Projektowanie systemów radiokomunikacyjnych opartych na metodzie OFDMA na potrzeby transportu morskiego Design of OFDMA-based radio communication systems for maritime transport

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 113. Transport. 2016. '0

(2)

(3) B , (

(4) ? X

(5) ,

(6)

(7) *#

(8). PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW RADIOKOMUNIKACYJNYCH OPARTYCH NA METODZIE OFDMA NA POTRZEBY TRANSPORTU MORSKIEGO /

(9) : kwie 2016. Streszczenie: W referacie przedstawiono podstawy projektowania systemów radiokomunikacyjnych do szybkiej transmisji danych, opartych na metodzie OFDMA, na potrzeby morskich systemów transportowych. (

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16) radiokomunikacyjnego

(17)

(18) #

(19) %

(20) '>X

(21) e

(22)

(23)

(24)

(25) interfejsu radiowego OFDMA.

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31) uwarunkowania projektowe interfejsu radiowego. (

(32)

(33)

(34) #

(35) zeanalizowano !

(36)

(37)

(38) %

(39) #!

(40)

(41) oraz warunków operacyjnych systemu.

(42)

(43)

(44) %

(45)

(46)

(47) !

(48)

(49) morskich systemach transportowych. S

(50) ! < OFDMA, transport morski, szybka transmisja danych. 1. WPROWADZENIE Problematyka szybkiej transmisji danych multimedialnych w systemach radiokomunikacyjnych dla transportu morskiego,

(51) #

(52) %

(53) '>, nabiera coraz szerszego znaczenia]

(54) ( X

(55) %

(56)

(57)

(58)

(59)

(60) %

(61) !

(62)

(63) rozwojem radiokomunikacji komórkowej. W chwili obecnej problematyka projektowania np. systemów monitoringu, %

(64) !

(65) X

(66)

(67)

(68) kowane

(69)

(70) X

(71)

(72)

(73) yt szeroko analizowana. Powszechnie wiado

(74) X

(75) % % transmisji obrazów jest nie do przecenienia z punktu widzenia np. systemów transportowych, systemów

(76)

(77)

(78)

(79) systemów wspo !

(80) ochron !

(81) ]

(82) Niniejszy referat dotyczy projektowania

(83)

(84)

(85) , w tym transportowych,

(86) !

(87)

(88)

(89)

(90)

(91) metod transmisji i )@$'

(92)

(93)

(94) ,

(95) %

(96)

(97) ! , obej

(98) # A1. C

(99) !

(100)

(101)

(102)

(103)

(104) %

(105) ]

(106).

(107) 182. +

(108) B .

(109)

(110)

(111)

(112) transmisyjne ! o

(113) >= MHz, co pozostaje w

(114)

(115)

(116) %

(117) w systemie komórkowym LTE. Natomiast transmisj

(118) ! odby

(119)

(120)

(121)

(122) ]

(123) >X

(124) B:]

(125) (

(126)

(127)

(128) %

(129) %&X

(130) %

(131)

(132) !

(133)

(134)

(135)

(136) X

(137)

(138) jest

(139) !

(140)

(141) X

(142)

(143)

(144)

(145) %

(146) metody transmisji OFDM. Transmisja s!

(147)

(148)

(149)

(150)

(151)

(152)

(153)

(154)

(155)

(156) !

(157)

(158) ,

(159)

(160) ]

(161) >

(162) X

(163)

(164)

(165)

(166)

(167)

(168)

(169)

(170) %!

(171) X

(172)

(173)

(174)

(175) !

(176)

(177)

(178) 30 km od stacji brzegowej. Projektowanie systemów radiokomunikacyjnych na potrzeby

(179) !

(180)

(181) &

(182) !

(183) #

(184) !

(185) #

(186)

(187)

(188)

(189) X

(190)

(191) %

(192)

(193)

(194) %]. 2. UWARUNKOWANIA PROPAGACYJNE W systemie radiokomunikacyjnym przeznaczonym dla transportu morskiego mamy do czynienia z transmisj !

(195)

(196) !

(197)

(198)

(199) ]

(200) +!

(201)

(202)

(203)

(204)

(205)

(206)

(207)

(208) )+

(209) ^ !]

(210) -of+!_X

(211)

(212)

(213) w tzw. linia

(214) – nadawczej i odbiorczej]

(215)

(216) %

(217)

(218) !

(219) fal radiowych w takich warunkach [2, 3, 6, 7, 9, 11], jest model transmisji dwupromieniowej, w

(220)

(221) X

(222) %

(223) do odbiornika docier

(224)

(225)

(226) ! ]

(227)

(228) z nich

(229)

(230)

(231) )+X

(232)

(233) !

(234)

(235)

(236) odbita od powierzchni morza. W

(237)

(238) !

(239) &

(240) dwie

(241)

(242) ! , odbite od przeszkód brzegowych lub np. od nadbudówek albo kad

(243)

(244) . S

(245)

(246)

(247) jednak niewiel

(248)

(249)

(250)

(251)

(252)

(253) !

(254) )@$]

(255)

(256) ]

(257) >

(258)

(259)

(260) !

(261)

(262)

(263) #

(264)

(265)

(266) powiedzi impulsowej FIR, który

(267)

(268)

(269) |

(270)

(271)

(272) 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)

(273)

(274) . . Rys. 1. Ilustracja modelu

(275) szerokopasmowego w postaci filtru FIR.

(276) O projektowaniu systemów radiokomunikacyjnych OFDMA d

(277)

(278) . 183. +!

(279)

(280) y(t)

(281)

(282) !

(283)

(284)

(285) %

(286) % propagacyjnych, z odmienn faz

(287) |e ]

(288)

(289)

(290)

(291) typu LOS, o amplitudzie zespolonej D0(t) i fazie I0.

(292)

(293)

(294) dowej

(295)

(296)

(297)

(298)

(299) /¡ ]

(300)

(301) !

(302) odbit od powierzchni morza, o amplitudzie zespolonej Ds(t) i fazie Is. Dociera

(303)

(304)

(305)

(306)

(307)

(308)

(309) / !¡ ]

(310) Dodatkowe

(311) %

(312)

(313)

(314) z1(t) i z2(t)X

(315)

(316)

(317)

(318) . /

(319)

(320)

(321)

(322)

(323)

(324)

(325) jednoznacz

(326) X

(327)

(328) %

(329) %

(330)

(331) !& 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 &

(332)

(333) ]

(334)

(335)

(336)

(337)

(338) kimi parametrami, jak:

(339) X

(340)

(341) |

(342) !

(343) !

(344)

(345) p

(346)

(347) ]

(348)

(349) %

(350) !&

(351) maksymalne

(352)

(353)

(354)

(355) !

(356) ]

(357) Badania prezentowane w [1, 4, 5, 8] X

(358) %

(359)

(360)

(361)

(362)

(363) w

(364)

(365)

(366) rozrzut | , w omawianych warunkach propagacji bardzo niewielkie. Rozrzut |

(367)

(368)

(369) !

(370)

(371) X

(372) a stacj !

(373)

(374)

(375) %

(376) %

(377)

(378)

(379)

(380) ! ]

(381) ( obu przy

(382)

(383)

(384)

(385)

(386)

(387) !

(388)

(389)

(390) %

(391) 50 ns, a w najgorszym przypadku nie przekracza 250 ns. Jest to niezwykle istotne z punktu widzenia projektowania interfejsu !

(392) )@$]

(393) ,

(394)

(395)

(396) |

(397)

(398) X

(399) %

(400)

(401)

(402)

(403)

(404)

(405)

(406) )@$

(407) % &

(408)

(409) X

(410)

(411)

(412)

(413) bardzo dobr &

(414) interfejsu radiowego. Wiadomo z literatury [10]X

(415) %

(416)

(417)

(418)

(419) &

(420)

(421) % w porównaniu z maksymalnym rozrzutem | propagacjiX

(422)

(423) &

(424) o znacznego pogorszenia

(425)

(426) ,

(427)

(428)

(429)

(430)

(431) ! ]

(432) G

(433)

(434) !

(435) %

(436) % , %

(437) %

(438)

(439)

(440) w projektowanym

(441)

(442)

(443) &

(444) %

(445) %

(446) Tg,min = 1 Ps. *

(447) %

(448)

(449)

(450)

(451)

(452)

(453)

(454)

(455) X

(456)

(457)

(458)

(459)

(460)

(461)

(462)

(463)

(464)

(465)

(466)

(467) !

(468)

(469) ! ]

(470) (

(471)

(472)

(473)

(474)

(475) raczej

(476)

(477)

(478)

(479)

(480)

(481)

(482)

(483) X

(484) takich,

(485) ]

(486) ,?]

(487) )

(488)

(489)

(490) X

(491) %

(492)

(493) ! & 'f

(494) .

(495) !

(496) )@$, z tego punktu widzenia, %

(497) & %

(498)

(499) w porównaniu do LTE..

(500) 184. +

(501) B . 3. ANALIZA CHARAKTERYSTYK INTERFEJSU RADIOWEGO OFDMA W systemach OFDM symbole zespolone !

(502)

(503)

(504)

(505)

(506)

(507)

(508) X

(509)

(510)

(511) %

(512)

(513)

(514) !

(515)

(516) !

(517)

(518)

(519) . Proces

(520)

(521) !

(522) !

(523)

(524)

(525)

(526)

(527)

(528)

(529)

(530) #

(531) # X

(532) ]

(533) IFFT. Rozmiar #

(534) %

(535)

(536)

(537)

(538)

(539)

(540) !

(541) )@$

(542)

(543) .

(544) &

(545) <X

(546)

(547) !

(548)

(549) &

(550) ]

(551) %

(552)

(553) transformaty

(554)

(555) %

(556)

(557)

(558) X

(559)

(560) &

(561)

(562)

(563)

(564)

(565)

(566) X

(567)

(568)

(569)

(570)

(571)

(572)

(573) ^ _]

(574) ( przypadku naszego systemu odpowiedni jest ro

(575) >=<X

(576) %

(577)

(578)

(579)

(580) od 512 i mniejsza od 1024.. 3.1. PODSTAWY PROJEKTOWANIA INTERFEJSU OFDM )! &

(581)

(582) !

(583) )@$

(584)

(585) &

(586)

(587)

(588) %

(589)

(590) &

(591)

(592) |

(593) ! ]

(594) (

(595)

(596)

(597)

(598)

(599)

(600) w przypadku transportu morskiego

(601)

(602)

(603) w porównaniu np. z szybkimi samochodami w systemach naziemnych. Realnie najszybsze

(604) !

(605) &

(606)

(607)

(608) 20, %

(609) <

(610) X

(611)

(612)

(613) %

(614) >[

(615) X

(616)

(617)

(618)

(619)

(620) ]

(621) Zatem nawet w najgorszym przypadku

(622)

(623)

(624)

(625) %]

(626)

(627)

(628)

(629) X

(630)

(631) !

(632) &, & !

(633) %

(634) &

(635)

(636)

(637)

(638)

(639)

(640) ]

(641)

(642) %

(643) !

(644) %&

(645) z uwagi na to, %

(646)

(647)

(648) & niezawod

(649)

(650)

(651)

(652)

(653) ! ]

(654) @ !

(655) ! &

(656)

(657) .

(658)

(659) &

(660) 'f !! 'f Doopler. (1). i zaleca

(661)

(662) !

(663) 'fmin = 12 kHz. ; & próbkowania stosowana w interfejsie radiowym

(664) %

(665) % od

(666)

(667) 'f

(668)

(669) !

(670)

(671) transformaty FFTSIZE, czyli. fs. FFTSIZE 'f. (2). Natomiast czas TOFDM trwania symbolu OFDM jest odwrotnie proporcjonalny do przy

(672)

(673) 'f, czyli. TOFDM. 1 'f. (3).


(675)

(676) . 185. ;

(677)

(678) TTR trwania symboli OFDMX

(679) !

(680)

(681) ochronny Tg, wynosi TTR. TOFDM Tg. (4). Z %

(682) on od liczby Nsymb

(683) )@$

(684)

(685)

(686)

(687) X

(688) stanowi pojedyncza szczelina czasowa o czasie trwania Tslot = 0,5 ms. *

(689) %

(690)

(691)

(692) trwania symbolu OFDM, tym mniejsza jest

(693) liczba symboli Nsymb

(694)

(695) szcz

(696) ]

(697) ;

(698)

(699)

(700)

(701) zatem. TTR. Tslot N symb. (5). C %X

(702) %

(703)

(704)

(705)

(706) ! &

(707) 'fX

(708)

(709)

(710)

(711) %

(712) &

(713) w jednostce czasu. Dla! X

(714) %

(715)

(716) w ostatnim akapicie punktu 2.2, zwyczajnie

(717)

(718)

(719) % &

(720) 'fX

(721)

(722) !

(723)

(724) # &

(725)

(726) transmisji. C

(727)

(728) raczej odpowiednie dobieranie czasowych

(729)

(730)

(731)

(732)

(733) )@$. $ %

(734)

(735) !

(736) &

(737)

(738) niu czasu TOFDMX

(739) !

(740)

(741)

(742) )@$X

(743)

(744)

(745) &

(746) jednej szczelinie czasowej (0,5 ms)]

(747)

(748) Tg

(749) &

(750)

(751) Tg ! 'Tdelay. (6). gdzie 'Tdelay

(752)

(753) |

(754) !

(755) ! ]

(756)

(757)

(758) nacznie bezpieczniej jest, gdy Tg >> 'Tdelay]

(759) C

(760)

(761) X

(762) %

(763) Tg

(764) &

(765)

(766) od 'Tdelay w znacznym procencie czasu obserwacji.. 3.2. ANALIZA CHARAKTERYSTYK SYSTEMU T

(767) !

(768)

(769)

(770)

(771)

(772)

(773)

(774)

(775)

(776)

(777)

(778)

(779) >=

(780) $:, w trybie w dupleksu czasowego TDD. Oznacza to, %

(781)

(782)

(783)

(784)

(785)

(786)

(787)

(788)

(789)

(790)

(791)

(792) ^

(793)

(794) _

(795)

(796) ! (do stacji brzegowej). Podstawowe parametry techniczne proponowanego systemu zebrano w tab. 1. Natomiast w tab. <

(797)

(798)

(799)

(800) #

(801) ! , !

(802)

(803) % nej liczby symboli OFDM w pojedynczej szczelinie czasowej (0,5 ms) oraz %

(804) od

(805) !

(806)

(807)

(808)

(809) ]

(810) (

(811) !

(812)

(813) &

(814) , !

(815)

(816) RpX

(817)

(818) !

(819)

(820)

(821) Rmin, uzyskanej podczas analizy (najgorszy przypadek). Taki sposób przedstawienia wyników %

(822)

(823)

(824) %

(825) !

(826)

(827) odmiennych #!

(828)

(829) !

(830)

(831)

(832)

(833)

(834)

(835) |

(836) #.

(837) 186. +

(838) B .

(839)

(840)

(841) #

(842) interfejsu radiowego. Ponadto, dla porównania, w tab. <

(843)

(844) %

(845)

(846) !

(847)

(848) 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 ; &

(849)

(850)

(851)

(852) ^ _ Modulacja

(853)

(854) ^ _ 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.

(855) !+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.

(856) &X

(857) %

(858)

(859) %

(860) #!

(861)

(862)

(863)

(864) &

(865) w taki sposób, aby # &

(866)

(867)

(868) ] Faktycznie

(869)

(870)

(871) oli OFDM w jednostce czasu daje nieco lepsze wyniki,

(872)

(873)

(874)

(875)

(876) mierze !

(877) !

(878)

(879)

(880) ! ]

(881) %

(882)

(883)

(884) Tg = 1,26 PX

(885)

(886)

(887) !

(888)

(889)

(890) X

(891)

(892) faktycznie najkorzystniejszy jest wariant 8 symboli OFDM, przy zachowaniu 'f > 12 kHz. C % %X

(893) %

(894)

(895)

(896)

(897)

(898)

(899)

(900)

(901)

(902)

(903)

(904)

(905)

(906)

(907)

(908) X

(909)

(910) !

(911)

(912) &

(913) 'fX

(914)

(915) %

(916) &

(917) ystana dla tej konfiguracji.

(918)

(919)

(920) 'f !

(921) %

(922) % &

(923) , %

(924)

(925)

(926) zmniej

(927)

(928)

(929) !

(930)

(931) ] $ %

(932) % %&X

(933) %

(934) %

(935)

(936)

(937) 'f mniej

(938) %

(939) >2 :X

(940)

(941) %

(942) &

(943)

(944)

(945) &

(946) interfejsu ! ]

(947) C %

(948) X

(949) %

(950)

(951) !

(952) !

(953)

(954)

(955)

(956)

(957)

(958)

(959)

(960) .


(962)

(963) . 187. X

(964)

(965) w synchronizacji oraz &

(966)

(967)

(968)

(969) , co oznacza z kolei % & oblicze ]

(970)

(971)

(972)

(973)

(974)

(975)

(976)

(977) 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. "

(978) &

(979) Rp/Rmin w funkcji czasu Tg,

(980) %

(981) #!

(982)

(983) )@$Y

(984) _

(985)

(986)

(987)

(988) 'f > 12 kHz, b) wykres dla mniejszych 'f. (

(989) %

(990) !

(991)

(992)

(993)

(994) #

(995) !

(996) czasu ochronnego pokazano na rys. 2. Z przedstawionych wykresów wynika, %

(997) !

(998) &

(999)

(1000)

(1001) %

(1002)

(1003) !

(1004)

(1005) ! ]

(1006) %

(1007) tów zaznaczonych na wykresach odpowiada wariantowi konfiguracji, który jest potencjal

(1008) %

(1009)

(1010) ]

(1011) )

(1012)

(1013) ochronny oznacza zmniejszenie

(1014)

(1015) odwrotnie]

(1016)

(1017)

(1018) %&

(1019) raczej

(1020)

(1021)

(1022) Tg.

(1023)

(1024)

(1025) 'f

(1026)

(1027)

(1028)

(1029) ]

(1030) @ !

(1031) #

(1032)

(1033)

(1034)

(1035) 'f

(1036) %

(1037) >2 kHz. (

(1038) %

(1039) zauwa%&X

(1040) %

(1041)

(1042) czasów ochronnych Tg

(1043) &

(1044) !

(1045)

(1046)

(1047)

(1048) symboli OFDM w szczelinie czasowej.

(1049)

(1050) wspomniano,

(1051)

(1052)

(1053) !

(1054) X

(1055) %

(1056)

(1057) %

(1058) &

(1059)

(1060)

(1061)

(1062)

(1063) %

(1064) > P]

(1065) )

(1066) X

(1067) %

(1068) naszym

(1069) %

(1070) &

(1071)

(1072)

(1073)

(1074)

(1075) )@$

(1076)

(1077)

(1078)

(1079) ]

(1080) (

(1081)

(1082)

(1083)

(1084)

(1085) !

(1086) &, która, j

(1087) &

(1088) na rys. 2,

(1089)

(1090)

(1091) od

(1092) ! ych w systemie LTE.. 4. PODSUMOWANIE (

(1093) #

(1094)

(1095)

(1096)

(1097) #

(1098) !

(1099) !

(1100)

(1101) )@$'X

(1102) !

(1103)

(1104)

(1105)

(1106)

(1107) , pracu!

(1108)

(1109) %

(1110)

(1111) ! , który %

(1112) |&

(1113)

(1114) w transporcie morskim. Jak wspomniano, morskim

(1115) !

(1116) #

(1117)

(1118)

(1119)

(1120)

(1121)

(1122)

(1123) !

(1124) )@$] Wynika to po pierwsze.

(1125) 188. +

(1126) B .

(1127) !

(1128)

(1129) | propagacji wielodrogowej oraz, po drugie, z relatywnie ma!

(1130)

(1131) !

(1132)

(1133)

(1134) X

(1135)

(1136)

(1137)

(1138)

(1139)

(1140)

(1141) ]

(1142) (

(1143)

(1144) propagacyjnym mamy

(1145) % & zastosowania

(1146)

(1147)

(1148)

(1149)

(1150) wanymi symbolami OFDM. @ temu

(1151) % !e

(1152) %

(1153) #

(1154) korzystania zasobów fizycznych systemu, która jest nieco

(1155) %