Evaluatie van de performantie van WiMax

Transcriptie

1 FACULTEIT INGENIEURSWETENSCHAPPEN Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE Evaluatie van de performantie van WiMax door Wouter REYNDERS Promotor: Prof. Dr. Ir. L. MARTENS Scriptiebegeleider: Dr. Ir. W. JOSEPH Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur in de computerwetenschappen Academiejaar

2 Voorwoord Bij het voorwoord van deze thesis vind ik het belangrijk enkele mensen te bedanken. Prof. Dr. Ir. Luc Martens, omdat hij mij de mogelijkheid gaf dit thema uit te werken: zijn hulp en instructies zetten mij op het goede spoor. Dr. Ir. Wout Joseph, mijn begeleider, die mijn werk gedurende heel het academiejaar opvolgde: zijn bijdrage en sturing leverden een belangrijke bijdrage bij het tot stand komen van deze thesis. Mijn ouders Mathieu Reynders en Maria Janssens die mij de kans hebben gegeven om deze opleiding te volgen: bij hen kon ik op veel steun rekenen. Wouter Reynders, mei 2006

3 Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. Wouter Reynders, mei 2006

4 Evaluatie van de performantie van WiMax door Wouter REYNDERS Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur in de computerwetenschappen Academiejaar Promotor: Prof. Dr. Ir. L. MARTENS Scriptiebegeleider: Dr. Ir. W. JOSEPH Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE Samenvatting De IEEE standaard en het geassocieerde consortium WiMax belooft hoge datarates over lange afstanden. Deze interessante toevoeging op huidige breedband mogelijkheden zoals DSL, kabel en Wi-Fi biedt een alternatief als last mile access en belooft draadloze breedband toegang in afgelegen en onderontwikkelde gebieden wereldwijd. De competitiviteit van WiMax zal in de toekomst vooral afhangen van de werkelijke datarates en afstanden die kunnen gehaald worden. Deze thesis probeert de werkelijke performantie van WiMax te onderzoeken. De thesis concentreerd zich op de fysische laag van IEEE Daarvoor werd een Matlab- Simulink c model ontwikkeld dat de fysische laag van WiMax modelleert. Om de performantie te testen werden een aantal kanaalmodellen en kanaalestimatoren onderzocht en geïmplementeerd. Als mogelijke verbetering van de performantie werd het gebruik van MIMO-systemen onderzocht en geïmplementeerd. Verscheidene simulaties werden uitgevoerd en besproken. Tevens kan het model dienen als onderliggend fysische laag model wanneer men ook de MAC laag wil bekijken. Trefwoorden WiMax, BWA, MIMO, Performantie, IEEE

5 Performance analysis of WiMax Wouter Reynders Supervisor(s): Dr. Ir. W. Joseph, Prof. Dr. Ir. L. Martens Abstract This paper, based on IEEE [1], evaluates the performance of a WiMax system. We will investigate the influence of different WiMax parameters by performing simulations with an accurate model. Different channel models will be compared as well as the use of MIMO systems. Coverage and throughput are determined for a realistic scenario. Keywords WiMax, BWA, MIMO, Performance I. INTRODUCTION THE enormous growth of the internet causes a rising demand for high-speed internet access. WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - based on the standard IEEE [1] - promises high data rates and gains popularity compared to DSL (Digital Subscriber Line) and cable technologies. The advantages over wired systems are mainly the lower cost and the flexibility for the deployment and maintenance of the system. We will analyse the WirelessMAN-OFDM interface, operating in the 2-11 GHz band. This interface is developed for fixed wireless applications and is favored by vendors. The goal of this paper is to analyse the actual performance of WiMax systems. Therefore we will build a model in Matlab-Simulink c. To simulate real-world channels we will implement SUI channel models [2] which were developed for fixed wireless applications. Actual data rates and ranges will be estimated using [1] and the Erceg path loss model [3]. The performance gain of MIMO-systems (Multiple Input Multiple Output) will also be investigated. In section II the configuration of a WiMax transmitter and receiver are described for SISO and for MIMO systems. Different channel models will be considered. In section III we will present some performance estimations based on the result of simulations with our model. Finally, the conlusions are presented in Section IV. A. Configuration II. METHOD To analyse WiMax, a Matlab-Simulink c model was built. Figure 1 shows the main blocks of the model. The blocks randomization, FEC (Forward Error Correction) and interleaving perform channel coding. The incoming bits are randomized to prevent long sequences of ones or zeros. FEC adds then redundant bits to correct bit errors introduced by the channel. WiMax uses an outer Reed-Solomon block code concatenated with an inner convolutional code [1]. The RS code is fixed and derived from a systematic RS (N=255, K=239, T=8) code using GF(2 8 ). The inner convolutional code has constraint length 7 and its rate can be 1/2, 2/3, 3/4 and 5/6 allowing flexible coding rates. Interleaving is employed to reduce the effect of burst errors. The bits are then mapped to the symbols of a constellation. WiMax allows BPSK, QPSK, 16-QAM and 64-QAM. WiMax Fig. 1. Structure of the model uses OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) as modulation technique. To obtain an OFDM symbol, data bits are processed with the IFFT algorithm. In each OFDM symbol, 8 pilot carriers are inserted for channel estimation in the receiver. A series off null carriers are inserted and finally a cyclic prefix is added to avoid ISI (Inter Symbol Interference). In the receiver, channel estimation and channel compensation try to estimate and compensate the channel response. The other blocks perform inverse transmitter operation. The model has been extended for a MIMO system. A 2x1 and a 2x2 Alamouti space time block code [4] has been implemented. This MIMO system provides diversity in time and space without any reduction in the bandwidth. B. Channels For simulating real-world scenarios, a channel model must be implemented as shown in figure 1. Three channel models will be considered: AWGN, Rahleigh and SUI. AWGN (Additive White Gaussian Noise) only adds noise to the OFDM signal. This model is often used but not suitable for actual situations for fixed wireless systems. AWGN requires a very strong Line Of Sight (LOS) component and no scatter components. Rayleigh fading channel models are good for modeling wireless channels with moving sender and receiver. However, the WiMax system analysed in this paper is for fixed wireless communications. Therefore Rayleigh fading models are not suitable. SUI (Stanford University Interim) [2] channel models are developed for fixed wireless applications. A set of six models are described. The models differ in terrain type (rather hilly or rahter flat), Doppler frequency (describing moving objects in the environment), K-factor (ratio of the fixed component power and the scatter component power) and delay spread (the delay of the scatter components).

6 III. RESULTS A. Influence of WiMax parameters In this section we will investigate the influence of different WiMax parameters for a channel bandwidth of 3.5 MHz (this bandwidth will be used in Belgium). The influence of constellation and coding rate, cyclic prefix length, channel model and estimator type have been analysed. The constellation and type of channel have the largest impact on the performance and will be discussed in this section. We will simulate different configurations and present the results as BER (Bit Error Rate) vs. SNR (Signal to Noise Ratio) curves. WiMax is very flexible allowing different coding rates and mapping modes. Lower coding rates and lower constellations will allow a more robust communication but the bit rate will decrease. Figure 2 shows the BER as a function of the SNR for different constellations and coding rates for an AWGN channel model. We have set cyclic prefix (CP) length to 1/32 since it has no effect in an AWGN channel. We will focus on the re- B. MIM0 Fig. 3. BER vs. SNR for different channel models We investigate in this section the influence of multiple transmitting and receiving antennas. Figure II shows the BER vs. SNR for a 1x1 SISO system (same model as in the previous sections), a 2x1 Alamouti MISO system and a 2x2 Alamouti MIMO system in a SUI4 channel (realistic for Belgium). Mapping has been chosen 16-QAM, coding rate 3/4 and CP length 1/32. A gain of 4 db and 7.5 db for BER = 10 6 is obtained for Fig. 2. BER vs. SNR for different constellations and coding rates in AWGN channel alistic working area (BER = 10 6 ). For a higher constellation, the required SNR increases with about 6 db. If we investigate the 16-QAM constellation, the required SNR increases with 4 db if we change the coding rate from 1/2 to 3/4. Table I shows the influence on the bitrate. Figure 2 shows the results for an Constellation Coding rate Bitrate QPSK 3/4 4.4 Mbit/s 16-QAM 3/4 8.7 Mbit/s 64-QAM 3/ Mbit/s 16-QAM 1/2 5.8 Mbit/s TABLE I INFLUENCE OF CONSTELLATION AND CODING RATE ON BIT RATE AWGN channel. This model is not good for real-world situations. Therefore Rayleigh fading and SUI channel models are compared in figure 3. Figure 3 shows the degradation in performance when changing the channel from AWGN to SUI1 (about 8 db), SUI4 (about 20 db) and Rayleigh (more then 40 db) for 16-QAM, coding rate 3/4 and CP length 1/32. Fig. 4. BER vs. SNR for 1x1 SISO, 2x1 MIMO and 2x2 MIMO a 2x1 and a 2x2 MIMO system compared to a 1x1 SISO system, respectively. Using a MIMO system a large performance gain can be obtained: e.g. if we require a BER = 10 6 and we have a SNR of 28 db, QPSK 3/4 (corresponding bitrate 4.4 Mbit/s) will be possible using a 1x1 SISO system, while 16-QAM 3/4 (with a corresponding bitrate of 8.7 Mbit/s) will be possible using a 2x2 MIMO system. One will have to make a trade-off between performance gain using a MIMO system and the additional hardware and energy required at transmitter and receiver. C. Performance In this section a realistic bussines modem scenario will be considered. The height of the base station (BS) and the height of the receiver(rx) are 30 m and 6 m, respectively. The input

7 power P i to the BS antenna is 35 dbm (3.2 W). The gains of BS and Rx correspond to a typical business modem scenario. We assume a channel bandwidth of 3.5 MHz (typical at 3500 MHz in Belgium). We consider outdoor CPE (customer premises equipment). The coverage margin depends upon the standard variation of the path loss model and the coverage requirement. We will investigate a coverage requirement of 90 %. Furthermore, we will consider here a fade margin of 10 db. For evaluating the performance we will use the Erceg B path loss model [3]. Figure 5 shows the throughput versus range of the WiMax system for an AWGN channel. For the AWGN channel the maximum range is 3.4 km with a bit rate of 1.5 Mbit/s. The maximum bitrate (13.1 Mbit/s) can be reached for only 1.1 km. If we use SUI4 The range can be extended to about 0.9 km for a 2x2 MIMO system. REFERENCES [1] IEEE, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE, [2] IEEE, Channel Models for Fixed Wireless Applications, IEEE Broadband Wireless Access Working Group, [3] V. Erceg, L. J. Greenstein, S. Y. Tjandra, S. R. Prakoff, A. Gupta, B. Kulic, A. A. Julius, and R. Bianchi, An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments, IEEE journal on selected areas in communications, vol. 17, no. 7, july [4] S. M. Alamouti, A simple transmit diversity technique for wireless communications, IEEE JOURNAL ON SELECT AREAS IN COMMUNICA- TIONS, vol. 16, no. 8, Fig. 5. Throughpout vs. range for a realistic WiMax scenario for AWGN channel channel models the range for 16-QAM 3/4 is 0.5 km (compared to 1.5 km for AWGN). Table II shows the range of the system using MIMO. A 2x2 MIMO system will increase the reachable distance to 0.9 km. diversity mapping coding rate range (km) 1x1 16-QAM 3/ x1 16-QAM 3/ x2 16-QAM 3/ TABLE II REACHABLE DISTANCE FOR SUI4 CHANNEL AND DIFFERENT DIVERSITY SCHEMES IV. CONCLUSIONS The constellation has the greatest influence on performance of the Wimax system, followed by coding rate and CP length. The channel model also has a great influence on performance. Using MIMO systems increases the performance of WiMax. A trade off has to be made between performance gain and transmitter and receiver complexity and power consumption. The range of the considered WiMax system for a realistic scenario is limited. The ranges for an AWGN channel are an upper bound for realistic ranges, e.g. for 16-QAM 3/4 the range is only 1.5 km. Using SUI4 channel model this range drops to 0.5 km.

8 INHOUDSOPGAVE i Inhoudsopgave 1 Inleiding Introductie Trend WiMax Introductie Overzicht IEEE IEEE Werking vs Definities en begrippen Model Inleiding Zender Kanaalcodering Mapping OFDM Rate ID s Kanaal Additive White Gaussian Noise Rayleigh fading SUI modellen Overzicht Ontvanger Demodulatie

9 INHOUDSOPGAVE ii Kanaalschatter MIMO Inleiding Implementatie Alamouti Resultaten Inleiding Methodologie Validatie voor AWGN Theoretische ongecodeerde BER Simulaties: niet gecodeerd Invloed parameters Soort parameters Invloed constellatie Invloed van de coding rate Invloed van het kanaal Invloed van de estimator Invloed van de cyclische prefix Conclusies Invloed van antennediversiteit (MIMO) Analyse performantie SUI Vergelijking performantie MIMO/SISO systeem Analyse van de performantie van een realistisch systeem Geselecteerde parameters en scenario Model voor padverlies Analyse voor AWGN Analyse voor SUI1 en SUI Analyse voor MIMO Conclusies Model Resultaten

10 INHOUDSOPGAVE iii 4.3 Toekomstig onderzoek A WiMax parameters 60 B SUI modellen 65 Bibliografie 69 Lijst van figuren 71 Lijst van tabellen 73

11 INHOUDSOPGAVE iv Lijst van symbolen en afkortingen 16-QAM 16-Quadrature Amplitude Modulation 64-QAM 64-Quadrature Amplitude Modulation AWGN Additive White Gaussian Noise BPSK Binary Phase Shifting Key BSID Basic Service set Identifier BTC Block Turbo Coding BWA Broadband Wireless Access CC CP CPE Convolutional Coder Cyclic Prefix Customer Premises Equipment CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access met Collision Detection CTC Convolutional Turbo Coding DIUC Downlink Interval Usage Code DSL FFT HEX IBI Digital Subscriber Line Fast Fourrier Transform Hexagonaal Inter Blok Interferentie IFFT Inverse Fast Fourrier Transform

12 INHOUDSOPGAVE v ISI Inter Symbool Interferentie LMMSE Least Minimum Mean Square Estimator LOS LS LSB Line Of Sight Least Square Least Significant Bit MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network MIMO Multiple Input Multiple Output OCT Octaal OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PL Path Loss PRBS Pseudo Random Binary Signal QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shifting Key RS SNR SUI TDD Reed Solomon Signal to Noise Ratio Stanford University Interim Time Division Duplexing TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Division Multiple Access UIUC Uplink Interval Usage Code WiFi Wireless Fidelity WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access

13 INLEIDING 1 Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Introductie De bedoeling van deze thesis is om de performantie van WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) te onderzoeken. Het werk concentreert zich voornamelijk op de fysische laag van IEEE ofwel WiMax [1]. Om de performantie te analyseren werd een simulink model gebouwd dat een volledig IEEE systeem in een realistische omgeving simuleert. Aan de hand van deze simulaties kan een idee gevormd worden over de performantie van WiMax. Men belooft immers zeer hoge bitrates over lange afstanden. Deze thesis onderzoekt of die beloften ook waargemaakt kunnen worden. Het model kan ook dienen als onderliggend model voor de fysische laag wanneer men studies maakt over de MAC laag van WiMax. In het eerste hoofdstuk wordt een inleiding gegeven over BWA (Broadband Wireless Access ofwel Draadloze Breedbandtoegang) en WiMax. Er wordt een overzicht gegeven van de IEEE [1] standaard en een vergelijking gemaakt met de IEEE [2] standaard. Een aantal begrippen en concepten die in de thesis voorkomen worden uitgelegd. Het tweede hoofdstuk geeft een beschrijving van de Matlab c implementatie. Het omvat een beschrijving van een WiMax zender, een WiMax ontvanger, een aantal kanaalmodellen, een aantal estimatietechnieken en een MIMO (Multiple Input Multiple Output ofwel een systeem met meerdere antennes aan zender -en ontvangerszijde) systeem. Het derde hoofdstuk beschrijft de resultaten van de uitgevoerde simulaties met het model. De invloed van een aantal WiMax parameters en van MIMO wordt onderzocht. De resultaten van deze simulaties worden uitvoerig besproken. Het vierde hoofdstuk bevat de conclusies van deze thesis en geeft een overzicht van mogelijk toekomstig onderzoek.

14 1.2 Trend Trend Wereldwijd is er een zeer grote vraag naar breedband internet. Een mogelijkheid om dit aan te bieden is draadloos, men spreekt van BWA (Broadband Wireless Access ofwel breedband draadloze toegang). Men spreekt van BWA indien men over grote afstanden hoge datarates draadloos kan aanbieden. WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) [1] is een draadloos BWA systeem. BWA is een alternatief voor xdsl (Digital Subscriber Line) en kabelnetwerken. Een groot voordeel van BWA is dat de installatie -en onderhoudskost veel lager is dan bij bedrade netwerken. Het maakt het eveneens mogelijk om in afgelegen gebeiden breedband internet te voorzien. Draadloze netwerken kunnen ook snel worden opgezet, een voorbeeld van een toepassing is in rampgebieden wanneer de bedrade infrastructuur vernietigd is. WiMax is een Wireless MAN (Metropolitan Area Network). Het is echter niet zo dat BWA systemen altijd MAN s zijn, men kan b.v. ook een groot gebouw voorzien van draadloze breedband toegang. 1.3 WiMax Introductie WiMax staat voor Worldwide Interoperability for Microwave Access [3]. Het is ontworpen om draadloos breedband internet aan te bieden over grote afstanden. De beloofde bitrates zijn zeer hoog. De versie van de standaard gebruikt in dit model (IEEE [1]) is ontworpen voor vaste verbindingen (zenders en ontvangers zijn niet in beweging) Overzicht IEEE Van de IEEE standaard zijn in het verleden reeds enkele versies gepubliceerd. Deze zijn de IEEE [4], IEEE c [5] en a [6]. Deze vorige versies zitten allemaal vervat in de huidige standaard, de IEEE [1], deze standaard is ontworpen voor fixed wireless, zender en ontvanger zijn op een vaste positie. In december 2005 werden nog 2 opvolgers gepuliceerd: de IEEE e [7], die moet een zekere mate van portabiliteit toestaan en de IEEE f [8] met Management Information Base IEEE De huidige standaard [1] kan men opdelen in 4 delen of interfaces:

15 1.3 WiMax 3 WirelessMAN-SC WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA Tabel 1.1 toont de eigenschappen van de 4 interfaces. Interface WirelessMAN- WirelessMAN- WirelessMAN- WirelessMAN- SC SCa OFDM OFDMA Spectrum GHz 2-11 GHz 2-11 GHz 2-6 GHz Kanaal LOS NLOS NLOS NLOS conditie Bit rate Mbps in To 114 Mbps in To 75 Mbps in To 26 Mbps in 28 MHz kanaal 20 MHz kanaal 20 MHz kanaal 7 MHz kanaal Modulatie QPSK,16- BPSK,QPSK,16- BPSK,QPSK,16- BPSK,QPSK,16- QAM,64-QAM QAM,64-QAM, QAM,64-QAM QAM,64-QAM 256-QAM Kanaal BB 20, 25, 28 MHz vanaf 1,25 MHz Schaalbaar 1,75 Schaalbaar 1,75 tot 28 MHz tot 20 MHz Tabel 1.1: Overzicht De eerste interface, de Single Carrier interface opereert in het GHz spectrum. In dit spectrum is een Line Of Sight (LOS) vereist om communicatie te doen. De tweede interface, de SCa opereert in het 2-11 GHz spectrum waardoor geen LOS vereist is. Als modulatietechniek gebruikt deze interface een single carrier. Single carrier modulatie is heel gevoelig aan kanaaldispersie waardoor deze interface in de praktijk niet gebruikt wordt. De derde interface is de OFDM interface, deze gebruikt 256 carrier OFDM als modulatietechniek i.p.v. single carrier. OFDM is veel beter bestand tegen kanaaldispersie. Als Multiple Acces techniek wordt TDMA (Time Division Multiple Access) gebruikt. De laatste interface gebruikt 1024 carrier OFDM, hierbij wordt het kanaal opgedeeld in een aantal sub-kanalen. Per gebruiker kunnen een aantal sub-kanalen toegewezen worden. Men noemt dit OFDMA (OFD multiple access). Deze thesis behandelt enkel de WirelessMAN-OFDM interface voor fixed wireless. De vendors van de

16 1.3 WiMax 4 huidige apparatuur verkiezen de WirelessMAN-OFDM interface, de redenen hiervoor [9] zijn de volgende: Equalisatie is veel eenvoudiger voor OFDM dan voor SC 256 carrier OFDM heeft een lagere peak to average ratio dan 1024 OFDM 256 FFT berekeningen zijn veel sneller dan 1024 FFT berekeningen De eisen voor de frequentie-synchronisator zijn minder bij 256 FFT dan bij 1024 FFT. Naar alle waarschijnlijkheid zal men binnen enkele jaren overstappen op de WirelessMAM- OFDMA interface Werking De standaard beschrijft de werking van de zender en ontvanger in een WiMax-systeem. We beschouwen enkel de fysische laag. Deze bestaat uit verschillende componenten: Randomisatie: de ingangsbits worden gemaskeerd om zo lange sequenties van 1 en of 0 en te vermijden. Forward Error Correction: het toevoegen van redundante bits om het systeem robuuster te maken tegen fouten die het kanaal introduceert. Interleaving: zorgt ervoor dat bits die na mekaar verstuurd worden op symbolen worden gemapt die ver uiteen liggen. Mapping: mappen van bits op symbolen volgens een bepaalde constellatie zoals bv. QPSK of 16-QAM. Modulatie: moduleren van de symbolen met OFDM vs Het is interessant om een vergelijking te maken tussen WiFi systemen en WiMax systemen. De IEEE [2] is een standaard voor draadloze LAN s (Local Area Networks) terwijl IEEE [1] een standaard is voor draadloze MAN s (Metropolitan Area Networks). Wi-Fi staat voor Wireless Fidelity en is een certificatielabel ( logo ) voor draadloze datanetwerkproducten, die werken volgens de internationale standaard IEEE In [10] worden

17 1.3 WiMax 5 een aantal zaken vergeleken. Beide systemen maken gebruik van OFDM modulatie en een aanpasbare constellatie. WiMax is ontworpen voor lange-afstandscommunicatie in een buitenomgeving, terwijl WiFi bedoeld is om binnen te gebruiken over kleinere afstanden. Dit komt tot uiting in een aantal kenmerken: Bereik Om het bereik te vergroten moet WiMax een grotere delay spread kunnen tolereren. Omdat Wi- Max in buitenomgevingen werkt zijn er veel langere paden tussen zender en ontvanger waardoor de delay spread groter wordt. Dit heeft men gerealiseerd door 256 FFT OFDM te gebruiken i.p.v. 64 FFT OFDM. Hoe meer punten in de FFT hoe langer een OFDM symbool duurt. Schaalbaarheid De kanaalbandbreedte van is vast 20MHz. Men mag enkel gebruik maken van licentievrije banden wat een beperking is op het aantal mogelijke kanalen laat een schaalbare kanaalbandbreedte toe van 1.75 tot 28 MHz zoals te zien is in tabel 1.1. efficienter gebruik gemaakt worden van het spectrum. Hierdoor kan veel Bitrate De maximale bitrate in een 20 MHz kanaal van is 54 Mbit/s, voor is dit 70 MBit/s. Dit komt omdat een flexibele FEC heeft en een kleinere CP lengte toelaat. Voor details zie Hoofdstuk 2. Quality of Service (QoS) gebruikt het CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access met Collision Detection) mechanisme voor de MAC laag (Medium Access Control) ofwel het mechanisme om meerdere gebruikers over hetzelfde kanaal te laten communiceren) gebruikt TDM (Time Division Multiplexing) voor de downlink en TDMA (Time Division Multiple Access) voor de uplink MAC met een on-demand bandbreedte toewijzing, wat een efficiënter gebruik van de bandbreedte geeft.

18 1.4 Definities en begrippen 6 Conclusies Het is moeilijk te zeggen of de ene techniek beter is dan de andere. Beide standaarden vullen elkaar aan. Terwijl IEEE specifiek ontworpen is voor communicatie binnenshuis over korte afstanden, is IEEE ontworpen voor lange-afstands communicatie buitenshuis. Ze hebben verschillende toepassingen. Een voordeel van IEEE is de schaalbaarheid (kanaalbandbreedte, FEC (Forward Error Correction, zie hoofdstuk 2), CP (Cyclische Prefix, zie hoofdstuk 2) lengte, MAC mechanisme). Hierdoor kan men efficiënter werken en kan het systeem zich beter aanpassen aan de omgevingsomstandigheden. 1.4 Definities en begrippen In deze sectie worden een aantal definities en begrippen uitgelegd die later in de thesis terugkomen. Delay spread WiMax communicatie gebeurt via draadloze kanalen. Er moet een model worden opgesteld om een draadloos kanaal voor te stellen. Een van de parameters daarvoor is de delay spread. Er is typisch niet 1 pad tussen zender en ontvanger, er zijn meerdere paden. Elk pad heeft een complexe versterking en vertraging. Men beschouwt dikwijls de RMS (Root Mean Square) delay spread τ RMS van het totale delay profile of vertragingsprofiel. De RMS delay spread τ RMS wordt gedefinieerd als: τrms 2 = Σ j P j τj 2 (τ avg ) 2 (1.1) met τ avg = Σ j P j τ j τ j is de vertraging van de j-de component van het profiel P j = (vermogen in de j-de component)/(totale vermogen in alle componenten) K-factor In de vorige paragraaf werd uitgelegd dat er bij communicatie over een draadloos kanaal meerdere paden zijn tussen zender en ontvanger. Deze paden hebben elk hun complexe versterking. Dit wil zeggen dat elk pad een amplitudeversterking heeft en een fasedraaiing. De K-factor is de

19 1.4 Definities en begrippen 7 verhouding tussen het vermogen in het eerste pad (waarop de ontvanger zich synchroniseert) en het vermogen in de overige paden [11]. Doppler frequentie De K-factor geeft de gemiddelde verhouding weer tussen de vermogens in de verschillende paden. De complexe versterking per pad is echter niet constant, er zit variatie op. Deze variatie is te wijten aan het feit dat enerzijds de zender en/of ontvanger in beweging zijn of anderzijds van bewegende componenten in de omgeving (auto s, bomen, mensen,...). De mate van variatie van de complexe versterking duidt men aan met de Doppler frequentie. Indien zender en ontvanger niet in beweging zijn (zoals bij WiMax het geval is) dan zal deze Doppler frequentie zeer laag zijn en enkel te wijten aan beweging in de omgeving. Als zender en ontvanger wel in beweging zijn dan zal de Doppler frequentie hoger zijn. Er zijn een aantal kanaalmodellen opgesteld waarvoor men delay spread, K-factor en Doppler frequentie vastlegt. Figuur 1.1 illustreert de effecten in een kanaal (SUI4, beschrijving zie Hoofdstuk 2) dat gekenmerkt wordt door: 3 paden K-factor van 1,8 Delay spread van 4 µs Doppler frequentie eerste pad: 0,2 Hz, tweede pad: 0,15 Hz en derde pad: 0,25 Hz De figuur geeft de amplitudeversterking weer per pad. De K-factor kan men duidelijk zien als het vermogen van de verschillende paden wordt uitgemiddeld over de tijd. Doppler frequentie komt tot uiting in de variatie van de versterking. Het is duidelijk te zien dat deze het laagste is voor pad 2 dat het minste variatie vertoont. Delay spread is niet direct zichtbaar in de figuur. De tijdsvertraging voor het derde pad is vastgelegd op 4 µs.

20 1.4 Definities en begrippen 8 Figuur 1.1: Illustratie K-factor en Doppler frequentie antennecorrelatie Wanneer we gebruik maken van meerdere zend -en/of ontvangstantennes dan staan deze antennes meestal op relatief korte afstand van elkaar. Daarom mag men niet zomaar veronderstellen dat de paden tussen de verschillende antennes onafhankelijk of ongecorreleerd zijn. Een model voor een draadloos kanaal kan ook een antennecorrelatiecoefficient bevatten die aangeeft in welke mate de paden tussen de antennes gecorreleerd zijn [11]. Twee kanalen worden dan beschouwd als 2 complexe random processen X(t) en Y(t) met correlatiecoëfficient ρ ENV E{(X E{X})(Y E{Y }) } ρ ENV = E{ X E{X} 2 }E{ Y E{Y } 2 } gegeven door: (1.2) SNR vs. E b /N 0 In deze thesis zullen resultaten van simulaties geïllustreerd worden aan de hand van BER (Bit Error Rate) - curves. De BER wordt uitgezet in functie van de SNR (Signal to Noise Ratio). De SNR geeft de verhouding weer van het vermogen in het uitgezonden signaal t.o.v. het ruisvermogen. In de literatuur zal men dikwijls BER s uitzetten in functie van E b /N 0 i.p.v. de SNR. E b /N 0 kan eenvoudig omgezet worden in SNR: SNR = E b /N log(m) (1.3)

21 1.4 Definities en begrippen 9 Waarbij de log een 10-log is en M het aantal bits per symbool van de constellatie voorstelt (bv. 2 voor QPSK, 4 voor 16-QAM).

22 MODEL 10 Hoofdstuk 2 Model 2.1 Inleiding In dit hoofdstuk worden de verschillende componenten van het model gebouwd. Eerst komt een beschrijving van de zender van het WiMax model. Er wordt in detail uitgelegd hoe de implementatie is gebeurd. Vervolgens wordt dieper ingegaan op het kanaalmodel. Een aantal kanaalmodellen worden besproken. Nadien volgt een beschrijving van de ontvanger. In deze beschrijving worden ook kanaalschatters besproken. Tenslotte volgt een bespreking van de uitbreiding van het model naar een MIMO-systeem (Multiple Input Multiple Output ofwel een systeem met meerdere antennes aan zender en ontvanger). Figuur 2.1 geeft een typische configuratie weer voor draadloze communicatie. Deze figuur toont een zender, kanaal en ontvanger. Voor WiMax is de zender een zendantenne die bv. op 30 m hoogte staat. De ontvanger is een thuisgebruiker. De ontvangstantenne kan binnenshuis of buitenshuis geplaatst worden. Tussen zender en ontvanger bevindt zich het kanaal. Figuur 2.2 toont het volledige model voor de configuratie van figuur 2.1. Voor het bouwen en simuleren van dit model voor WiMax maken we gebruik van Simulink c, wat een onderdeel is van Matlab c. Zo veel mogelijk onderdelen van het model worden geïmplementeerd met behulp van Simulink bouwblokken. Deze werden aangevuld met eigen Matlab code.

23 2.1 Inleiding 11 Figuur 2.1: Typische configuratie Figuur 2.2: Opbouw van het model Volgende secties zullen alle blokken uit figuur 2.2 in detail bespreken.

24 2.2 Zender Zender Figuur 2.3 geeft de verschillende componenten van de zender weer. Om abstractie te maken van hogerliggende lagen wordt als input een random binaire bron gebruikt. Aan de ingang krijgt de zender random nullen en enen aangeboden. De uitgang is het signaal dat wordt uitgezonden. Hierna worden de verschillende componenten besproken. De scrambler of randomisator, FEC (Forward Error Correction) en interleaving worden in het onderdeel kanaalcodering besproken. Figuur 2.3: Zender Kanaalcodering Kanaalcodering heeft tot doel fouten die het kanaal introduceert te herstellen. Om dit efficiënt te doen zal er eerst een randomisatie van de input gebeuren, dan Forward Error Correction (FEC) en tenslotte interleaving. Randomisatie Elke burst van data wordt gerandomiseerd. Bedoeling is om lange sequenties nullen en enen weg te werken en het aantal nullen en enen gelijk te maken. De randomisatie wordt gerealiseerd met behulp van een PRBS (Pseudo Random Binary Signal) generator met generatorsequentie 1 + x 14 + x 15. De basis van een PRBS generator is een speciale toepassing van een schuifregister. De generatorsequentie bepaalt welke registeruitgangen naar de ingang van het register worden teruggekoppeld. Zo zal een schijnbaar niet te voorspellen opeenvolging van nullen en énen door het register worden geschoven. De uitgang is een exclusieve OR van de pseudo-random sequentie en de ingangsbits. De randomisatie met behulp van een PRBS wordt getoond in figuur 2.4.

25 2.2 Zender 13 Figuur 2.4: PRBS voor data randomisatie In de downlink wordt bij de start van elk nieuw frame de PRBS generator geherinitialiseerd met de waarde Bij de start van bursts wordt de generator geherinitialiseerd met een waarde die afhankelijk is van de BSID, DIUC en frame nummer. In de uplink hangt de initiële waarde af van BSID, UIUC en Frame number. Deze parameters hebben te maken met de MAC laag. MAC staat voor Medium Access Control en slaagt op de laag in het netwerk boven de fysische laag. In deze laag wordt het beheer van het gebruik van het medium gedaan. De parameters die gebruikt worden zijn: BSID = Basic Service Set Identifier, identificatie van het basis station. DIUC = Downlink Interval Usage Code, deze code identificeert een specifiek burst profiel in de downlink. UIUC = Uplink Interval Usage Code, deze code identificeert een specifiek burst profiel in de uplink. Frame nummer: volgnummer van het huidige frame In het model gebruiken we de vaste initiele waarde (de initiële waarde in de downlink). FEC Forward Error Correction dient om fouten die het kanaal introduceert te verbeteren. IEEE [1] definieert een Reed-Solomon coder gevolgd door een Convolutionele coder. De Reed-Solomon coder is afgeleid van een systematische RS (N = 255, K = 239, T = 8) code die gebruikt maakt van GF (2 8 ).

26 2.2 Zender 14 De veld generator polynomiaal is x 8 + x 4 + x 3 + x De code generator polynomiaal is (x + λ 0 )(x + λ 1 )(x + λ 2 )...(x + λ 2T 1 ) met λ = 02 HEX waarbij HEX staat voor hexagonale notatie. Na de Reed-Solomon coder volgt een convolutionele coder met standaard rate 1/2 [1]. codebits worden gevormd door volgende polynomialen: De G 1 = 171 OCT G 2 = 133 OCT waarbij OCT staat voor octale notatie. Figuur 2.5: Convolutionele encoder Figuur 2.5 geeft het schema weer van de encoder. De coding rate van de encoder bedraagt steeds 1/2. Om een correcte coding rate te bekomen aan de uitgang van de convolutionele encoder (zie later) past men puncturing toe op de uitgang van de encoder. Dit houdt in dat bepaalde samples worden verwijderd. Tabel 2.1 definieert hoe deze puncturing verloopt. Code rates Rate 1/2 2/3 3/4 5/6 d free X Y XY X 1 Y 1 X 1 Y 1 Y 2 X 1 Y 1 Y 2 X 3 X 1 Y 1 Y 2 X 3 Y 4 X 5 Tabel 2.1: Puncturing rates De WirelessMAN-OFDM interface definieert een aantal rate ID s. Een rate ID geeft aan

27 2.2 Zender 15 welke modulatie gebruikt wordt (zie sectie 2.2.2) en wat de gezamelijke coding rate is. Een bepaalde ID bepaald dus de n, k en t van de Reed-Solomon coder en de CC code rate met bijbehorende puncturing. Interleaving Het laatste gedeelte van kanaalcodering bestaat uit interleaving. In de bitsequentie die overeenstemt met 1 symbool worden nu alle bits volgens een vast patroon ge-interleaved. Men noemt N cbps het aantal gecodeerde bits per OFDM symbool. Bedoeling is om bursts van fouten te verspreiden over de bitsequentie. Op deze manier zal de FEC veel efficiënter werken en meer fouten kunnen corrigeren. De interleaving bestaat uit 2 permutaties. De eerste permutatie zorgt ervoor dat aanliggende bits gemapt worden op niet-aanliggende subcarriers. De tweede permutatie zorgt ervoor dat aanliggende bits afwisselend gemapt worden op minder of meer significante bits van de constellatie. De eerste permutatie wordt gedefinieerd door de vergelijking: m k = (N cbps /12) k mod12 + floor(k/12) k = 0,1,...,N cbps -1 De tweede permutatie wordt gedefinieerd door: j k = s floor(m k /s) + (m k + N cbps - floor(12 m k /N cbps )) mod(s) k=0,1,...,n cbps In de ontvanger gebeuren de omgekeerde bewerkingen Mapping Data mapping Nadat de bits uit de interleaver komen worden ze serieel aan een constellatie mapper aangeboden. De WirelessMAN-OFDM interface [1] ondersteunt BPSK, Gray-mapped QPSK, 16-QAM en 64- QAM. De constellaties worden genormeerd door vermenigvuldiging met een factor c.

28 2.2 Zender 16 Figuur 2.6: Constellaties Figuur 2.6 geeft de verschillende constellaties weer. De normalisatiefactoren c zijn vermeld per constellatie. Voor elke constellatie geeft b 0 de LSB (Least Significant Bit) aan, dat is het minst belangrijke bit in een byte, dus het bit waarvan de waardeverandering van L naar H of omgekeerd de kleinste invloed heeft op het binaire gewicht van het byte. Piloten mapping In elk OFDM symbool zitten 8 piloot-carriers. Deze piloten zijn door de ontvanger gekend. De ontvanger gebruikt ze om een schatting van het kanaal te maken. Piloten zijn ook nodig om de ontvanger te synchroniseren op de zender. We zijn in ons model uitgegaan van perfecte synchronisatie en hebben dus geen synchronisatiemechanisme geïmplementeerd. Piloten worden altijd BPSK gemapt. De mapping verandert per symbool volgens een PRBS generator.

29 2.2 Zender 17 Figuur 2.7: PRBS voor piloot mapping Figuur 2.7 toont de PRBS generator voor piloot mapping. De beginsequentie is voor downlink en voor uplink [1]. We beschouwen enkel de downlink richting. De formules voor de verschillende piloten zijn: c 88 =c 38 =c 63 =c 88 =1-2w k en c 63 =c 13 =c 13 =c 38 =1-2 w k OFDM De WirelessMAN-OFDM interface maakt gebruik van OFDM als modulatietechniek. OFDM staat voor Orthogonal Frequency Division Multiplexing. Met deze modulatietechniek worden verschillende draaggolven gebruikt die orthogonaal zijn. De informatiestroom van symbolen wordt dan opgesplitst in een aantal substromen en elke substroom wordt over een draaggolf gestuurd. Het gevolg is dat de symboolsnelheid op de afzonderlijke dragers veel lager ligt dan wanneer men slechts één carrier zou gebruiken. Hierdoor is OFDM veel robuuster veel beter bestand tegen kanaaldispersie. Een bijkomend voordeel is dat OFDM met behulp van IFFT en FFT kan geïmplementeerd worden. (I)FFT staat voor (Invers) Fast Fourier Transform. Deze implementatie heeft een lage complexiteit. Gegevens worden verstuurd in de vorm van een OFDM symbool. Een OFDM symbool bestaat dus uit verschillende dragers of carriers. In Figuur 2.8 wordt de frequentie structuur van een OFDM symbool weergegeven. Er zijn 3 types carriers: Data carriers: voor het versturen van gegevens

30 2.2 Zender 18 Pilot carriers: voor kanaalschatting Null carriers: voor guard bands en DC carrier (hier worden geen gegevens verstuurd) De guard bands hebben als doel de FFT brick wall te vormen en inter-kanaal interferentie tegen te gaan. Figuur 2.8: OFDM frequentiedomein beschrijving Figuur 2.9: OFDM tijdsdomein beschrijving Figuur 2.9 geeft de tijdsstructuur van een OFDM symbool weer. De totale symboolduur noemt men T s, de nuttige symboolduur T b. Een kopie van de laatste T g [µs] van de nuttige symboolduur wordt eerst doorgezonden. Dit noemt men de cyclische prefix. Een cyclische prefix is nodig om kanaaldispersie te vermijden. Kanaaldispersie betekent dat het kanaal geen uniforme frequentiekarakteristiek heeft. Hierdoor wordt het signaal in de tijd uitgesmeerd. Een uitgezonden OFDM blok op een bepaalde carrier zal het begin van het volgende blok storen. Door een cyclische prefix in te voeren kunnen we het begin van elk blok negeren, het bevat geen nuttige informatie. Men zegt dat er geen Inter Symbool Interferentie of ISI optreedt dankzij de cyclische prefix. Het blok OFDM transmitter doet volgende zaken:

31 2.2 Zender 19 Genereren van de pilootsymbolen Ordenen van de datasymbolen en pilootsymbolen zoals besproken in sectie Nullen toevoegen om de guard band te vormen IFFT uitvoeren om het signaal in het frequentiedomein om te zetten naar een signaal in het tijdsdomein Toevoegen van de cyclische prefix Parameters Een OFDM symbool wordt gekarakteriseerd door een aantal parameters. De belangrijkste zijn: BW: de nominale bandbreedte. Deze kunnen we instellen naargelang de beschikbare bandbreedte. N used : het aantal gebruikte carriers, in de standaard 200. Van deze carriers zijn er 192 voor datasymbolen en 8 voor pilootsymbolen. n: dit is de sampling factor. Deze is afhankelijk van de bandbreedte. n kan de volgende waarden aannemen: 8/7, 86/75, 144/125, 316/275 of 57/50. bepaald is beschreven in Bijlage A. Hoe deze waarde wordt G = T g /T b : de verhouding van de CP tijd tot de nuttige tijd, die nen kan instellen afhankelijk van het kanaal. Mogelijke waarden voor G zijn 1/4, 1/8, 1/16 of 1/32. De enige instelbare parameters met betrekking tot de modulatie zijn BW en G. De andere parameters kan men berekenen uit deze waarden. Wanneer BW en G vastgelegd zijn dan kan men volgende parameters berekenen: N F F T : De kleinste macht van 2 groter dan N used, dus N F F T =256 De sample frequentie F s = floor(n BW/8000) 8000 Subcarrier spacing: f = F s /N F F T Nuttige symbooltijd: T b = 1/ f Duur van de Cyclische prefix: T g = G x T b Duur van een OFDM symbool: T s = T b + T g

32 2.2 Zender 20 Sample tijd: T b /N F F T Een OFDM symbool bestaat uit 256 carriers waarvan er 192 gebruikt worden om gegevens te versturen. De overige carriers dienen om piloten te versturen, om nullen te versturen (guard band) en er is ook de DC carrier. De verdeling is als volgt: 28 lage guard subcarriers. De frequentie offset van deze subcarriers: -128, , hoge guard subcarriers. De frequentie offset van deze subcarriers: +101, , +127 Frequentie offset van de piloot subcarriers: -88, -63, -38, -13, 13, 38, 63, 88 De overige carriers worden gebruikt voor data (buiten de carrier met offset 0) Rate ID s Een rate ID definieert een bepaalde constellatie in combinatie met een bepaalde coding rate. Tabel 2.2 toont de mogelijke combinaties volgens de standaard IEEE [1]. Hoe meer punten de constellatie bevat hoe hoger de bitrate zal zijn. Hoe groter de coding rate hoe hoger de bitrate zal zijn. Hoe lager de coding rate en hoe minder punten in de constellatie, hoe robuuster het systeem wordt tegen fouten. Rate modulation Uncoded Coded Overall RS CC ID block block coding code code size size rate rate (bytes) (bytes) 0 BPSK /2 (12,12,0) 1/2 1 QPSK /2 (32,24,4) 2/3 2 QPSK /4 (40,36,2) 5/ QAM /2 (64,48,8) 2/ QAM /4 (80,72,4) 5/ QAM /3 (108,96,6) 3/ QAM /4 (120,108,6) 5/6 Tabel 2.2: Rate ID overzicht De bitrate aan de bron is dus afhankelijk van de bandbreedte van het kanaal, de rate ID en de lengte van de cyclische prefix. Bijlage A beschrijft hoe de parameters berekend worden

33 2.3 Kanaal 21 aan de hand van de Rate ID (=modulation mode), lengte van de cyclische prefix (cp length) en kanaalbandbreedte (channel BW). Bij wijze van voorbeeld berekenen we de maximale bitrate die kan bereikt worden in een kanaal van 20 MHz. De rate ID voor de maximale bitrate is 6 (64- QAM en coding rate 3/4) en de cyclische prefix heeft lengte 1/32. Met de formules uit Bijlage A vinden we een bitrate van 75,5 Mbit/s. In België zullen WiMax systemen waarschijnlijk gebruikt worden met een bandbreedte van 3,5 MHz. Als we ook hier een rate ID 6 nemen dan komen we op een maximum bitrate van 13,1 Mbit/s. 2.3 Kanaal Het model voor het kanaal wordt niet beschreven in de IEEE standaard [1]. Het is zeer moeilijk om op een realistische wijze een kanaal te beschrijven. AWGN (Additive White Gaussian Noise) kanalen voegen enkel witte ruis toe. Rayleigh fading kanalen bootsen een multipad omgeving na met een bewegende zender en/of ontvanger. SUI (Stanford University Interim) kanaalmodellen [11] zijn specifiek ontwikkeld voor vaste draadloze toepassingen [10] [12] Additive White Gaussian Noise Het AWGN kanaalmodel is het eenvoudigste model. Het modelleert een omgeving zonder multipad, er is dus slechts 1 pad tussen zender en ontvanger. Naarmate de zender en ontvanger verder van elkaar staan of naarmate de achtergrondruis toeneemt stijgt de energie van de ruis die het kanaal aan het nuttige signaal toevoegt. Voor WiMax is dit model niet zo goed. Enkel wanneer de zender en ontvanger een sterke LOS (Line Of Sight) component hebben en vrijwel geen andere componenten kunnen we dit model gebruiken. Met LOS bedoelt men een rechtstreeks niet geblokkeerd pad tussen de zend-en ontvangstantenne. Het is wel een eenvoudig model dat gebruikt kan worden om de invloed van enkele parameters (type constellatie, coding rate) te onderzoeken. Met een AWGN kanaal kunnen we ook een theoretische validatie van het model maken Rayleigh fading In dit kanaalmodel wordt rekening gehouden met het feit dat het nuttige signaal verschillende paden volgt. Aan de ontvanger komen de signaalcomponenten aan met een verschillende

34 2.3 Kanaal 22 tijdsvertraging, faseverschuiving en amplitudeversterking. De faseverschuiving en amplitudeveranderingen variëren in de tijd als gevolg van verplaatsingen van voorwerpen in de omgeving van de antennes of van de antennes zelf. De sterkte van de paden kan ingesteld worden voor het Rayleigh kanaaalmodel. Via de Doppler-frequentie kunnen we instellen in welke mate de zender en/of ontvanger bewegen t.o.v. mekaar. Dit kanaalmodel is goed geschikt om omgevingen te simuleren waarbij de zender en ontvanger in beweging zijn en waarbij geen LOS component aanwezig is. Voor mobiele kanalen zijn Rayleigh modellen zeer geschikt. Volgens IEEE [1] is WiMax ontworpen voor fixed wireless, waarbij zender en ontvanger op een vaste positie staan. Rayleigh modellen zijn hier dus minder geschikt voor. We verwachten een zeer slechte performantie wanneer we een Rayleigh model gebruiken SUI modellen SUI modellen [11] zijn kanaalmodellen die specifiek voor breedband, vaste, draadloze netwerken zijn ontwikkeld. Er zijn 6 typische configuraties opgesteld waarvoor volgende parameters vastglegd zijn: type terrein grootte van de K-factor. De K factor is de verhouding van het vermogen in de vaste component tot het vermogen in de scatter componenten (zie sectie 1.4). de grootte van de delay-spread (zie sectie 1.4) hoge of lage Dopplerfrequentie (zie sectie 1.4) Of men gebruikt maakt van omnidirectionele antenne s of gerichte antenne s. MIMO: binnen elke SUI versie is een correlatiefactor gedefinieerd, deze bepaalt de correlatie tussen de verschillende paden als we meerdere zend -en/of ontvangstantennes gebruiken. Co-Kanaal interferentie: interferentie van communicatie in omliggende cellen. Men definieert 3 types terreinen: type A: heuvelachtig terrein met bossen type B: middelmatig terrein, lichte of medium boomdichtheid type C: vlak terrein met weinig bomen

35 2.3 Kanaal 23 We kunnen type A gebruiken in een dichtbebouwde stedelijke omgeving of in een bosrijke heuvelachtige omgeving. Type C kunnen we gebruiken in een landelijke omgeving met weinig obstakels. De grootte van de delay spread geeft aan hoever de verschillende paden in tijd uit mekaar liggen. De Dopplerfrequentie is hoog als er in de omgeving veel bewegende objecten zijn, bv. auto s. Er zijn 6 configuraties gedefinieerd binnen de SUI modellen (zie Bijlage B). Tabel 2.3 geeft de configuratie van een SUI model versie 4, SUI4. Deze configuratie gaat uit van een type B terrein, kleine K-factor, relatief hoge Doppler frequentie, gemiddelde delay-spread en lage antennecorrelatie (voor MIMO). De correlatie tussen de paden wanneer we MIMO gebruiken is laag. Deze configuratie zullen we dikwijls gebruiken in simulaties omdat het een typische modellering voor Vlaanderen is. Tap 1 Tap 2 Tap 3 Eenheid Delay 0 1,5 4 µs Power (omni ant.) db 90% K-factor % K-factor Power (30 ant.) db 90% K-factor % K-factor Doppler 0,2 0,15 0,25 Hz Antennecorrelatie 0,3 Tabel 2.3: SUI4 kanaal We zien dat SUI modellen steeds 3 paden of taps veronderstellen. Er is keuze tussen omnidirectionele antennes en directionele 30 antennes. Deze laatste hebben een smallere bundel. Voor de K-factor maakt men onderscheid tussen 90% of 75% K-factor. Deze getallen slaan op het percentage van het bereik van de antenne waarvoor deze waarde met een betrouwbaarheid van 99,9 % gelden [11]. Bijlage B geeft een overzicht van alle SUI versies Overzicht We zullen simulaties tonen met de 3 types kanaalmodellen: AWGN, Rayleigh en SUI. Voor het AWGN kanaal model kunnen we de SNR instellen om het vermogen van de ruis te regelen. Als we een Rayleigh kanaal model gebruiken kunnen we de tijdsvertraging voor de verschillende paden