SVEUILITE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHIKE I RAUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 440

ALGORITMI RASPODJELE POTKANALA, BITOVA I SNAGE U VIEKORISNIKIM OFDMA SUSTAVIMA

Filip Lemi

Zagreb, lipanj 2012.

50

Mentor i voditelj: doc.dr.sc. eljko ili

SADRAJ

UVOD11.PRIJENOSNI SUSTAVI S VIE NOSILACA31.1.FREKVENCIJSKI MULTIPLEKS ORTOGONALNIH PODNOSILACA OFDM51.1.1.PRINCIP ORTGONALNOSTI U OFDM SUSTAVIMA71.1.2.OFDM MODULACIJA I DEMODULACIJA81.1.3.OFDM ZATITNI INTERVAL111.2.PRIJENOSNI SUSTAVI OFDMA132.KOMUNIKACIJSKI KANAL162.1.AWGN MODEL KOMUNIKACIJSKOG KANALA172.2.RAYLEIGHOV MODEL KOMUNIKACIJSKOG KANALA183.ALGORITMI DODJELE RESURSA U VIEKORISNIKIM OFDMA SUSTAVIMA203.1.ALGORITMI S ADAPTIVNOM BRZINOM PRIJENOSA233.2.MARGINALNO ADAPTIVNI ALGORITMI243.3.SLOT-BASED ALGORITMI DODJELE RESURSA U OFDMA SUSTAVIMA254.ALGORITAM RAZVIJEN U SKLOPU DIPLOMSKOG RADA294.1.USPOREDBA RAZVIJENOG ALGORITMA SA SNR BASED ALGORITMOM405.ZAKLJUAK45LITERATURA47POPIS SLIKA52PRAKTINA IZVEDBA DIPLOMSKOG ZADATKA54SIMULACIJA OFDM SUSTAVA55SIMULACIJA OFDMA SUSTAVA56

UVOD

Sustavi za prijenos podataka definiraju se kao sustavi koji omoguuju distribuciju signala koji sadre podatke putem prijenosnih medija. Velik je broj primjera primjene prijenosnih sustava, a neki od njih su telekomunikacije, Internet, digitalna televizija, navigacija i slino. Uz veliku koliinu primjena prirodno dolazi i veoma brz razvoj prijenosnih sustava. U takvom razvoju prednjae sustavi zasnovani na frekvencijskom multipleksu ortogonalnih podnosilaca (OFDM). Dananji prijenosni sustavi najee zahtijevaju istovremeno slanje podataka za vei broj korisnika, a kako OFDM u osnovi nije viekorisniki prijenosni sustav, razvijene su brojne tehnike koje to omoguuju. Najpoznatija meu njima je tehnika frekvencijskog multipleksa ortogonalnih podnosilaca s viestrukim pristupom, odnosno OFDMA. Prijenosni sustavi zasnovani na OFDMA, ili jednostavnije OFDMA sustavi, koriste multipleksiranje ortogonalnih podnosilaca da bi omoguili prijenos podataka veem broju korisnika. Drugim rijeima, u OFDMA sustavima komunikacijski se kanal dijeli na vei broj potkanala i zatim se podaci prenose paralelno putem tih potkanala. Dodjela potkanala korisnicima, kao i dodjela bitova i snage, posebno je podruje istraivanja koje se naziva dodjela ili alokacija resursa. Dodjela resursa se bavi algoritmima dodjele potkanala, bitova i snage kojima je glavni cilj postii to veu brzinu prijenosa podataka uz to manju uloenu snagu.

Glavna tema ovog rada su ranije navedeni algoritmi dodjele resursa u viekorisnikim OFDMA sustavima. Motivi za pisanje rada na ovu temu su objasniti princip i koncept OFDM sustava te ga proiriti na OFDMA sustav. Osim toga, u ovom se radu razrauju postojei tipovi algoritama dodjele resursa i, kao glavni dio rada, predlae se novi algoritam dodjele resursa u OFDMA sustavima. Svojstva razvijenog algoritma su njegova jednostavnost, brzina i praktinost. Cilj predloenog algoritma je minimizacija snage potrebne za prijenos podataka, uz uvjet da su zadovoljeni predefinirani zahtjevi za korisnikim brzinama .

Prvo poglavlje ovog rada objanjava osnovni koncept prijenosnih sustava s vie nosilaca. U tom su poglavlju objanjene glavne prednosti takvih sustava u odnosu na prijenosne sustave s jednim nosiocem. Takoer, prvo poglavlje objanjava OFDM sustave i principe koji se u OFDM sustavima koriste za sam prijenos podataka. U tu su svrhu objanjeni ortogonalnost podnosilaca u OFDM sustavima, koritenje zatitnog intervala za uklanjanje interferencija, kao i principi modulacije i demodulacije. Kraj prvog poglavlja proiruje OFDM sustave na OFDMA sustave, odnosno uvodi vei broj korisnika. Takoer, u tom su dijelu rada dani najpoznatiji koncepti viekorisnikih proirenja OFDM sustava s njihovim prednostima i nedostacima.

Drugo se poglavlje rada bavi komunikacijskim kanalima kao medijima u kojima se podaci prenose. Komunikacijski se kanali modeliraju na nain da pokuaju obuhvatiti sav utjecaj okoline na signal koji se prenosi. Utjecaj okoline se oituje u raznim umovima, refleksijama od objekata, interferencijama s drugim signalima i slino. Najjednostavniji model komunikacijskog kanala je AWGN model. On u obzir uzima samo utjecaj aditivnog bijelog Gaussovog uma na signal. Kako se ovaj rad bavi beinim komunikacijskim mreama, najvea je pozornost posveena Rayleighovom modelu komunikacijskog kanala koji vrlo precizno opisuje utjecaj interferencija na signal koji se prenosi u beinim mreama.

Tree i etvrto poglavlje ovog rada bave se algoritmima dodjele resursa u viekorisnikim OFDMA mreama. U treem su poglavlju objanjeni glavni ciljevi dodjele resursa i dana je podjela postojeih algoritama. Takoer, u tom je poglavlju detaljnije razraen algoritam dodjele resursa zasnovan na slotovima i omjeru srednje snage signala i srednje snage uma (SNR). etvrto poglavlje opisuje razvijeni algoritam dodjele resursa i daje njegovu usporedbu s prije navedenim algoritmom zasnovanom na slotovima i SNR-u. Posljednja poglavlja i dodatak opisuju praktinu izvedbu rada i komentiraju rezultate dobivene simulacijom.

PRIJENOSNI SUSTAVI S VIE NOSILACA

Prijenos podataka putem, najee, beinih komunikacijskih kanala, uz velike brzine prijenosa, u dananje vrijeme zahtijevaju gotovo svi korisnici. Problem koji se javlja prilikom poveanja brzine prijenosa podataka je proporcionalno smanjenje trajanja simbola koji se koriste za taj prijenos. Uz nesavren, odnosno realan komunikacijski kanal, te uz koritenje modulacije s jednim nosiocem (eng. Single-Carrier Modulation), poveanje brzine dovest e do viestrukih interferencijama meu simbolima (eng. Inter-Symbol Interference, ISI). U svrhu smanjenja utjecaja ISI na prijenos podataka, trajanje simbola mora biti viestruko vee od kanjenja rasprostiranja signala du komunikacijskog kanala. U tome lei ideja prijenosnih sustava s vie nosilaca (eng. Multi-Carrier Systems), a time i OFDM-a (eng. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Koncept prijenosnog sustava s vie nosilaca je raspodijeliti komunikacijski kanal u vie potkanala manje irine frekvencijskog pojasa. Ti potkanali paralelno alju podatke i na taj nain postiu veliku brzinu prijenosa uz smanjenje utjecaja ISI. Slika 1 predstavlja osnovnu strukturu i koncept prijenosnog sustava s vie nosilaca.

Slika 1. Shema prijenosnog sustava s vie nosilaca

Na slici je prikazana analiza ulaznog signala irokog frekvencijskog pojasa (x) pomou vie uskopojasnih filtara HK(f) na predajniku, kao i sinteza signala pomou vie uskopojasnih filtara GK(f) na prijemniku. Na prikazan se nain irokopojasni komunikacijski kanal moe aproksimirati pomou vie uskopojasnih kanala. Zanimljivo je primijetiti da je cijeli komunikacijski kanal frekvencijski selektivan, dok potkanali koji ga aproksimiraju to nisu (Slika 2). Na taj se nain smanjuje kompleksnost ujednaavanja (eng. Equalization) svakog potkanala. Dokle god je ortogonalnost potkanala odrana, ICI se moe potisnuti, to dovodi do prijenosa bez distorzije.

Slika 2. Frekvencijske karakteristike viekanalnog prijenosnog sustava

U prijenosnim sustavima s vie nosilaca komunikacijski se kanal moe podijeliti u N uskopojasnih potkanala koji imaju frekvencije podnosilaca , k = 0,1,2,,N-1. Slika 3 prikazuje osnovnu strukturu komunikacijskog sustava s vie nosilaca gdje se razliiti simboli prenose paralelno pomou ortogonalnih potkanala. Oznake XL[k] i YL[k] redom predstavljaju poslani i primljeni signal koji se prenosi nosiocem frekvencije na L-tom intervalu simbola. Uz ovakvu vrstu prijenosa sustavi s vie nosilaca se mogu smatrati tipom FDMA (eng. Frequency Division Multiple Access) metode prijenosa podataka. Ukoliko su potkanali spektralno ogranieni, kao to je prikazano na slici, sustav se takoer moe smatrati tipom FMT (eng. Filtered Multi-Tone) metode prijenosa podataka. FMT sustavi imaju veliku selektivnost komunikacijskog kanala, ali zbog toga njihova implementacija postaje kompleksna. Naime, implementacija im mora ukljuivati velik broj kodera/dekodera, oscilatora, filtara visoke kvalitete i slino. Broj tih komponenti raste s brojem podnosilaca. Iz tog se razloga razvoj prijenosnih sustava sve vie kree u smjeru OFDM tehnike prijenosa podataka.

Slika 3. Osnovna struktura komunikacijskog sustava s vie nosilaca

1.1. FREKVENCIJSKI MULTIPLEKS ORTOGONALNIH PODNOSILACA OFDM

Frekvencijski multipleks ortogonalnih podnosilaca (eng. Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) je drugi tip viekanalnog prijenosnog sustava. OFDM sustavi su poznati ve 40-ak godina, tonije patentirani su sredinom 1960-ih godina [Chang, 1966]. Nekoliko godina nakon toga dolo je do njihovog velikog poboljanja uvoenjem ciklikog prefiksa (eng. Cyclic prefix, CP), koji pomae u otklanjanju interferencija i disperzija uzrokovanih kanjenjem signala. Prvi prijedlog uvoenja OFDM prijenosa u beine komunikacije javlja se 1985. godine [Cimini]. Ipak, OFDM se u beine komunikacije uvodi tek 1990-ih godina. Danas se OFDM tehnika koristi u velikom broju prijenosnih tehnologija [4], primjerice DAB (eng. Digital Audio Broadcasting), DVB (eng. Digital Video Broadcasting) te beinom LAN-u (eng. Wireless Local Area Network), odnosno protokolima IEEE 802.11a i IEEE 802.11g. Takoer, od novijih generacija prijenosnih tehnologija koje koriste OFDM poznatije su 3GPP-LTE (eng. Third Generation Partnership Project-Long-Term Evolution) i WiMAX (eng. Worldwide Interoperability for Microwave Access).

OFDM, za razliku od prethodno objanjenog osnovnog komunikacijskog sustava s vie nosilaca, ne koristi individualne spektralno ograniene filtre i oscilatore za svaki potkanal. Samim time, spektar podnosilaca se preklapa i bolje je iskoriten. Viestruki ortogonalni podnosioci, iji se spektar preklapa, mogu se dobiti uz pomo Nyquistovog kriterija [3]. U praksi, diskretna Fourierova transformacija (eng. Discrete Fourier Transform, DFT) i njezin inverz (eng. Inverse Discrete Fourier Transform, IDFT), odnosno njihovi uinkovitiji algoritmi FFT (eng. Fast Fourier Transform) i IFFT (eng. Inverse Fast Fourier Transform), su metode korisne za implementaciju ortogonalnosti podnosilaca. U OFDM sustavima IFFT u N toaka se koristi nad odaslanim simbolima kao i za generiranje ortogonalnih signala podnosilaca. Svi podnosioci u OFDM sustavu imaju konano trajanje T, a spektrom OFDM signala se moe smatrati suma frekvencijski pomaknutih sinc funkcija u frekvencijskoj domeni. Sljedea slika (Slika 4) prikazuje blok dijagram predajnika i prijamnika OFDM sustava.

Slika 4. Blok dijagram OFDM sustava

U nastavku teksta dana su detaljnija objanjenja pojmova bitnih za razumijevanje koncepta OFDM prijenosnog sustava u sklopu ovog rada. Dijelovi sustava koji slue za prilagodbu toka podataka u modulirane simbole, odnosno FEC (eng. Forward Error Correction) kodiranje i ispreplitanje bitova (eng. Bit interleaving) nisu tema ovog rada i vie o njima moe se pronai u [20]. Isto tako, koritenju pilotskih signala te S/P i P/S pretvorbe podataka takoer nisu teme posebno obraene u ovom radu i vie informacija o njima moe se pronai u [21] i [22]. Dijelovi OFDM sustava koje ovaj rad detaljnije obuhvaa su princip ortogonalnosti, modulacija i demodulacija signala te koritenje zatitnog intervala prilikom prijenosa podataka u OFDM sustavima ([1], [3], [4]).

1.1.1. PRINCIP ORTGONALNOSTI U OFDM SUSTAVIMA

Kao to je prije reeno, koncept OFDM sustava se zasniva na ortogonalnosti podnosilaca. Neka je dan skup vremenski ogranienih kompleksnih eksponencijalnih signala koji predstavljaju razliite podnosioce OFDM signala na frekvencijama , gdje je Ovaj skup signala je ortogonalan ukoliko je integral njihovih umnoaka na njihovom zajednikom (fundamentalnom) periodu jednak nula, odnosno:

(1.1.1.1)

Ukoliko se prethodna jednadba uzorkuje s periodom uzorkovanja , gdje je , jednadba (1.1.1.1) se u vremenskoj domeni moe zapisati kao:

(1.1.1.2)

Uvjeti ortogonalnosti navedeni u prethodnim razmatranjima kljuni su za uklanjanje interferencija meu podnosiocima (eng. Inter -Carrier Interference, ICI) u OFDM prijenosnim sustavima.

1.1.2. OFDM MODULACIJA I DEMODULACIJA

OFDM predajnik slui za mapiranje bitova podataka u sekvence PSK ili QAM simbola koji e kasnije predstavljati N paralelnih tokova. Svaki od N simbola iz serijsko-paralelne pretvorbe (eng. Serial-to-Parallel Conversion, S/P) se prenosi kanalom pomou razliitih podnosilaca. Neka je XL[k] L-ti simbol koji se prenosi pomou k-tog podnosioca, l = 0,1,2,,, k = 0,1,2,,N-1. Zbog S/P pretvorbe, trajanje prijenosa N simbola se poveava na , to definira trajanje jednog OFDM signala. Neka je -ti OFDM signal na k-tom podnosiocu, koji je dan kao:

(1.1.2.1)

Tada se OFDM signali u kontinuiranoj vremenskoj domeni mogu izraziti kao:

(1.1.2.2)

odnosno:

(1.1.2.3)

Kontinuirani OFDM signal iz prethodne jednadbe (1.1.2.3) se moe uzorkovati s uz i da bi se dobio pripadajui diskretni OFDM simbol. Taj simbol tada glasi:

(1.1.2.4)

gdje je n = 0,1,2,,N-1. Prethodna jednadba je ustvari IDFT od PSK ili QAM simbola u N toaka i na jednostavan se i efikasan nain moe izraunati koritenjem IFFT (eng. Inverse Fast Fourier Transform) transformacije. Primljeni OFDM simbol XL[k] se moe rekonstruirati pomou ortogonalnosti podnosilaca navedene u prethodnoj formuli (1.1.1.1).

(1.1.2.5)

(1.1.2.6)

(1.1.2.7)

U prethodnom dokazu efekti kanala i uma nisu uzeti u razmatranje. Neka su vrijednosti primljenog OFDM simbola u trenutku . Tada se integracija iz procesa modulacije danog prethodnom jednadbom moe prikazati u diskretnoj domeni na sljedei nain:

(1.1.2.8)

(1.1.2.9)

(1.1.2.10)

Prethodna jednadba predstavlja DFT signala i efikasno se moe izraunati koritenjem FFT (eng. Fast Fourier Transform) transformacije. Ilustracija prethodnih razmatranja dana je sljedeom slikom (Slika 5), dok realizaciju ortogonalnosti podnosilaca prikazuje Slika 6.

Slika 5. Blok dijagram OFDM modulacije/demodulacije: N=4

Slika 6. Realizacija ortogonalnosti podnosilaca OFDM sustava: N=4

1.1.3. OFDM ZATITNI INTERVAL

Neka je xl(t) l-ti OFDM simbol koji se moe izraziti na sljedei nain:

(1.1.3.1)

Uz komunikacijski kanal s impulsnim odzivom , primljeni signal je dan formulom:

(1.1.3.2)

gdje je aditivni bijeli Gaussov um (eng. Additive White Gaussian Noise, AWGN). Ukoliko se jednadba uzorkuje u trenucima , ona se u vremenski diskretnoj domeni moe prikazati kao:

(1.1.3.3)

gdje su redom:

(1.1.3.4)

Neka je trajanje OFDM simbola bez zatitnog intervala. Kako je iz prethodne jednadbe (1.1.3.4) vidljivo, irina frekvencijskog pojasa signala je Zato vrijedi da je i Zbog puta veeg trajanja simbola, odnosno zbog , utjecaj viestaznog prostiranja kanala (eng. Multipath fading channel) na OFDM simbole se uvelike smanjuje. Ipak, taj utjecaj ostaje faktor koji moe poremetiti ortogonalnost meu podnosiocima u OFDM sustavu.

Nain na koji se uklanja tetan utjecaj viestaznog prostiranja kanala na OFDM simbole je dodavanje zatitnog intervala (eng. Guard interval). Zatitni interval se u OFDM simbole moe umetnuti na dva naina. Jedan od njih je dodavanje nula (eng. Zero padding, ZP) koji OFDM simbolu dodaje zatitni interval s nulama. Taj nain implementacije zatitnog intervala se sve manje koristi i sve ga vie zamjenjuje drugi nain umetanja zatitnog intervala. Taj se nain zasniva na umetanju ciklikog proirenja u OFDM simbol, odnosno ciklikog prefiksa (eng. Cyclic prefix, CP) i ciklikog sufiksa (eng. Cyclic suffix, CS). U nastavku e biti objanjen samo princip umetanja ciklikog prefiksa, jer se on gotovo uvijek koristi u praksi. Umetanje ciklikog sufiksa je analogno umetanju prefiksa, jedina razlika je to se kod sufiksa zatitni interval dodaje na kraj OFDM simbola.

Cikliki prefiks je proirivanje OFDM simbola kopiranjem zadnjih uzoraka OFDM simbola na njegov poetak. Neka je duina ciklikog prefiksa izraena pomou broja uzoraka. Tada proireni OFDM simbol ima trajanje . Ukoliko je duljina zatitnog intervala (CP) vea ili jednaka maksimalnom kanjenju viestaznog kanala, utjecaj ISI meu OFDM simbolima e se ukloniti. Na taj nain zatitni interval odrava ortogonalnost meu podnosiocima. Ukoliko se dogodi kanjenje podnosilaca, uz koritenje ciklikog prefiksa, njegova ortogonalnost u vremenu e ostati odrana, odnosno za prvi OFDM signal s kanjenjem e vrijediti sljedee:

(1.1.3.5)

dok e za sljedei OFDM simbol s kanjenjem vrijediti:

(1.1.3.6)

1.2. PRIJENOSNI SUSTAVI OFDMA

U osnovi, OFDM sustav je jednokorisnika tehnika prijenosa podataka, odnosno u njoj se svi podnosioci koriste za prijenos podataka istog korisnika. Drugim rijeima, OFDM u osnovi nije viekorisniki prijenosni sustav. Ipak, OFDM je mogue kombinirati s postojeim tehnikama viekorisnikog prijenosa podataka kao to su vremenski multipleks s viestrukim pristupom (eng. Time division multiple access, TDMA), frekvencijski multipleks s viestrukim pristupom (eng. Frequency division multiple access, FDMA) te kodirani multipleks s viestrukim pristupom (eng. Code division multiple access) za dobivanje viekorisnikog prijenosnog sustava [4]. Svi se podnosioci OFDM sustava mogu podijeliti meu veim brojem korisnika u oblicima OFDM-TDMA, OFDMA (OFDM-FDMA) ili MC-CDMA (OFDM-CDMA). U OFDM-TDMA sustavima podnosioci se dodjeljuju samo jednom korisniku za vrijeme trajanja jednog ili vie OFDM simbola. Broj OFDM simbola dodijeljenih jednom korisniku moe se mijenjati tokom prijenosa, ovisno o koritenom vremenskom otvoru. U ovom sluaju, dodjela resursa meu korisnicima je ortogonalna u vremenu. OFDMA prijenosni sustav je tehnika prijenosa podataka u kojoj se dio podnosilaca (ne nuno svi) dodjeljuje nekom od korisnika. Taj broj podnosilaca za odreenog korisnika je promjenjiv u svakom OFDM simbolu. Drugim rijeima, podnosioci u svakom OFDM simbolu su ortogonalno podijeljeni meu veim brojem korisnika. S druge strane, OFDM-CDMA sustav omoguuje dijeljenje i vremena i podnosilaca meu korisnicima. OFDM-CDMA funkcionira na nain da svakom korisniku dodjeljuje ortogonalne kodove koji slue za razlikovanje prijenosa podataka meu korisnicima.

Meu ranije navedenim tehnikama viekorisnikog prijenosa podataka koje koriste OFDM, OFDMA (eng. Orthogonal Frequency Division Multiple Access) je najrairenija i najpoznatija. Razliiti korisnici u istom prijenosnom sustavu mogu imati razliit omjer srednje snage signala i srednje snage uma/smetnji (eng. Signal to noise and interference ratio, SINR). Puno je efikasnije dodjeljivati dio potkanala korisnicima s boljim uvjetima na tim potkanalima, nego dodjeljivati sve potkanale jednom korisniku na odreeno vrijeme. Drugim rijeima, vrlo je vjerojatno da e u komunikacijskom kanalu postojati korisnik ili korisnici sa znaajno boljim uvjetima od ostalih, posebno ukoliko je broj korisnika sustava velik. OFDMA je tehnika prijenosa koja vrlo uinkovito iskoritava razliite uvjete u kanalu za velik broj korisnika. Oito je da OFDMA nudi odreene prednosti u odnosu na TDMA tehniku prijenosa, a jednostavnija je za realizaciju od CDMA tehnike. Iz tog je razloga u ovom radu OFDMA odabrana kao tehnika prijenosa podataka.

U osnovi, tri su razliita naina dodjeljivanja podnosilaca korisnicima (Slika 7):

1. dodjela podnosilaca bliskih frekvencija istom korisniku;

2. dodjela jednako udaljenih podnosilaca istom korisniku;

3. dodjela razliito udaljenih podnosilaca istom korisniku.

Slika 7. Razliiti naini dodjeljivanja podnosilaca korisnicima

Dodjela podnosilaca bliskih frekvencija istom korisniku se zasniva na dodjeli odreenog broja podnosilaca s frekvencijama istom korisniku. Prednost ove metode je pojednostavljena estimacija komunikacijskog kanala, poto su podnosioci (odnosno potkanali u terminu komunikacijskog kanala) bliskih frekvencija korelirani. Takoer, mogue je implementirati inteligentno rasporeivanje (eng. Intelligent scheduling), odnosno svakom je korisniku mogue dodijeliti skup podnosilaca koji mu osiguravaju najbolju kvalitetu prijenosa. Slabljenje signala za nekog korisnika je veoma rijetko jer se korisniku periodino dodjeljuju potkanali na kojima ima najbolje uvjete. Takoer, gubitak spektralne uinkovitosti prijenosa ne postoji jer je svaki potkanal dodijeljen nekom korisniku. Glavni nedostatak ove metode je injenica da bazna stanica mora imati informacije o stanju kanala za svakog korisnika. Isto tako, zbog promjenjivosti kanala te je informacije potrebno periodino osvjeavati i ponovno dodjeljivati podnosioce korisnicima, to utjee na brzinu prijenosa. Usprkos tome, na ovoj se metodi zasniva algoritam dodjele resursa razvijen u sklopu ovog rada.

Dodjela jednako udaljenih potkanala istom korisniku je zasnovana na dodjeli podnosilaca frekvencije istom korisniku, gdje je razmak meu potkanalima (). Prednost ove metode je to to je dodjela podnosilaca korisnicima predefinirana pa se prijenos moe odvijati jednako kao kod standardnog OFDM sustava. Takoer, ova metoda ne zahtjeva informacije o kanalu. Nedostatak metode je to postoji mogunost da se odreenom korisniku dodijele potkanali na kojima ima loe uvjete prijenosa. Dodjela razliito udaljenih podnosilaca istom korisniku nudi sve prednosti kao i dodjela jednako udaljenih podnosilaca, uz jednu dodatnu prednost. Ta se prednost oituje u interferencijama meu korisnicima na susjednim potkanalima koje su na ovaj nain sluajne jer su i susjedni korisnici sluajni.

2. KOMUNIKACIJSKI KANAL

Komunikacijski kanal se moe definirati kao medij kroz kojeg se prenose podaci od predajne do prijemne strane. um i smetnje su sastavni dio komunikacijskog kanala i oni utjeu na signal koji se prenosi. Njihov se utjecaj oituje u izobliavanju signala na njegovom putu od predajnika prema prijemniku. Prijenosne je sustave potrebno implementirati na nain da um i smetnje u komunikacijskom kanalu nemaju, ili imaju razmjerno mali, utjecaj na poslane podatke. Iz tog je razloga prilikom simulacije prijenosnih sustava potrebno u razmatranja ukljuiti i utjecaj komunikacijskog kanala na signale.

Komunikacijski se kanal moe modelirati na fiziki i statistiki nain. Fiziki se komunikacijski kanal modelira na nain da se pokuava matematiki oblikovati fiziki proces koji mijenja odaslani signal. Primjerice, u beinim se komunikacijskim mreama kanal moe modelirati tako da se izrauna refleksija svakog objekta u okolini. Takoer, signalu se moe pribrojati i sekvenca nasuminih brojeva koja simulira vanjske smetnje ili elektrini um na prijemnoj strani. Statistiki se komunikacijski kanal uobiajeno modelira kao trostruki skup koji se sastoji od ulaznog signala , izlaznog signala te vjerojatnosti prijenosa za svaki par (). Drugim rijeima, vjerojatnost prijenosa je vjerojatnost da je primljen simbol ukoliko je odaslan simbol . Fiziko i statistiko modeliranje komunikacijskog kanala se moe kombinirati. Kao primjer kombinacije mogu se uzeti beini komunikacijski kanali koji se najee modeliraju uz sluajnu atenuaciju i aditivan bijeli um. Sluajna je atenuacija poznata i kao sluajno slabljenje signala (eng. Fading) [12]. Navedena atenuacija predstavlja pojednostavljenje fizikih procesa koji utjeu na signal tijekom njegovog prijenosa. Bijeli um u modelu, kao to je ve spomenuto, predstavlja vanjske smetnje i um u prijemniku.

Modeli komunikacijskih kanala su veoma brojni, a u sklopu ovog rada razmatrani su modeli AWGN i Rayleighovog komunikacijskog kanala. AWGN model u obzir uzima samo vanjski aditivni Gaussov bijeli um, odnosno odaslanom se signalu samo pribrajaju sluajno generirani brojevi koji predstavljaju um. Rayleighov model u obzir uzima i smetnje (kanjenje, refleksiju, ) tijekom prijenosa signala.

2.1. AWGN MODEL KOMUNIKACIJSKOG KANALA

AWGN (eng. Additive white Gaussian noise) je najjednostavniji model komunikacijskog kanala u kojem se jedina promjena signala u prijenosnom mediju oituje u linearnom dodavanju bijelog (Gaussovog) uma. Ovisnost primljenog signala u odnosu na odaslani signal u AWGN modelu komunikacijskog kanala dana je sljedeom jednadbom:

(2.1.1)

gdje je ulaz u kanal, izlaz iz kanala, a AWGN sluajna varijabla objanjena u nastavku teksta (2.1.2). Blok dijagram AWGN komunikacijskog kanala dan je sljedeom slikom (Slika 8).

Slika 8. Blok dijagram AWGN modela komunikacijskog kanala

Bijeli um koji se u AWGN modelu komunikacijskog kanala dodaje signalu ima konstantnu spektralnu gustou (eng. Spectral Density) izraenu u jedinicama W/Hz. Takoer, takav komunikacijski kanal ima Gaussovu distribuciju amplitude uma. To znai da se amplituda aditivnog bijelog uma moe smatrati sluajnom varijablom s funkcijom gustoe vjerojatnosti danom sljedeom formulom:

(2.1.2)

U prethodnoj je formuli srednja vrijednost, a varijanca uma. Za srednju se vrijednost uma u AWGN modelu najee uzima Kao to je ve reeno, AWGN model je najjednostavniji model komunikacijskog kanala i samim time ne uzima u obzir frekvencijsku selektivnost kanala, interferencije, nelinearnosti, disperzije i slino. Iz tog se razloga u ovom radu ee koriten Rayleighov model komunikacijskog kanala.

2.2. RAYLEIGHOV MODEL KOMUNIKACIJSKOG KANALA

Rayleighov model je statistiki model koji u obzir uzima utjecaj propagacije signala du prijenosnog medija na sam signal. Vie se informacija o Rayleighovom komunikacijskom kanalu moe nai u [23], a u nastavku e biti objanjena njegova najbitnija svojstva. Rayleighov model pretpostavlja da e se amplituda signala koji je proao kroz prijenosni medij (komunikacijski kanal) mijenjati na sluajan nain ili se u potpunosti potisnuti. Ovisnost izlaza Rayleighovog modela komunikacijskog kanala u odnosu na ulaz u kanal dana je sljedeom jednadbom:

(2.2.1)

gdje su i jednaki kao u jednadbi (2.1.1). predstavlja kompleksni faktor potiskivanja s amplitudom i fazom u vremenu Blok dijagram Rayleighovog komunikacijskog kanala dan je sljedeom slikom (Slika 9).

Slika 9. Blok dijagram Rayleighovog modela komunikacijskog kanala

Rayleighov se model oslanja na Rayleighovu distribuciju amplitude i uniformnu distribuciju faze na intervalu . Rayleighova distribucija sluajne varijable ustvari predstavlja radijalnu komponentu zbroja dvaju Gaussovih sluajnih varijabli predstavljenih prethodnom formulom (2.1.2), odnosno:

(2.2.2)

gdje su i . Jednadba Rayleighove distribucije sluajne varijable se moe zapisati kao:

(2.2.3)

3. ALGORITMI DODJELE RESURSA U VIEKORISNIKIM OFDMA SUSTAVIMA

Za razmatranje problema dodjele resursa potrebno je uzeti u obzir OFDMA sustav sa M korisnika i N podnosilaca. Brzina prijenosa podataka m-tog korisnika, izraena u jedinicama bit/s, dana je sljedeom jednadbom:

(3.1)

gdje je B ukupni frekvencijski pojas komunikacijskog kanala, a je indeks koji oznaava povezanost m-tog korisnika i n-tog podnosioca. Ukoliko je 1, tada je n-ti podnosilac dodijeljen m-tom korisniku, inae je . Pojas frekvencija svakog podnosioca jednak je B/N=1/T, gdje je T trajanje OFDMA simbola. Parametar je odnos signala i uma (eng. Signal Noise Ratio, SNR) n-tog podnosilaca za m-tog korisnika i dan je formulom:

(3.2)

gdje je snaga dodijeljena za m-tog korisnika na n-tom podnosiocu. i predstavljaju redom um kanala i iskoristivost kanala za m-tog korisnika u n-tom podnosiocu. N0B/N je snaga uma na svakom podnosiocu, gdje je N0 spektralna snaga bijelog uma (eng. Additive white Gaussian noise, AWGN). Jednadba predstavlja brzinu prijenosa nultog marginalnog sustava (eng. Zero margin system). U praktinim se modulacijskim shemama, meutim, efektivni SNR moe uskladiti koristei modulacijski postupak za eljeni BER. Razlika izmeu snaga teorijskog i praktinog SNR-a naziva se SNR praznina (eng. SNR Gap).

Opa forma problema dodjele resursa prikazana je u nastavku:

CILJ:

Maksimizacija brzine prijenosa:

(3.3)

Minimizacija snage potrebne za prijenos:

(3.4)

Ovi ciljevi ovise o sljedeim ogranienjima:

C1:

C2:

C3:

C4:

C5: Zahtjevi korisnika za brzinom prijenosa podataka.

Problem se moe formulirati s dva cilja i razliitim ogranienjima (C1-C5). Prva dva ogranienja su vezana uz dodjelu podnosilaca da bi se osiguralo da je jedan potkanal dodijeljen samo jednom korisniku. C4 je vano ogranienje samo kada postoji ogranienje snage na ukupnoj snazi sustava PT. Poto zahtjevi za budue sustave jo nisu poznati, svaka klasa algoritama uzima u obzir druge ciljeve i ogranienja da bi pruila to bolje performanse i fleksibilnost dinamike dodjele resursa u viekorisnikim OFDMA sustavima. U svakoj klasi problem je formuliran obzirom na optimalno rjeenje za neki parametar i zato se koriste razliite optimizacijske metode.

Dvije su glavne vrste algoritama za dinamiku dodjelu (alokaciju) resursa:

Algoritmi s adaptivnom brzinom prijenosa, RA (eng. Rate adaptive algorithms),

Marginalno adaptivni algoritmi, MA (eng. Margin adaptive algorithms).

Problem optimizacije u marginalno adaptivnim algoritmima formuliran je minimizacijom ukupne snage prijenosa koja korisnicima prua dovoljnu kvalitetu prijenosa po pitanju brzine i omjeru bitova i pogreaka, odnosno BER-u (eng. Bit Error Rate). Algoritmi s adaptivnom brzinom prijenosa formulirani su s ciljem maksimizacije ukupne brzine prijenosa s ogranienjem na ukupnu snagu prijenosa. Ukupni kapacitet prijenosa komunikacijskog sustava predstavlja dobru mjeru za spektralnu uinkovitost (eng. Spectral Efficiency), ali nije pogodna mjera prilagoenosti sustava svakom korisniku. Prijenos podataka u viekorisnikom OFDMA sustavu je maksimiziran ukoliko je svaki potkanal dodijeljen korisniku s najpogodnijom snagom za taj potkanal, uz koritenje tzv. water-filling distribucije snage. Prikaz podjele algoritama za dinamiku dodjelu resursa u viekorisnikim OFDMA sustavima, uz navedene poznatije algoritme, dan je sljedeom slikom (Slika 10). Vie se informacija o navedenim algoritmima moe pronai u [6].

Slika 10. Podjela algoritama dinamike dodjele resursa u viekorisnikim OFDMA sustavima

3.1. ALGORITMI S ADAPTIVNOM BRZINOM PRIJENOSA

Algoritmi s adaptivnom brzinom prijenosa dijele se na dvije vee podskupine:

Algoritmi s adaptivnom brzinom prijenosa sa stalnom brzinom (eng. Rate adaptive algorithms with fixed rate requirements),

Algoritmi s adaptivnom brzinom prijenosa sa promjenjivom brzinom (eng. Rate adaptive algorithms with variable rate requirements).

Algoritmi s adaptivnom brzinom prijenosa sa stalnom brzinom su algoritmi kod kojih su zahtjevi za korisnikim brzinama prijenosa konstantni za svakog korisnika. Optimizacijski problem se moe iskazati matematiki kao:

(3.1.1)

to ovisi o:

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

i su postignuta i najmanja mogua brzina prijenosa za m-tog korisnika. Maksimalna brzina se moe postii ukoliko se dodijeli svaki podnosilac korisniku koji moe postii najveu snagu na tom nosiocu. Meutim, iako je maksimizirana brzina prijenosa, korisnika ogranienja nisu uzeta u obzir. Taj problem rijeio je Yin tako da ga je podijelio u tri koraka:

1. Odrediti koliko podnosilaca i koliko snage je potrebno svakom korisniku.

2. Alokacija podnosilaca kojom se dodjeljuju podnosioci svakom korisniku.

3. Bit loading koji odreuje koliko se bitova dodjeljuje svakom korisniku, odnosno kolika se snaga dodjeljuje korisnicima.

Algoritmi s adaptivnom brzinom prijenosa sa promjenjivom brzinom mogu se opisati matematiki kao:

(3.1.2)

to ovisi o:

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

Cilj je maksimizacija ukupne brzine prijenosa uz odravanje proporcionalnosti brzine svakog korisnika to odreuje stavka C5. U njoj je { } skup predefiniranih konstantnih korisnikih brzina prijenosa u kojima je pozitivan realan broj u kojem je za korisnika s najmanjom brzinom prijenosa.

3.2. MARGINALNO ADAPTIVNI ALGORITMI

Kod marginalno adaptivnih algoritama se pretpostavlja da skup brzina prijenosa podataka korisnika ima jednake QoS (eng. Quality of Service) zahtjeve. Optimizacijski problem moe se matematiki opisati kao:

(3.2.1)

Ovi ciljevi ovise o:

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

Optimizacija se svodi na pronalaenje minimalne (marginalne) snage potrebne za prijenos podataka odreenom brzinom. Ukoliko se minimalna snaga definira za svakog korisnika postie se i minimalna snaga cijelog OFDMA sustava.

3.3. SLOT-BASED ALGORITMI DODJELE RESURSA U OFDMA SUSTAVIMA

U [30] je pokazano kako se najbolja svojstva prijenosa, odnosno maksimalna brzina prijenosa i minimalna snaga potrebna za prijenos, mogu postii dodjelom svakog potkanala korisniku s najboljim uvjetima na tom potkanalu. Takav se nain dodjele potkanala naziva dodjela pojedinanog potkanala (eng. Single Subchannel Allocation). Da bi se kompleksnost dodjele potkanala smanjila te da bi se smanjila dodatna signalizacija (eng. Signaling Overhead), skupine se susjednih potkanala grupiraju u tzv. slotove. Dodjela slotova, odnosno skupina potkanala, korisnicima se pokazala kao uinkovito rjeenje zbog korelacije meu susjednim potkanalima OFDMA sustava. Naime, dobra/loa svojstva nekog potkanala za nekog korisnika vjerojatno impliciraju dobra/loa svojstava njegovih susjeda za istog korisnika. Iz tog razloga, dodjela potkanala zasnovana na slotovima pokazuje podjednako dobra svojstva kao i dodjela pojedinanog potkanala [33].

Slot-based dodjela resursa u OFDMA sustavima opisana je u [25], [30], [31] i [32]. Slotovi se korisnicima u [30] i [31] dodjeljuju obzirom na njihov omjer srednje snage signala i srednje snage uma (SNR) na svakom slotu. Takvi su algoritmi poznati kao SNR-based algoritmi dodjele resursa. S druge strane, autori [25] koriste BER za dodjelu slotova, dok autori [32] koriste razliite snage prijenosa i dodatne funkcije srednjih korisnikih brzina. U osnovi, cilj prije navedenih algoritama dodjele resursa je maksimizirati brzinu prijenosa u OFDMA sustavima, uz pretpostavku da je broj slotova u sustavu, kao i broj potkanala po slotu, predefiniran. Nadalje, unaprijed definirana veliina, a time i broj slotova, moe degradirati performanse sustava (ukupna brzina prijenosa podataka, BER, dodatna signalizacija, ). Predloeni algoritam, objanjen u sljedeem poglavlju, usporeen je s algoritmom slinim algoritmu dodjele resursa zasnovanim na SNR-u [29] i slotovima. Iz tog je razloga taj algoritam detaljnije objanjen u nastavku teksta.

Neka je N ukupan broj potkanala u sustavu, ukupan broj korisnika, a broj potkanala sadran u jednom slotu. Potkanali se dodjeljuju u slotovima na nain da se prvih potkanala dodjeli korisniku s najboljim srednjim SNR-om na tim potkanalima i tako za svih N potkanala. Cilj ovakvog naina dodjele potkanala moe se izraziti na sljedei nain (3.3.1).

(3.3.1)

Bitovi se algoritmu zasnovanom na slotovima dodjeljuju po formuli (3.3.2), dok se snaga dodjeljuje uniformno.

(3.3.2)

U nastavku je dan primjer dodjele resursa zasnovane na SNR-u. OFDMA sustav u primjeru ima etiri korisnika, 1024 potkanala, zahtijevani SNR na svim potkanalima je 20 dB, model komunikacijskog kanala je Rayleighov s profilom kanjenja snage jednakim , a veliina slota je 8. Prijenosne funkcije svih korisnika dane su sljedeom slikom (Slika 11), dok dodjelu bitova po korisnicima prikazuje Slika 12.

Slika 11. Prijenosne funkcije kanala za OFDMA sustav s etiri korisnika

Slika 12. Dodjela potkanala po korisnicima za SNR-based algoritam

Iz prethodno reenog i iz slike vidljivo je da je svakom korisniku mogue dodijeliti bilo koji potkanal. Dodjela potkanala ovisi samo o srednjem SNR-u na slotu. Uz takvu dodjelu mogue je da se veem broju korisnika ne dodijeli ni jedan potkanal, odnosno mogue je i da se jednom korisniku dodijele svi potkanali. Drugim rijeima, prikazani algoritam ne vodi rauna o korisnikim brzinama, posebice ukoliko je broj korisnika sustava relativno velik. Sljedee dvije slike prikazuju dodjelu bitova po potkanalima (Slika 13) te dodjelu bitova po korisnicima (Slika 14).

Slika 13. Dodjela bitova po potkanalima za SNR-based algoritam

Slika 14. Dodjela bitova po korisnicima za SNR-based algoritam

4. ALGORITAM RAZVIJEN U SKLOPU DIPLOMSKOG RADA

Cilj i znanstveni doprinos ovog rada je razviti jednostavan, brz i praktian algoritam dodjele resursa s minimalnom snagom potrebnom za prijenos podataka, uz uvjet za algoritam zadovoljava dane zahtjeve za korisnikim brzinama. Poetna pretpostavka je da OFDMA prijenosni sustav, implementiran u baznoj stanici (eng. Base station) sadri informacije o kanalima za sve korisnike sustava. Spomenute se informacije moraju aurirati periodino i pohranjivati u bazu podataka stanice. Takoer, pretpostavljeno je da uvjeti u komunikacijskom kanalu za vrijeme trajanja jednog simbola mijenjaju dovoljno sporo da se mogu smatrati konstantnima. Zahtijevane korisnike brzine podataka, izraene u jedinicama bits/symbol, takoer su pohranjene u bazi podataka. Zakljuno, moe se rei da razvijeni algoritam pripada skupini algoritama koji dodjeljuju podnosioce bliskih frekvencija istom korisniku. Takoer, algoritam pripada algoritmima s adaptivnom brzinom prijenosa uz promjenjive zahtjeve za korisnikim brzinama.

Razvijeni algoritam dodjele resursa podijeljen je u dva vea koraka:

dodjela potkanala korisnicima,

dodjela bitova.

Prvi korak je odreivanje broja potkanala koji se trebaju dodijeliti svakom korisniku (), gdje je M ukupan broj korisnika sustava. Razvijeni algoritam pokuava dodijeliti sve dostupne potkanale svim postojeim korisnicima sustava u skladu s njihovim minimalnim zahtjevima za korisnikim brzinama , i zahtjevima za kvalitetom usluge (eng. Quality of Service, QoS) izraene kao omjer bitova i pogreaka (BER). Rasporeiva prometa (eng. Traffic scheduler) implementiran u baznoj stanici koristi princip dozvole pristupa (eng. Admission Policy) kao jamac da suma korisnikih brzina ne prelazi ukupnu brzinu sustava, odnosno:

(4.1)

Kanali dostupni svakom korisniku se analiziraju i formiraju se skupovi uzastopnih potkanala zasnovanih na prozorima (eng. Slot based). Takvi se skupovi dodjeljuju korisnicima sustava. Svaki skup potkanala za svakog korisnika sadri sve potkanale dodijeljene korisniku . Skupovi su disjunktni i vrijedi , gdje je skup koji sadri sve dostupne potkanale.

Optimalna metoda prijenosa u viekorisnikim OFDMA sustavima koja treba minimalnu snagu potrebnu za prijenos podataka je tzv. water-filling [14] po svim potkanalima sustava. Unato tome, zbog raunalne kompleksnosti water-filling metode, usvojena je vrlo jednostavna metoda uniformne dodjele snage (eng. Equal power allocation method) [15]. Ova metoda dodjele snage daje priblino 2% niu ukupnu brzinu prijenosa za danu snagu u odnosu na water-filling metodu, kao to je prikazano u [16].

Princip dodjele potkanala na nain da se postigne uniformna dodjela snage i uz uvjet da su korisnike brzine predefinirane dan je Lemom 1.

Lema 1: Neka je:

(4.2)

gdje je N ukupan broj potkanala OFDMA sustava, ukupan broj korisnika, ukupna snaga sustava, i redom iskoristivost i varijanca uma potkanala za -tog korisnika. Ukoliko je zadovoljen sljedei uvjet:

(4.3)

tada je mogue zadovoljiti korisnike zahtjeve za brzinama prijenosa uz dodjeljivanje potkanala zasnovano na slotovima.

Dokaz Leme 1. vrlo je jednostavan i intuitivan. Potkanali su dodijeljeni korisnicima na sljedei nain. Neka je:

(4.4)

broj potkanala potreban korisniku da bi se zadovoljio zahtjev za traenom korisnikom brzinom prijenosa. Dodjela potkanala zasnovana na slotovima podrazumijeva da e se potkanali dodijeliti korisnicima na nain da prvi korisnik dobije potkanale od do , drugi od do , trei od do itd. Uz koritenje jednadbi (4.3) i (4.4) jednostavno se pokazuje da vrijedi to znai da je N dovoljan broj potkanala za realizaciju opisane dodjele potkanala. Drugi korak dokaza je pokazati da su postignute zahtijevane korisnike brzine prijenosa. Naime, korisniku je dodijeljeno potkanala i svaki od njih ima brzinu prijenosa veu ili jednaku od . To znai da korisnik dobiva korisniku brzinu veu ili jednaku od:

(4.5)

to dokazuje Lemu 1.

Drugi korak razvijenog algoritma je dodjela bitova po potkanalima. Taj je korak realiziran u ovisnosti o zahtijevanim korisnikim brzinama na nain da se minimizira potronja snage. Broj bitova dodijeljen korisniku na potkanalu dan je na sljedei nain:

(4.6)

Openito, aproksimacija BER-a na bilo kojem potkanalu (primjerice ) i za korisnika moe se izraziti kao [19]:

(4.7)

Tada, kombiniranjem jednadbi (4.6) i (4.7) za potkanal jednadba (4.6) se moe napisati kao:

(4.8)

Mogue je pokazati, iako u ovom radu to nije dokazivano, da izraz za moe biti negativan ukoliko je vrijednost vea od 0.2. U skladu s time, zahtijevani na svakom potkanalu mora biti manji od 0.2. Stoga se, uzimajui u obzir da je za nekog korisnika jednak na svim potkanalima dodijeljenim tom korisniku, odnosno te u svrhu pojednostavljenja raunanja, neovisno o i , omjer bitova i pogreaka () obiljeava se kao . Tada se jednadba (4.8) moe zapisati kao:

(4.9)

Prije navedeni uvjet uniformne dodjele snage omoguuje da se jednadba (4.9) moe zapisati kao:

(4.10)

U skladu s prethodno navedenim teorijskim osnovama razvijenog algoritma, u nastavku su dane smjernice za implementaciju navedenog algoritma. Prije je reeno da se algoritam dijeli na dva dijela: dodjelu potkanala i dodjelu bitova. Kod dodjele potkanala prvo je potrebno odrediti potkanal s najloijim uvjetima prijenosa za svakog korisnika sustava. Kanal s najgorim uvjetima prijenosa se odreuje provjerom informacija o komunikacijskom kanalu koje su dostupne u baznoj stanici. Sljedei korak je dodijeliti potkanala -tom korisniku, gdje je . Ti se potkanali dodjeljuju u ovisnosti o potkanalu s najloijim uvjetima prijenosa po formuli (4.4). Rezultat prethodno navedenih operacija je odreen broj potkanala dodijeljen svakom (ili veini) korisnika, dakle prvom je korisniku dodijeljeno potkanala, drugom , itd. Sljedei korak je ograniiti broj potkanala dodijeljenih korisnicima na ukupan broj potkanala u sustavu. Naime, prethodno dodijeljeni potkanali ne ovise o ukupnom broju potkanala u sustavu, nego samo o zahtijevanim korisnikim brzinama i potkanalu s najgorim uvjetima za korisnika. Nakon ovog koraka potrebno je potkanale dodijeliti korisnicima na nain da se prvom korisniku dodijeli prvih potkanal, drugom potkanali od do , treem potkanali od do , itd. Ovim je postupkom zavrena dodjela potkanala po korisnicima i potrebno je pristupiti dodjeli bitova po potkanalima. Bitove je svakom potkanalu potrebno dodijeliti po formuli (4.10). Analogno dodjeli potkanala, dodjela bitova ovisi o korisnikim brzinama i eljenom omjeru bitova i pogreaka (BER), a ne o ukupnom broju bitova koji se mogu dodijeliti korisnicima. Iz tog je razloga potrebno ograniiti dodijeljene bitove na ukupan broj bitova koji se mogu dodijeliti u potkanalu. Takoer, kod dodjele bitova je za svaki potkanal potrebno ograniiti ukupan broj bitova koji se dodjeljuje na maksimalan broj bitova koji se moe dodijeliti. Prethodno objanjeni postupak prikazan je sljedeim pseudokodom i dijagramom (Slika 15).

Korak 1: odreivanje broja potkanala koji e se dodijeliti svakom korisniku:

1) for

for

odredi za svakog korisnika po formuli (4.2).

odredi za svakog korisnika po formuli (4.4).

end

end

2) ogranii broj potkanala dodijeljen svakom korisniku na

Korak 2: dodijeli sve raspoloive potkanale korisnicima:

1) prvom korisniku dodijeli prvih potkanala, drugom sljedeih do potkanala do ukupnog broja potkanala .

Korak 3: dodjela bitova po potkanalima:

1) for

dodijeli bitove po formuli (4.10).

ako je dodijeljeni broj bitova vei od maksimalnog broja bitova koji se moe dodijeliti (4.11), ogranii broj dodijeljenih bitova na maksimalan broj bitova

end

2) ogranii broj dodijeljenih bitova na ukupan broj bitova koji se u sustavu mogu dodijeliti.

Korak 4: uniformno po potkanalima dodijeli snagu.

Slika 15. Blok dijagram razvijenog algoritma dodjele resursa za viekorisnike OFDMA sustave

U nastavku je dan primjer dodjele resursa koritenjem razvijenog algoritma. Parametri simulacije su sljedei: odnos signala i uma (SNR) je 20dB, ukupan broj potkanala u sustavu je 1024, ukupan broj korisnika sustava je 4, njihovi zahtjevi za korisnikim brzinama su jednaki i model komunikacijskog kanala je Rayleighov s profilom kanjenja snage jednakim Prijenosne funkcije svih korisnika prikazane su sljedeom slikom:

Slika 16. Prijenosne funkcije kanala za OFDMA sustav s etiri korisnika

Dodjela potkanala za gore navedeni prijenosni sustav s prijenosnim funkcijama prikazanim na prethodnoj slici dana je sljedeom slikom (Slika 17). Vidljivo je da prvi i etvrti korisnik imaju neto loije uvjete u komunikacijskom kanalu i zbog toga je za oekivati da e njima biti dodijeljen vei broj potkanala (uz uvjet jednakih korisnikih brzina).

Slika 17. Dodjela potkanala po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika

Sljedea slika prikazuje dodjelu bitova po potkanalima (Slika 18). Kako je zadani omjer signala i uma jednak 20dB (100), tada je maksimalan broj bitova koji se moe dodijeliti u jednom potkanalu jednak 6, prema sljedeoj formuli:

(4.11)

Slika 18. Dodjela bitova po potkanalima za OFDMA sustav s etiri korisnika

Jo jedna bitna informacija je dodjela bitova po korisnicima, a ona je dana sljedeom slikom (Slika 19). Kako prvi i etvrti korisnik imaju najloije uvjete prijenosa u potkanalu, a potkanali se dodjeljuju od prvog korisnika prema gore, za oekivati je da e najvei broj bitova biti dodijeljen etvrtom korisniku i to je vidljivo na sljedeoj slici.

Slika 19. Dodjela bitova po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika

Ukoliko se koriste jednaki parametri simulacije kao u prethodnom sluaju, ali uz odnos korisnikih brzina zadan kao , dobivaju se rezultati prikazani sljedeim slikama (Slika 20, Slika 21, Slika 22). Iz slika je vidljivo da algoritam brine o korisnikim brzinama, odnosno da dodjeljuje resurse na nain koji garantira zahtijevane korisnike brzine.

Slika 20. Dodjela potkanala po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika i razliitim zahtijevanim korisnikim brzinama

Slika 21. Dodjela bitova po potkanalima za OFDMA sustav s etiri korisnika i razliitim zahtijevanim korisnikim brzinama

Slika 22. Dodjela bitova po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika i razliitim zahtijevanim korisnikim brzinama

4.1. USPOREDBA RAZVIJENOG ALGORITMA SA SNR BASED ALGORITMOM

Algoritam predloen u prethodnom poglavlju u ovom je poglavlju usporeen sa algoritmom dodjele resursa zasnovanom na SNR-u i slotovima, objanjenim u poglavlju 3.3. Prilikom usporedbe koristio se model ODFMA sustava razvijen u praktinom dijelu rada (Dodatak). U usporedbi se koristio OFDMA sustav s 35 korisnika, 1024 potkanala, omjerom srednje snage signala prema srednjoj snazi uma jednakim 20 dB te Rayleighovim modelom komunikacijskog kanala objanjenog u poglavlju 2.2. i definiranog s profilom kanjenja snage jednakim Slotovi e kod slot-based algoritma biti 8, 16, 32 i 64, dok e kod razvijenog algoritma omjeri zahtijevanih korisnikih brzina biti jednaki. Broj iteracija nad kojim e se raditi usporedba je jednak 5000.

1) Prvi parametar usporedbe: okrenutost korisniku

Kao prvi parametar usporeuje se okrenutost korisniku (eng. Fairness) kod danih algoritama. Okrenutost korisniku je mjera broja posluenih korisnika u odnosu na ukupan broj korisnika u sustavu. Sljedea slika (Slika 23) prikazuje odnos okrenutosti korisnicima izmeu predloenog algoritma i slot-based algoritama sa slotovima veliine 8, 16, 32 i 64. Sa slike se moe uoiti da predloeni algoritam statistiki pokazuje bolja svojstva od slot-based algoritama sa slotovima veliine 32 i 64,. Takoer, za velik broj korisnika (vie od 34) predloeni algoritma prua bolju okrenutost korisnicima od slot-based algoritma sa slotom veliine 16, dok ipak prua neto loija svojstva od algoritma sa slotom veliine 8. Teoretski, predloeni bi algoritam dao bolja svojstva i od slot-based algoritma sa slotom veliine 8 za iznimno velik broj korisnika, ali ta injenica nije od praktinog znaaja.

Slika 23. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju okrenutosti korisnicima

2) Drugi parametar usporedbe: dodatna signalizacija

Drugi parametar usporedbe je odnos dodatne signalizacije (eng. Signaling overhead) meu prije navedenim algoritmima. Dodatna signalizacija predstavlja bitove u OFDMA simbolima koji se moraju dodijeliti samom sustavu za prijenos kontrolnih informacija. Kod slot-based algoritama taj se broj bitova moe izraziti prema sljedeoj formuli (4.1.1).

(4.1.1)

U prethodnoj su formuli i redom broj potkanala u sustavu, broj potkanala po jednom slotu te broj korisnika sustava. Iz formule je vidljivo da dodatne informacije moraju za sve slotove specificirati korisnika kojem je dodijeljen neki slot te oznaku tog slota. S druge strane, predloeni algoritam mora adresirati korisnika kojem je dodijeljen skup potkanala te prvi i zadnji potkanal koji su tom korisniku dodijeljeni, i tako za sve korisnike koji ostvaruju prijenos podataka. Takva se dodatna signalizacija moe prikazati sljedeom formulom (4.1.2).

(4.1.2)

Iz sljedee je slike (Slika 24) vidljivo da za vei broj korisnika predloeni algoritam koristi vei broj bitova signalizacije od slot-based algoritama sa slotovima veliine 16, 32 i 64. U usporedbi sa slot-based algoritmom sa slotom veliine 8 predloeni algoritam prikazuje puno bolje rezultate, odnosno koristi znatno manji broj bitova signalizacije.

Slika 24. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju dodatne signalizacije

3) Trei parametar usporedbe: prosjean ukupan broj bitova po korisniku

Kao trei parametar usporedbe prikazuje se prosjean ukupan broj bitova dodijeljen korisnicima sustava (eng. Average number of bits per user). Prosjean ukupan broj bitova dodijeljen korisnicima sustava je statistiki podatak koji govori koliko se ukupno bitova u prosjeku daje jednom korisniku OFDMA sustava za prijenos podataka. Takoer, u prijenos podataka ulaze i kontrolne informacije. Iz slike (Slika 25) je vidljivo da svi dani algoritmi daju podjednake rezultate. Oduzmu li se od prikazanih podataka bitovi signalizacije dani prethodnom slikom (Slika 24) moe se zakljuiti da predloeni algoritam statistiki prikazuje bolje rezultate od slot-based algoritma sa slotom veliine 8. Po pitanju prosjenog ukupnog broja bitova po korisniku predloeni algoritam daje neto loije rezultate od slot-based algoritama sa slotovima veliine 16, 32 i 64.

Slika 25: Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju prosjenog ukupnog broja bitova po korisniku

4) etvrti parametar usporedbe: prosjean ukupan broj bitova po OFDMA simbolu

Posljednji parametar usporedbe predloenog i slot-based algoritama je prosjean broj bitova po OFDMA simbolu (eng. Average number of bits per OFDMA symbol). Prosjean broj bitova po OFDMA simbolu je statistiki podatak koji govori koliki se broj bitova u prosjeku alje u jednom OFDMA simbolu. Prema slici (Slika 26) je vidljivo da predloeni algoritam po pitanju prosjenog broja bitova po OFDMA simbolu nije optimalan. To se javlja iz razloga to predloeni algoritam vodi rauna o zahtijevanim korisnikim brzinama. Zato predloeni algoritam u jednom OFDMA simbolu alje samo onoliko bitova koliko je dovoljno da bi se omjeri korisnikih brzina zadovoljili. Ukoliko se u obzir uzmu i dodatni bitovi signalizacije, odnosno ukoliko se oni oduzmu od prikazanih rezultata, moe se zakljuiti da predloeni algoritam daje priblino jednake rezultate kao slot-based algoritam sa slotom veliine 8, dok daje neto loije rezultate od algoritama sa slotovima veliine 16, 32 i 64.

Slika 26. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju prosjenog ukupnog broja bitova po OFDMA simbolu

Usporedba danih algoritama po pitanju dodjele bitova po OFDMA simbolima dana je za sluaj kada razvijeni algoritam vodi rauna o BER-u i ukoliko, kao i slot-based algoritmi s kojima se usporeuje, ne uzima BER u obzir. Vidljivo je da ukoliko se ne razmatra BER predloeni algoritam daje malo slabije rezultate od slot-based algoritama. Ukoliko se u obzir uzmu bitovi signalizacije, odnosno ukoliko se prikae samo dodjela podatkovnih bitova, vidljivo je da razvijeni algoritam daje bolje rezultate od algoritma zasnovanog na slotovima sa slotom veliine 8 (Slika 27).

Slika 27. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju prosjenog ukupnog broja podatkovnih bitova po OFDMA simbolu

5. ZAKLJUAK

Ovim radom pokualo se objasniti princip prijenosa podataka u OFDM i OFDMA sustavima, a posebno je velik naglasak stavljen na dodjelu resursa, odnosno dodjelu potkanala, bitova i snage, u viekorisnikim OFDMA sustavima. Algoritam razvijen u sklopu ovog diplomskog rada pokazao je zadovoljavajue rezultate u odnosu na algoritme zasnovane na slotovima i omjeru srednje snage signala i srednje snage uma (SNR). Po pitanju okrenutosti korisnicima razvijeni algoritam daje rezultate sumjerljive slot-based algoritmima. Ukoliko se promatra ukupan prosjean broj bitova po OFDMA simbolima, predloeni algoritam daje neto slabije rezultate. Ranije je objanjeno i iz kojeg se razloga to dogaa, odnosno reeno je da razvijeni algoritam dodjeljuje samo onoliko bitova koliko je potrebno da se zadovolje zahtijevane korisnike brzine i omjer bitova i pogreaka (BER). Takoer, pokazano je da ukoliko se BER ne uzme u obzir razvijeni algoritam pokazuje gotovo jednake rezultate kao i slot-based algoritmi s kojima je usporeen. Po pitanju ostalih parametara usporedbe, odnosno po pitanju dodatne signalizacije i ukupnog prosjenog broja bitova po korisnicima, predloeni algoritam pokazuje jednaka ili ak neto bolja svojstva od slot-based algoritama. Ukoliko se u obzir uzme i velika prednost algoritma, odnosno njegovo zadovoljavanje zahtijevanih korisnikih brzina, moe se zakljuiti da predloeni algoritam ima odreene prednosti u odnosu na slot-based algoritme.

Po pitanju budueg rada i poboljanja, interesantno bi bilo vidjeti ponaanje predloenog algoritma u drugim tipovima mrea. Drugim rijeima, mogao bi se implementirati drugi model komunikacijskog kanala koji opisuje ponaanje, primjerice, relejnih ili satelitskih mrea. Takoer, mogui dodatak je uvesti vei broj parametara usporedbe ili implementirati druge vrste algoritama za usporedbu, na primjer prije spomenuti algoritam zasnovan na slotovima i BER-u. Isto tako, zanimljiva bi bila i optimizacija predloenog algoritma na nain da dodjeljuje maksimalan broj bitova po OFDMA simbolu. to se tie OFDM sustava, interesantno bi bilo implementirati dodjelu resursa koja se zasniva na nekom algoritmu osim ve implementiranih (Chow i Campello). Takoer, budua istraivanja mogla bi u obzir uzimati i BEC kodiranje te ispreplitanje bitova.

LITERATURA

[1] T. Hwang, C. Yang: OFDM and Its Wireless Applications: A Survey, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 58, no. 4, pp. 1673-1693, May 2009.

[2] N. LaSorte, J. Barnes, H. Refai: The history of Orthogonal Frequency Division Multiplexing: Global Telecommunications Conference, 2008. IEEE GLOBECOM

[3] Y. Cho,J. Kim,W. Yang,C. Kang: MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB, John Wiley & Sons Pte Ltd, pp. 111-151, 2010.

[4] A. Molisch: Wireless Communications, Second Edition, John Wiley & Sons Pte Ltd, pp. 417-443, 2011.

[5] I. Wong, B. Evans: Resource Allocation in Multiuser Wireless Systems, Springer Science & Business Media LLC, 2008.

[6] S. Sadr, A. Anpalagan, K. Raahemifar: Radio Resource Allocation Algorithms for the Downlink of Multiuser OFDM Communication Systems, IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 11, no. 3, pp. 92-105, Third quarter 2009.

[7] W. Yu, G. Ginis, J. M. Cioffi: Distributed Multiuser Power Control for Digital Subscriber Lines, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 20, no. 5, pp. 1105-1115, June 2002.

[8] E. Biglieri: Coding and modulation for a horrible channel, IEEE Communication Magazine, vol. 41, no. 5, pp. 92-98, May 2003.

[9] P. S. Chow, J. M. Cioffi, J. A. C. Bingham: A practical discrete multitone transceiver loading algorithm for data transmission over spectrally shaped channels, IEEE Transactions on Communications, vol. 43, no. 2-4, pp. 773-775, Feb/Mar/Apr 1995.

[10] . Ili, A. Baant, B. Modlic: An efficient data rate maximization algorithm for OFDM based wireless networks, Wireless networks The Journal of Mobile Communication, Computation and Information, Springer US, DOI 10.1007/s11276-008-0111-8, 2008.

[11] J. Jang, B. L. Kwang: Transmit power adaptation for multiuser OFDM systems, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 21, no. 2, pp. 171-178, February 2003.

[12] E. Biglieri, J. Proakis, S. Shamai: Fading channels: Information theoretic and communications aspects, IEEE Transactions on Information Theory, vol. 44, no. 6. Pp. 2619-2692. October 1998.

[13] G. D. Forney Jr, G. Ungerboeck: Modulation and Coding for Linear Gaussian Channels, IEEE Transactions on Information Theory, vol. 44, no. 6, pp. 2384-2415, October 1998.

[14] T. M. Cover, J. A. Thomas: Elements of Information Theory, New York: Wiley, 1991.

[15] J. Campello: Practical Bit Loading for DMT, IEEE International Conference on Communications, Vancouver, Canada, vol. 2, pp. 801-805, June 1999.

[16] W. Rhee, J. M. Cioffi: Increase in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation, in Proc. 51st IEEE Vehicular Technology Conference VTC 2000 Spring Tokyo, vol. 2, pp. 1085-1089, 2000.

[17] M. Benvenuto, D. Veronesi: Sum Power Minimization Under Rate Constraints in Multiuser OFDM System, IEEE Wireless Communications and Networking Conference, WCNC 2007. pp. 1313-1317, March 2007.

[18] A. Leke, J. M. Cioffi: Transmit optimization for time-invariant wireless channels utilizing a discrete multitone approach, In Proc. IEEE ICC97, Montreal, vol. 2, pp. 954-958, 1997.

[19] S. T. Chung, A. J. Goldsmith: Degrees of freedom in adaptive modulation: a unified view, IEEE Transactions on Communications, vol. 49, no. 9, pp. 1561-1571, September 2001.

[20] J. Yang: System, device and method of FEC coding and interleaving for variable length burst transmission, US Patent, pn. 5889791, March 1999.

[21] C. S. Yeh: Channel estimation using pilot tones in OFDM systems, IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 45, no. 4, pp. 400-409, December 1999.

[22] J. T. Townsend: Serial vs. Parallel processing, Psychological Science, vol. 1, no. 1, pp. 46-54, January 1990.

[23] J. Li, A. Bose, Y. Q. Zhao: Rayleigh Flat Fading Channels Capacity, IEEE Proceedings of the 3rd Annual Communication Networks and Services Research Conference (CNSR05), 0-7695-2333-1/05, 2005.

[24] Y. Zhang: Downlink Adaptive Resource Allocation for a Multi-user MIMO OFDM System with and without Fixed Relays, Darmstdter Dissertation, February 2010.

[25] H. Zhu, J. Wang: Chunk-Based Resource Allocation in OFDMA SystemsPart I: Chunk Allocation, IEEE Transactions on Communications, vol. 57, no. 9, pp. 2734-2744. September 2009.

[26] H. Zhu, J. Wang: Chunk-Based Resource Allocation in OFDMA SystemsPart II: Joint Chunk, Power and Bit Allocation, IEEE Transactions on Communications, vol. 60, no. 2, pp. 499-509. February 2012.

[27] Y. F. Chen, J. W. Chen: A Fast Subcarrier, Bit, and Power Allocation Algorithm for Multiuser OFDM-Based Systems, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 57, no. 2, pp. 873-881. March 2008.

[28] Z. Liu, Y. Xin, G. B. Giannakis: Linear Constellation Precoding for OFDM With Maximum Multipath Diversity and Coding Gains, IEEE Transactions on Communications, vol. 51, no. 3, pp. 416-427, March 2003.

[29] P. Svedman, S. K. Wilson, L. J. Cimini, B. Ottersten: A simplified opportunistic feedback and scheduling scheme for OFDM, IEEE Transactions on Vehicular Technology conference, Spring 2004.

[30] J. Jang, K. B. Lee: Transmit power adaptation for multiuser OFDM systems, IEEE Journalon SelectedAreasinCommunications, vol. 21, pp. 171-178, February 2003.

[31] M. Shen, G. Li, H. Liu: Effect of traffic channel configuration on the orthogonal frequency division multiple access downlink performance, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 4, no. 4, pp. 1901-1913, July 2005.

[32] N. Gao, X. Wang: Optimal subcarrier-chunk scheduling for wireless OFDMA systems, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 10, no. 7, pp. 2116-2123, July 2011.

[33]

ALGORITMI DODJELE POTKANALA, BITOVA I SNAGE U VIEKORISNIKIM OFDMA SUSTAVIMA

Saetak

Veina korisnika u dananje vrijeme zahtijeva veliku brzinu prijenosa signala, najee putem beinih komunikacijskih mrea. Iz tog se razloga sustavi za prijenos podataka razvijaju velikom brzinom, a posebno veliki napredak ostvaruje prijenos zasnovan na frekvencijskom multipleksu ortogonalnih podnosilaca (OFDM). OFDM koristi odreene matematike principe za uklanjanje smetnji tijekom prijenosa u realnom mediju, primjerice ortogonalnost za uklanjanje interferencija meu podnosiocima i zatitni interval za uklanjanje smetnji meu simbolima. Kako OFDM u osnovi nije viekorisniki prijenos podataka, razvijene su brojne tehnike koje to ipak omoguuju. Najpoznatija meu njima je ortogonalni frekvencijski multipleks s viestrukim pristupom (OFDMA). Prilikom prijenosa signala koritenjem OFDMA sustava poseban je problem dodjela resursa, odnosno dodjela potkanala, bitova i snage. Openiti je cilj dodjele resursa maksimizirati ukupnu brzinu prijenosa uz minimalnu uloenu snagu. Poto su susjedni potkanali prilikom prijenosa najee korelirani, algoritmi za dodjelu resursa zasnovani na slotovima (prozorima) pokazuju dobre performanse prijenosa, a i jednostavni su za implementaciju. Takvi algoritmi ne dodjeljuju pojedinane potkanale korisnicima, nego svakom korisniku dodjeljuju skupine potkanala, odnosno slotove. Nedostatak takvih algoritama je to ne vode rauna o zahtijevanim korisnikim brzinama, a to prua mogunost da neki korisnici prijenosnog sustava uope ne ostvaruju prijenos. Taj je nedostatak glavni motiv ovog rada i predloenog algoritma. Razvijeni algoritam ostvaruje relativno dobre performanse prijenosa u odnosu na algoritme zasnovane na slotovima, a velika mu je prednost zadovoljavanje predefiniranih korisnikih brzina. Dani se algoritam zasniva na slijednom dodjeljivanju potkanala korisnicima u ovisnosti o potkanalu na kojem odreeni korisnik ima najloije uvjete prijenosa. Bitovi se u predloenom algoritmu dodjeljuju ovisno o zahtijevanom omjeru srednje snage signala i uma (SNR) dok se snaga dodjeljuje uniformno. U sklopu rada u MATLAB-u je razvijen i praktian dio koji simulira ponaanje OFDM i OFDMA sustava s posebnim naglaskom na dodjelu podnosioca.

Kljune rijei

sustavi za prijenos podataka # OFDM # OFDMA # ortogonalnost # zatitni interval # komunikacijski kanal # Rayleigh # AWGN # algoritmi dodjele potkanala, bitova i snage # SNR-based algoritmi

MULTIUSER RESOURCE ALLOCATION ALGORITHMS IN OFDMA-BASED SYSTEMS

Abstract

Nowadays, most of the users request fast transmission of data, usually through the wireless communication networks, which is the main reason for fast evolution of data transmission systems. Especially big growth was accomplished with Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). OFDM uses some mathematical principles for interference removal during the transmission through real medium, for example orthogonality for inter-carrier interference removal, and guard interval for inter-symbol interference removal. Since OFDM is not fundamentally a multiuser data transmission system, lots of techniques have been developed to make that possible. Most popular among them is Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA). In the signal transmission systems, resource allocation, respectively subchannel, bit and power allocation, is an especially big problem. General purpose of resource allocation is maximization of total transmission data rate with minimal given power. Since contiguous subchannels are correlated, resource allocation algorithms based on slots (chunks) show sufficiently good transmit performance, and they are simple to implement. Those types of algorithms do not allocate individual subchannels to users, but allocate the group of subchannels (slots) to the same user. Deficiency of those algorithms is that they do not count requested users data rates, which results with a possibility for some users not to achieve transmission. That deficiency is the main motive of this thesis and proposed algorithm. Developed algorithm achieves relatively good transmission performances in relation to the algorithms based on slots and has a big advantage in respecting predefined users data rates. Given algorithm is based on sequential allocation of subcarriers to the users in dependence on the subchannel with worst channel conditions for some user. Bits are in proposed algorithm allocated in dependence on requested signal to noise ratio (SNR), while power is allocated uniformly. As a part of this thesis, a practical part that simulates behavior of OFDM and OFDMA systems has been developed in MATLAB, with an emphasis on resource allocation.

Keywords

Data transmission systems # OFDM # OFDMA # orthogonality # guard interval # communication channel # Rayleigh # AWGN # subchannel, bit, and power allocation algorithms # SNR-based algorithms

POPIS SLIKA

Slika 1. Shema prijenosnog sustava s vie nosilaca3

Slika 2. Frekvencijske karakteristike viekanalnog prijenosnog sustava4

Slika 3. Osnovna struktura komunikacijskog sustava s vie nosilaca5

Slika 4. Blok dijagram OFDM sustava6

Slika 5. Blok dijagram OFDM modulacije/demodulacije: N=410

Slika 6. Realizacija ortogonalnosti podnosilaca OFDM sustava: N=411

Slika 7. Razliiti naini dodjeljivanja podnosilaca korisnicima14

Slika 8. Blok dijagram AWGN modela komunikacijskog kanala17

Slika 9. Blok dijagram Rayleighovog modela komunikacijskog kanala18

Slika 10. Podjela algoritama dinamike dodjele resursa u viekorisnikim OFDMA sustavima22

Slika 11. Prijenosne funkcije kanala za OFDMA sustav s etiri korisnika27

Slika 12. Dodjela potkanala po korisnicima za SNR-based algoritam27

Slika 13. Dodjela bitova po potkanalima za SNR-based algoritam28

Slika 14. Dodjela bitova po korisnicima za SNR-based algoritam28

Slika 15. Blok dijagram razvijenog algoritma dodjele resursa za viekorisnike OFDMA sustave35

Slika 16. Prijenosne funkcije kanala za OFDMA sustav s etiri korisnika36

Slika 17. Dodjela potkanala po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika37

Slika 18. Dodjela bitova po potkanalima za OFDMA sustav s etiri korisnika37

Slika 19. Dodjela bitova po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika38

Slika 20. Dodjela potkanala po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika i razliitim zahtijevanim korisnikim brzinama38

Slika 21. Dodjela bitova po potkanalima za OFDMA sustav s etiri korisnika i razliitim zahtijevanim korisnikim brzinama39

Slika 22. Dodjela bitova po korisnicima za OFDMA sustav s etiri korisnika i razliitim zahtijevanim korisnikim brzinama39

Slika 23. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju okrenutosti korisnicima41

Slika 24. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju dodatne signalizacije42

Slika 25: Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju prosjenog ukupnog broja bitova po korisniku43

Slika 26. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju prosjenog ukupnog broja bitova po OFDMA simbolu44

Slika 27. Usporedba predloenog i SB algoritama po pitanju prosjenog ukupnog broja podatkovnih bitova po OFDMA simbolu45

Slika 28. Grafiko suelje za odabir tipa simulacije54

Slika 29. Grafiko suelje za simulaciju OFDM sustava55

Slika 30. Grafiko suelje za simulaciju dodjele resursa kod viekorisnikih OFDMA sustava57

PRAKTINA IZVEDBA DIPLOMSKOG ZADATKA

Cilj diplomskog bio je simulirati princip rada OFDM i OFDMA prijenosnih sustava s posebnim naglaskom na dodjelu resursa. Nakon toga bilo je potrebno predloiti algoritam dodjele resursa i usporediti ga s nekim od postojeih algoritama. Prijedlog algoritma dodjele resursa u teoriji, kao i njegova usporedba dana je u prethodnim poglavljima ovog rada. U svrhu razumijevanja rada OFDM prijenosnog sustava, a time i OFDMA sustava kao njegove nadogradnje, razvijen je program za njegovu simulaciju. Takoer, razvijen je program za simulaciju dodjele resursa kod viekorisnikih OFDMA sustava. Navedeni su programi razvijeni u programskom paketu MATLAB R2007b. Pokretanjem simulacije otvara se poetno grafiko suelje (Slika 28) na kojem je mogue odabrati jedan od dva naina rada:

OFDM sustav (SIMULACIJA OFDM SUSTAVA),

OFDMA sustav (SIMULACIJA OFDMA SUSTAVA).

Slika 28. Grafiko suelje za odabir tipa simulacije

SIMULACIJA OFDM SUSTAVA

Ukoliko se na prethodnom grafikom suelju odabere simulacija OFDM sustava generira se novo grafiko suelje prikazano sljedeom slikom (Slika 29). To suelje slui za simuliranje naina rada OFDM sustava. U nastavku su ukratko objanjene funkcionalnosti parametara grafikog suelja za simulaciju OFDM sustava.

Slika 29. Grafiko suelje za simulaciju OFDM sustava

PARAMETRI SIMULACIJE:

Tip komunikacijskog kanala (eng. Communication channel type) odreuje tip modela komunikacijskog kanala (Rayleighov ili AWGN).

Profil kanjenja snage (eng. Power delay profile) odreuje funkciju kanjenja signala prilikom rasprostiranja kroz viestazni komunikacijski kanal.

Broj podnosilaca (eng. Number of subcarriers) odreuje broj podnosilaca u OFDM sustavu.

Zatitni interval (eng. Guard interval) odreuje koliko se bitova OFDM simbola koristi u svrhu zatitnog intervala.

eljeni odnos signala i uma (eng. Desired BER (Bit-Error Ratio)) odreuje eljeni odnos signala i uma prilikom prijenosa OFDM simbola.

Prefiks (eng. Prefix) odreuje tip zatitnog intervala (cikliki prefiks ili dodavanje nula).

Praznine u kanalu (eng. Channel gaps) odreuje praznine u komunikacijskom kanalu.

Broj iteracija kanala (eng. Number of channel iterations) odreuje broj iteracija prilikom odreivanja komunikacijskog kanala.

Broj iteracija signala (eng. Number of signal iterations) odreuje broj iteracija prilikom prijenosa signala.

Maksimalan broj bitova konstelacije (eng. Maximum constellation size) odreuje maksimalan broj bitova konstelacije koji se mogu koristiti u OFDM sustavu [29].

Tip algoritma dodjele resursa (eng. Resource allocation algorithm type) - odreuje tip algoritma dodjele resursa u OFDM sustavu (Campello [15] ili Chow [9]).

Ukupan broj bitova po OFDM simbolu (eng. Total num. of bits per OFDM symbol) odreuje ukupan broj bitova signala koji se prenose u jednom OFDM simbolu.

SIMULACIJA OFDMA SUSTAVA

Drugi dio praktinog dijela zadatka bio je simulirati razvijeni algoritam dodjele resursa i usporediti ga sa jednim od postojeih algoritama. U tu je svrhu razvijeno grafiko suelje prikazano sljedeom slikom (Error! Reference source not found.). Spomenuto se suelje dijeli prozor s parametrima i prozor s pogledima. U prozoru s parametrima mogue je odabrati sljedee parametre razvijenog ili slot-based algoritma dodjele resursa.

PARAMETRI SUSTAVA (eng. SYSTEM PARAMETERS):

Odnos signala i uma (eng. Signal-noise ratio (SNR)) odreuje eljeni odnos signala i uma prilikom prijenosa signala, izraen u decibelima [dB].

Broj potkanala (eng. Number of subchannels) odreuje broj potkanala OFDMA sustava.

Broj korisnika (eng. Number of users) odreuje broj korisnika OFDMA sustava.

Profil kanjenja snage (eng. Power delay profile) odreuje funkciju kanjenja signala prilikom rasprostiranja kroz viestazni Rayleighov komunikacijski kanal.

ALGORITMI DODJELE RESURSA (eng. RESOURCE ALLOCATION ALGORITHMS):

Odabir slot-based ili razvijenog algoritma ovisno o odabiru slot-based ili razvijenog (eng. Proposed algorithm) algoritma u brzom pogledu (eng. Quick view) e se generirati informacije odabranom.

Veliine prozora (eng. Slot sizes) odreuje veliinu prozora za slot-based algoritam. Za brze poglede uzima se samo prva navedena veliina.

Brzine prijenosa (eng. Data rates) odreuje korisnike brzine svih korisnika za razvijeni algoritam.

PARAMETRI SIMULACIJE (eng. SIMULATION PARAMETERS):

Broj iteracija (eng. Number of iterations) odreuje broj iteracija prilikom generiranja konanih pogleda (eng. Final view).

Slika 30. Grafiko suelje za simulaciju dodjele resursa kod viekorisnikih OFDMA sustava

SVEUILITE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHIKE I RA

UNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 440

ALGORITMI

RASPODJELE

POTKANALA,

BITOVA I SNAGE U VIEKORISNIKIM

OFDMA

SUSTAVIMA

Filip Lemi

Zagreb, lipanj 2012.