[논문 리뷰] Effect of AWGN & Fading (Raleigh & Rician) channels on BER performance of a WiMAX communication System

Nuzhat Tasneem Awon, Md. Ashraful Islam외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 19.

Advanced Wireless Network Optimization인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 MATLAB 시뮬레이션을 통해 AWGN, Rayleigh 및 Rician fading 채널 조건 하에서 OFDM 기반 WiMAX 물리계층의 비트 오류율(BER) 성능을 평가한다. 결과적으로 AWGN 채널은 가장 낮은 BER를 보이며, Rayleigh fading은 성능 저하가 가장 심하고, Rician fading은 그 사이에 위치함을 입증한다. 이는 IEEE 802.16 표준 하에서 QAM, 16-QAM 및 64-QAM 변조 방식에 대해 동일하게 적용된다.

ABSTRACT

The emergence of WIMAX has attracted significant interests from all fields of wireless communications including students, researchers, system engineers and operators. The WIMAX can also be considered to be the main technology in the implementation of other networks like wireless sensor networks. Developing an understanding of the WIMAX system can be achieved by looking at the model of the WIMAX system. This paper discusses the model building of the WIMAX physical layer using computer MATLAB 7.5 versions. This model is a useful tool for BER (Bit error rate) performance evaluation for the real data communication by the WIMAX physical layer under different communication channels AWGN and fading channel (Rayleigh and Rician), different channel encoding rates and digital modulation schemes which is described in this paper. This paper investigates the effect of communication channels of IEEE 802.16 OFDM based WIMAX Physical Layer. The performance measures we presented in this paper are: the bit error rate (BER) versus the ratio of bit energy to noise power spectral density (Eb/No). The system parameters used in this paper are based on IEEE 802.16 standards. The simulation model built for this research work, demonstrates that AWGN channel has better performance than Rayleigh and Rician fading channels. Synthetic data is used to simulate this research work.

연구 동기 및 목표

• MATLAB R2010a를 사용하여 IEEE 802.16 표준을 준수하는 OFDM 기반 WiMAX 물리계층을 모델링하고 시뮬레이션함.
• 다양한 채널 조건(Additive White Gaussian Noise (AWGN), Rayleigh fading, Rician fading) 하에서 BER 성능 평가.
• 변조 방식(QAM, 16-QAM, 64-QAM)과 코딩 기법(CRC, Convolutional Coding)이 BER에 미치는 영향 분석.
• 채널 모델 간 시스템 성능 비교를 통해 가장 견고한 전송 환경 식별.

제안 방법

• IEEE 802.16 표준을 준수하는 WiMAX 물리계층의 MATLAB 기반 시뮬레이션 모델을 구현함.
• 디지털 전송을 위한 M-ary QAM(QAM, 16-QAM, 64-QAM)을 적용한 OFDM 변조를 적용함.
• 송신기에서 순환 redundancy check (CRC) 및 컨volutional coding (CC)를 사용한 채널 코딩을 통합하고, 수신기에서 해당 복호화를 수행함.
• Additive White Gaussian Noise (AWGN), Rayleigh fading 및 Rician fading의 세 가지 채널 모델을 시뮬레이션함.
• 모든 채널 및 변조 조합에 대해 비트 오류율(BER) 대 Eb/No(SNR) 곡선을 사용하여 시스템 성능 평가.
• 모든 시뮬레이션에 대해 채널 영향을 분리하기 위해 합성 데이터를 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AWGN, Rayleigh 및 Rician fading 채널 조건 하에서 WiMAX OFDM 시스템의 BER 성능는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 AWGN 채널 대비 퇴화(특히 Rayleigh 대 Rician)가 BER에 미치는 상대적 영향은 무엇인가?
• RQ3 다양한 변조 방식(QAM, 16-QAM, 64-QAM)은 다양한 채널 조건 하에서 BER에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 Rician fading에서의 시야(LOS) 성분 존재 여부가 비시야(Non-LOS) Rayleigh fading 대비 BER 성능 향상에 기여하는가?
• RQ5 각 채널 모델에서 BER이 0에 가까워지기 위해 필요한 최소 Eb/No는 얼마인가?

주요 결과

• AWGN 채널은 모든 변조 방식에서 13 dB 이상의 SNR에서 BER이 0으로 유지되어 가장 낮은 BER를 기록함.
• Rayleigh fading 채널은 가장 높은 BER를 보이며, 고 SNR에서도 비영의 값이 유지됨(예: 64-QAM에서 SNR 17 dB일 때 2.1212e-05).
• Rician fading 채널은 중간 수준의 BER 성능를 보이며, AWGN보다는 높고 Rayleigh fading보다는 낮음(예: 16-QAM에서 SNR 13 dB일 때 7.5758e-07).
• 16-QAM의 경우, AWGN에서는 SNR 13 dB 이상에서 BER이 항상 0이지만, Rayleigh 및 Rician 채널은 낮은 SNR 수준에서 비영의 BER 유지.
• 모든 변조 순서에 관계없이 BER 성능 순서는 항상 AWGN < Rician < Rayleigh로 일관됨.
• Rayleigh fading에서 BER 저하는 저-중간 SNR에서 가장 두드러지며, 고 SNR에서도 뚜렷한 오류 바닥이 유지됨.