUMNEY, Moray. LTE and the evolution to 4G wireless: design and measurement challenges. Second edition. xxi, 626 pages. ISBN 978-111-9962-571. [10] WESTWATER, R., FURHT, B. Real-Time Video Compression. Techniques and Algorithms. Kluwer Academic Publishers. Boston, 1997, ISBN 0-7923-9787-8. 294