شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در متلب

جمعه 10 تیر 1401
بازدید ۱۰۶ نفر
رسول سیفی زاده
(۱۰ امتیاز از ۲ رای)
Loading...

شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در MATLAB

در این مقاله آموزشی شبکه مثال پیش رو نحوه اندازه گیری نرخ خطای بیت (BER) را برای حالت های مختلف بلوتوث کم انرژی (Bluetooth LE) با استفاده از شبیه سازی لایه فیزیکی انتها به انتها به کمک جعبه ابزار Bluetooth در نرم افزار MATLAB نشان می دهد. در این مثال، یک شبیه سازی انتها به انتها (E2E) برای تعیین عملکرد BER بلوتوث کم انرژی تحت یک کانال نویز سفید گوسی (AWGN) برای طیفی از مقادیر نسبت انرژی بیت به نویز (Eb/No) استفاده می شود. در هر نقطه Eb/No، چندین بسته بلوتوث LE از طریق یک کانال نویزی بدون هیچ گونه اختلال در قسمت پیشانه آراف (RF) منتقل می شود. با فرض همگام سازی کامل، یک گیرنده ایده آل برای بازیابی بیت های داده استفاده می شود. این بیت های داده بازیابی شده با بیت های داده ارسالی برای تعیین BER مقایسه می شوند. منحنی های BER برای چهار حالت توان انتقال PHY که در مشخصات بلوتوث LE پشتیبانی می شوند به شرح زیر هستند:

لایه فیزیکی بدون کد با سرعت داده ۱ مگابیت بر ثانیه (LE1M)
لایه فیزیکی بدون کد با سرعت داده ۲ مگابیت بر ثانیه (LE2M)
لایه فیزیکی بدون کد با سرعت داده ۵۰۰ کیلوبیت بر ثانیه (LE500K)
لایه فیزیکی بدون کد با سرعت داده ۱۲۵ کیلوبیت بر ثانیه (LE125K)

شکل زیر شبیه سازی برای هر بسته را خلاصه می کند.

شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در متلب

مقدار دهی اولیه پارامترهای شبیه سازی

EbNo = -2:2:8; % Eb/No range in dB
sps = 4; % Samples per symbol
dataLen = 2080; % Data length in bits
simMode = {'LE1M','LE2M','LE500K','LE125K'};

EbNo = -2:2:8; % Eb/No range in dB

sps = 4; % Samples per symbol

dataLen = 2080; % Data length in bits

simMode = {'LE1M','LE2M','LE500K','LE125K'};

تعداد بسته های تست شده در هر نقطه Eb/No توسط دو پارامتر کنترل می شود:

پارامتر اول maxNumErrors است که حداکثر تعداد خطا های بیت شبیه سازی شده در هر نقطه Eb/No می باشد. هنگامی که تعداد خطا های بیت به این حد می رسد، شبیه سازی در این نقطه Eb/No کامل می شود.
پارامتر دوم maxNumPackets حداکثر تعداد بسته های شبیه سازی شده در هر نقطه Eb/No می باشد و در صورت عدم رسیدن به حد خطای بیت، طول شبیه سازی را محدود می کند.

اعداد انتخاب شده برای maxNumErrors و maxNumPackets در این مثال منجر به یک شبیه سازی بسیار کوتاه می شود. برای به دست آوردن نتایج آماری معنی دار، توصیه می شود که این اعداد را افزایش دهید.

maxNumErrors = 100; % Maximum number of bit errors at an Eb/No point
maxNumPackets = 10; % Maximum number of packets at an Eb/No point

1 2	maxNumErrors = 100; % Maximum number of bit errors at an Eb/No point maxNumPackets = 10; % Maximum number of packets at an Eb/No point

شبیه سازی برای هر نقطه Eb/No

همچنین این مثال نشان می دهد که چگونه می توان از یک حلقه parfor به جای حلقه for در هنگام شبیه سازی هر نقطه Eb/No برای سرعت بخشیدن به یک شبیه سازی استفاده کرد. parfor به عنوان بخشی از جعبه ابزار محاسبات موازی (Parallel Computing Toolbox) ، پردازش را برای هر نقطه Eb/No به صورت موازی اجرا می کند تا کل زمان شبیه سازی را کاهش دهد. برای فعال کردن استفاده از تولباکس محاسبات موازی جهت افزایش سرعت، عبارت for را کامنت کنید و عبارت parfor را نیز از کامنت خارج کنید. اگر تولباکس پردازش موازی (Parallel Computing Toolbox) بر روی متلب شما نصب شده باشد، parfor به طور پیش فرض روی عبارت for نرمال خواهد بود.

numMode = numel(simMode); % Number of modes
ber = zeros(numMode,length(EbNo)); % Pre-allocate to store BER results

for iMode = 1:numMode

phyMode = simMode{iMode};
% Set signal to noise ratio (SNR) points based on mode
% For Coded PHY's (LE500K and LE125K), the code rate factor is included
% in SNR calculation as 1/2 rate FEC encoder is used.
if any(strcmp(phyMode,{'LE1M','LE2M'}))
snrVec = EbNo - 10*log10(sps);
else
codeRate = 1/2;
snrVec = EbNo + 10*log10(codeRate) - 10*log10(sps);
end

% parfor iSnr = 1:length(snrVec) % Use 'parfor' to speed up the simulation
for iSnr = 1:length(snrVec) % Use 'for' to debug the simulation

% Set random substream index per iteration to ensure that each
% iteration uses a repeatable set of random numbers
stream = RandStream('combRecursive','Seed',0);
stream.Substream = iSnr;
RandStream.setGlobalStream(stream);

% Create an instance of error rate
errorRate = comm.ErrorRate('Samples','Custom','CustomSamples',1:(dataLen-1));

% Loop to simulate multiple packets
numErrs = 0;
numPkt = 1; % Index of packet transmitted
while numErrs < maxNumErrors && numPkt < maxNumPackets

% Generate Bluetooth LE waveform
txBits = randi([0 1],dataLen,1,'int8'); % Data bits generation
channelIndex = randi([0 39],1,1); % Random channel index value for each packet
if channelIndex <=36
% Random access address for data channels
% Ideally, this access address value should meet the requirements specified in
% Section 2.1.2, Part-B, Vol-6 of Bluetooth specification.
accessAddress = [1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 ...
0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0]';
else
% Default access address for periodic advertising channels
accessAddress = [0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 ...
1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1]';
end
txWaveform = bleWaveformGenerator(txBits,'Mode',phyMode,...
'SamplesPerSymbol',sps,...
'ChannelIndex',channelIndex,...
'AccessAddress',accessAddress);

% Pass the transmitted waveform through AWGN channel
rxWaveform = awgn(txWaveform,snrVec(iSnr));

% Recover data bits using ideal receiver
rxBits = bleIdealReceiver(rxWaveform,'Mode',phyMode,...
'SamplesPerSymbol',sps,...
'ChannelIndex',channelIndex);

% Determine the BER
errors = errorRate(txBits,rxBits);
ber(iMode,iSnr) = errors(1);
numErrs = errors(2);
numPkt = numPkt + 1;
end
disp(['Mode ' phyMode ', '...
'Simulating for Eb/No = ', num2str(EbNo(iSnr)), ' dB' ', '...
'BER:',num2str(ber(iMode,iSnr))])
end
end

numMode = numel(simMode); % Number of modes

ber = zeros(numMode,length(EbNo)); % Pre-allocate to store BER results

for iMode = 1:numMode

phyMode = simMode{iMode};

% Set signal to noise ratio (SNR) points based on mode

% For Coded PHY's (LE500K and LE125K), the code rate factor is included

% in SNR calculation as 1/2 rate FEC encoder is used.

if any(strcmp(phyMode,{'LE1M','LE2M'}))

snrVec = EbNo - 10*log10(sps);

else

codeRate = 1/2;

snrVec = EbNo + 10*log10(codeRate) - 10*log10(sps);

end

% parfor iSnr = 1:length(snrVec) % Use 'parfor' to speed up the simulation

for iSnr = 1:length(snrVec) % Use 'for' to debug the simulation

% Set random substream index per iteration to ensure that each

% iteration uses a repeatable set of random numbers

stream = RandStream('combRecursive','Seed',0);

stream.Substream = iSnr;

RandStream.setGlobalStream(stream);

% Create an instance of error rate

errorRate = comm.ErrorRate('Samples','Custom','CustomSamples',1:(dataLen-1));

% Loop to simulate multiple packets

numErrs = 0;

numPkt = 1; % Index of packet transmitted

while numErrs < maxNumErrors && numPkt < maxNumPackets

% Generate Bluetooth LE waveform

txBits = randi([0 1],dataLen,1,'int8'); % Data bits generation

channelIndex = randi([0 39],1,1); % Random channel index value for each packet

if channelIndex <=36

% Random access address for data channels

% Ideally, this access address value should meet the requirements specified in

% Section 2.1.2, Part-B, Vol-6 of Bluetooth specification.

accessAddress = [1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 ...

0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0]';

else

% Default access address for periodic advertising channels

accessAddress = [0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 ...

1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1]';

end

txWaveform = bleWaveformGenerator(txBits,'Mode',phyMode,...

'SamplesPerSymbol',sps,...

'ChannelIndex',channelIndex,...

'AccessAddress',accessAddress);

% Pass the transmitted waveform through AWGN channel

rxWaveform = awgn(txWaveform,snrVec(iSnr));

% Recover data bits using ideal receiver

rxBits = bleIdealReceiver(rxWaveform,'Mode',phyMode,...

'SamplesPerSymbol',sps,...

'ChannelIndex',channelIndex);

% Determine the BER

errors = errorRate(txBits,rxBits);

ber(iMode,iSnr) = errors(1);

numErrs = errors(2);

numPkt = numPkt + 1;

end

disp(['Mode ' phyMode ', '...

'Simulating for Eb/No = ', num2str(EbNo(iSnr)), ' dB' ', '...

'BER:',num2str(ber(iMode,iSnr))])

end

شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در متلب

رسم نمودار نتیجه مقایسه BER در مقابل Eb/No

markers = 'ox*s';
color = 'bmcr';
dataStr = {zeros(numMode,1)};
figure;
for iMode = 1:numMode
semilogy(EbNo,ber(iMode,:).',['-' markers(iMode) color(iMode)]);
hold on;
dataStr(iMode) = simMode(iMode);
end
grid on;
xlabel('Eb/No (dB)');
ylabel('BER');
legend(dataStr);
title('BER for Bluetooth LE with AWGN channel');

markers = 'ox*s';

color = 'bmcr';

dataStr = {zeros(numMode,1)};

figure;

for iMode = 1:numMode

semilogy(EbNo,ber(iMode,:).',['-' markers(iMode) color(iMode)]);

hold on;

dataStr(iMode) = simMode(iMode);

end

grid on;

xlabel('Eb/No (dB)');

ylabel('BER');

legend(dataStr);

title('BER for Bluetooth LE with AWGN channel');

شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در متلب

کاوش بیشتر

تعداد بسته های تست شده در هر نقطه Eb/No توسط پارامترهای maxNumErrors و maxNumPackets کنترل می شود. برای رسیدن به نتایج معنی دار آماری، این مقادیر باید بزرگتر از مقادیر ارائه شده در این مثال باشند. شکل زیر با اجرای مثال برای مدت طولانی تر با maxNumErrors = 1e3، maxNumPackets = 1e4، برای هر چهار حالت ایجاد شده است.

شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در متلب

نتیجه گیری

این مثال ارتباط لایه فیزیکی بلوتوث را در یک کانال AWGN شبیه سازی می کند. این نشان می دهد که چگونه می توان شکل های موج بلوتوث کم انرژی را ایجاد کرد، بیت ها را با استفاده از یک گیرنده ایده آل بازیابی و رمزگشایی کرد و BER را نیز محاسبه کرد.

نکته پایانی: این مقاله آموزشی از مثال های آماده خود نرم افزار متلب می باشد که اگر تولباکس بلوتوث (Bluetooth Toolbox) بر روی متلب شما نصب باشد، می توانید با تایپ دستور زیر در پنجره کامند متلب به این کدها و دستورات دسترسی داشته باشید.

openExample('bluetooth/BLEBitErrorRateExample')

1	openExample('bluetooth/BLEBitErrorRateExample')

منبع: mathworks

آموزش پیاده سازی پروتکل های لایه اپلیکیشن برای شبکه سیسکو

آموزش امنیت شبکه از دانشگاه تهران (فیلم آموزشی رایگان و فارسی)

آموزش نصب و نگهداری تجهیزات شبکه و سخت افزار (PDF و فیلم آموزشی)

فیلم آموزش شبیه سازی شبکه های کامپیوتری با Packet Tracer

آموزش تجزیه و تحلیل پروتکل شبکه با نرم افزار Wireshark

آموزش امنیت شبکه های کامپیوتری (از مقدماتی تا پیشرفته)

آموزش شبیه سازی شبکه های بی سیم در متلب – فصل اول

آموزش شبکه مخابرات داده پیشرفته – شبکه های کامپیوتری از دانشگاه شریف

آموزش نتورک پلاس به صورت تصویری با زبان فارسی

آموزش شبکه مخابرات داده – شبکه های کامپیوتری از دانشگاه صنعتی شریف

شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در متلب

شبیه سازی نرخ خطای بیت بلوتوث کم انرژی با AWGN در MATLAB

مقدار دهی اولیه پارامترهای شبیه سازی

شبیه سازی برای هر نقطه Eb/No

رسم نمودار نتیجه مقایسه BER در مقابل Eb/No

کاوش بیشتر

نتیجه گیری

ارزیابی عملکرد تجمیع حامل آپلینک (Uplink CA) با انرژی کارآمد در شبکه LTE با NS2

اندازه گیری کانال باند فوق وسیع (UWB) در شبکه WPAN برای محیط اداری با متلب

شبیه سازی کاهش مصرف انرژی در شبکه بی سیم با پروتکل TCP در NS2

شبیه سازی سیستم ارتباطات CDMA در نرم افزار متلب

تشخیص ناهنجاری در رفتار غیر عادی سرورهای شبکه با مدل همکاری در متلب

شبیه سازی پروتکل بازگشت به N و توقف و انتظار با نرم افزار NS2

شبیه سازی شبکه LAN مشتمل بر سرور و کلاینت با پروتکل IPv6 در OPNET