ESCUELA POLITCNICA DEL EJRCITO DEPARTAMENTO DE ELCTRICA Y

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERÍA Desarrollo del Simulador para un modelo de propagación del análisis de cobertura en conformidad con el estándar IEEE 802. 16 -2009 (Fixed Wireless MAN OFDM) JAIME LEONARDO JARRÍN VALENCIA 2012

Agenda Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos a) a) Estándar IEEE 802. 16 -2009 (FWM OFDM) b) Modelo Matemático c) Canal Inalámbrico c) Resultados d) Simulador e) Gráficas Obtenidas d) Conclusiones y Recomendaciones

Antecedentes � La tecnología de redes inalámbricas de banda ancha que está revolucionando es Wi. MAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), el cual es un sistema que permite la transmisión inalámbrica de voz, datos y video en áreas de hasta 48 km de radio (zonas rurales). � Su importancia radica en presentarse como una alternativa inalámbrica al acceso de banda ancha ADSL o fibra óptica, y una forma de conectar nodos Wi-Fi en una red de área metropolitana

Alcance Estudio del estándar IEEE 802. 16 -2009 • Análisis de la capa física Fixed Wireless MAN OFDM Estudio del Modelo de propagación • Comprensión y análisis del modelo de propagación propuesto. Implementación • Implementación del estándar IEEE 802. 16 -2009 en lenguaje de programación de MATLAB. Obtención de Resultados • Obtención de gráficas de pérdidas del canal, BER. • Convalidación del Modelo de propagación.

Objetivo General �Implementar un modelo de propagación en un simulador para el análisis de la capa física Fixed Wireless MAN OFDM en conformidad con el estándar IEEE 802. 16 -2009.

Realizar un código en MATLAB que permita simular en función de una señal de entrada, potencia de transmisión, ganancia de antenas, pérdidas en el canal y obtener una señal resultante de la transmisión. Analizar el modelo matemático del modelo de propagación propuesto por Yon Soo Cho y Won Yang Analizar la capa física específica para Fixed Wireless. MAN OFDM del estándar IEEE 802. 16 -2009 Realizar un código en MATLAB que permita obtener gráficas de las pérdidas del canal en función de la distancia Objetivos Específic os Realizar comparaciones entre las modulaciones definidas en el estándar IEEE 802. 162009 para determinar su eficiencia y desempeño Convalidar el modelo matemático propuesto con otros modelos ya existentes. .

Agenda Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos a) a) Estándar IEEE 802. 16 -2009 (FWM OFDM) b) Modelo Matemático c) Canal Inalámbrico c) Resultados d) Simulador e) Gráficas Obtenidas d) Conclusiones y Recomendaciones

Fixed Wireless. MAN OFDM Uso de OFDM Únicamente disponible para enlaces punto a punto. Soporte de varios BW (desde 1. 25 MHz) Diversas tasas de codificación de canal. Característica s Modulacione s BPSK, QPSK, 16 QAM y 64 QAM. Soporte de las frecuencias de 2 hasta 11 GHz. Ambientes LOS y NLOS. FTT de tamaño 256.

Esquema Básico de Tx y Rx Transmisor Receptor

Codificador de Canal (I) • Codificador Convolucional • Tasa de código nativa=1/2 • Longitud de palabra=7 • Polinomio Generador: Proceso ‘Punctured’ Ratas de Codificación Out 1/2 2/3 3/4 5/6 X 1 10 10101 Y 1 11 11010 XY X 1 Y 1 Y 2 X 3 Y 4 X 5

Codificador de Canal (II) • Codificación Concatenada RS-CC • Interleaver • Constelaciones usadas (Modulado

Generación del Símbolo OFDM

Prefijo Cíclico Tg: Tiempo de Guarda Tb: Tiempo útil de símbolo Ts: Tiempo de Símbolo Inmunidad al Multicamino

Agenda Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos a) a) Estándar IEEE 802. 16 -2009 (FWM OFDM) b) Modelo Matemático del modelo de propagación c) Canal Inalámbrico c) Resultados d) Simulador e) Gráficas Obtenidas d) Conclusiones y Recomendaciones

Modelo Matemático del modelo de propagación (I)

Modelo Matematico del Modelo de Propagación(II) �Coeficiente de correlación de la frecuencia �Coeficiente de correlación de la antena receptora �Distancia de Referencia modificada

Agenda Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos a) a) Estándar IEEE 802. 16 -2009 (FWM OFDM) b) Modelo Matemático del modelo de propagación c) Canal Inalámbrico c) Resultados d) Simulador e) Gráficas Obtenidas d) Conclusiones y Recomendaciones

Presupuesto de Enlace (Link Budget) �

Relación entre la Prx y la Eb/No � Relación Señal a Ruido B: Ancho de banda en Hz K: Constante de Boltzman 1, 380 x 10 -23 � Energía de Bit con relación a la densidad espectral de potencia de ruido Parámetros definidos en el Estándar Fs=floor(n. BW/8000)x 8000 ∆f=Fs/NFTT Tb=1/∆f Tg=Gx. Tb Tsym=Tb+Tg Tsam= Tb/NFTT

Diseño del Canal Inalámbrico Ruido AWGN Caso BPSK

Agenda Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos a) a) Estándar IEEE 802. 16 -2009 (FWM OFDM) b) Modelo Matemático del modelo de propagación c) Canal Inalámbrico c) Resultados d) Simulador e) Gráficas Obtenidas d) Conclusiones y Recomendaciones

Simulador Ventana de presentación Menú de Opciones

Caso 1: Simulación con una ráfaga de Bits Caso 2: Simulación con una señal de Audio

Caso 3: Obtención de la gráficas de pérdidas de canal en función de la distancia Caso 4: Obtención de gráficas de BER Vs Eb/No

Caso 5: Obtención de la gráfica BER Vs PTx Caso 6: Obtención de Gráficas Ptx Vs Eb/No

Agenda Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos a) a) Estándar IEEE 802. 16 -2009 (FWM OFDM) b) Modelo Matemático del modelo de propagación c) Canal Inalámbrico c) Resultados d) Simulador e) Gráficas Obtenidas d) Conclusiones y Recomendaciones

Pérdidas del Canal Sin corrección de Shadowing Pérdida a 5 Km=169. 6 d. B 3. 7 d. B Con corrección de Shadowing Pérdida a 5 Km=165. 6 d. B

Simulación con una señal de Audio Señal Analógica Valores referidos a: d=5 Km Ptx=0. 251[W] modulación: 64 QAM 3/4 htx=20 m hrx=10 m Gtx=17=Grx f=3. 5 GHz BW=3. 5 MHz Pérdidas

Obtención del BER G=1/16 (1)

Obtención del BER G=1/16 (II) Resultado Ptx Vs. Eb/No Valores referidos a: d=5 Km htx=20 m hrx=10 m Gtx=17=Grx f=3. 5 GHz BW=3. 5 MHz Pérdidas adicionales=2. 8 d. B

Obtención del BER G=1/32 (1)

Obtención del BER G=1/32 (1 I) Resultado Ptx Vs. Eb/No Valores referidos a: d=5 Km htx=20 m hrx=10 m Gtx=17=Grx f=3. 5 GHz BW=3. 5 MHz Pérdidas adicionales=2. 8 d. B

Pruebas de eficiencia � Se realizó la comparación enviando una señal de audio de 2. 13 s Menor potencia – Mayor número de símbolos Mayor potencia – Menor número de símbolos

Convalidación del Modelo de Propagación. Modelo Pérdida a 5 Km Diferencia Yon Soo Cho 165. 94 d. B ---- SUI 171. 74 d. B + 5. 8 d. B Espacio Libre 117. 3 d. B - 48. 64 d. B

Agenda Definición del Proyecto b) Fundamentos Teóricos a) a) Estándar IEEE 802. 16 -2009 (FWM OFDM) b) Modelo Matemático del modelo de propagación c) Canal Inalámbrico c) Resultados d) Simulador e) Gráficas Obtenidas d) Conclusiones y Recomendaciones

Conclusiones (I) El modelo de propagación de Yon Soo Cho es válido únicamente en ambientes rurales donde la densidad de obstáculos es menor a la presentada en los ambientes urbanos. Las mediciones resultantes de la red Wi. MAX de AT&T indica que en ambientes rurales existen menores pérdidas de propagación debido a la menor cantidad de obstáculos comparándolo con las zonas urbanas, por ello su valor de corrección, reduce las pérdidas del modelo de propagación. Un mayor orden de modulación provoca que se necesite un número menor de símbolos para transmisitir la misma cantidad de información, permitiendo que se alcancen mayores tasas de transmisión; así se determina que de los casos de simulación , las modulaciones 16 QAM ¾ y 64 QAM 2/3 son las más eficientes al presentar un equilibrio entre protencia de transmisión y costo computacional.

Conclusiones (II) El valor de prefijo cíclico (G) no presenta una ventaja mayor sobre canales inalámbricos únicamente con shadowing; su principal objetivo es para evitar la ISI en canales con mayores incidencias. En las gráficas no se puede obtener valores de BER hasta 1 x 10 -6 esto se debe a que al simular los ambientes reales, se alcanza la Eb/No necesaria para un BER=0, y al ser una gráfica semi-logarítmica no se puede graficar estos valores; Sin embargo, con el último valor de Eb/No graficado es posible conocer el BER máximo. El modelo de Yon Soo Cho al ser contrastado con el de SUI, presenta una diferencia de 5. 8 d. B menos, esto ratifica que el factor de corrección de shadowing AT&T es para ambientes rurales ya que hace que se tengan menores pérdidas de propagación, debido a que SUI está diseñado para ambientets urbanos.

Recomendaciones Se debe seguir todas las indicaciones del estándar IEEE 802. 16 -2009 para lograr una adecuada implementación sin errores. A pesar de alto costo computacional que produce el randomizador, su uso es fundamental, para evitar que largas cadenas de unos o ceros afecten el comportamiento de lo siguientes codificadores. Se recomienda que a futuro se de continudad a este trabajo, modificando la parte del codificador de canal y reemplazando el codificador concatenado por un código Turbo, para reducir la cantidad de errores en la comunicaciones, reducir la potencia de transmisión necesaria y optimizar el sistema. Es posible mejorar la eficiencia del decodificador de canal, reemplazando el demodulador y el decodificador de viterbi hard, por un decodificador de viterbi soft; estimando los bits que resultaron elimindos de la puntuarización.

GRACIAS!!!