Исследование и разработка алгоритмов оценивания параметров канала и демодуляции в системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием

Состояние вопроса. Постановка проблемы и ее актуальность. В последнее время все активнее ощущается рост беспроводных систем связи. Развитие технологий мобильных устройств, беспроводных локальных сетей (WLAN) и стремительный рост Интернет вызывают все возрастающую потребность в увеличении емкости мобильных сетей.

Уже сейчас ощущается недостаточность пропускной способности беспроводных сетей передачи данных из-за возрастающих потребностей в передаче больших объемов данных, содержащих потоковую видео и аудио информацию. Требования к скорости передачи данных в беспроводных сетях постоянно растут, что требует дополнительного увеличения спектральной эффективности [96].

Также в последнее время наблюдается все большая интеграция сотовых сетей с сетями передачи данных, например GPRS в GSM сетях, а также сети 3G [8]. Однако существующие технологии не могут удовлетворить новых потребностей по емкости сети, скорости передачи и стоимости услуг.

Сети третьего и четвертого поколения призваны обеспечить более широкий спектр услуг, таких как высокоскоростной доступ в Интернет, видеозвонки и т. п. [13]. Увеличение скорости передачи будет обеспечиваться как за счет расширения спектра, так и за счет повышения спектральной эффективности.

Системы третьего поколения обеспечивают более высокую скорость передачи данных, чем сети 2G, такие как GSM [8], и больше ориентированы на передачу данных, чем на голосовую связь. К системам третьего поколения относятся UMTS [106], CDMA2000 [13] и другие. Сети 3G отличаются более эффективным использованием спектра, чем сети 2G. Однако в условиях все увеличивающихся требований как к ширине спектра, так и к его использованию, сотовым сетям приходится делить полосу частот с другими сетями, работать в условиях непрямой видимости и на скорости движения абонента до 300 км/ч и выше.

На настоящий момент максимальная частота, на которой могут работать сотовые сети составляет 5ГГц, т.к. работа на более высоких частотах приводит к недопустимым потерям при отражении сигнала, а также к слишком большому доплеровскому расширению спектра при высокой скорости движения абонента. Эти ограничения делают невозможным дальнейшее расширение спектра для сетей мобильной связи и заставляют разработчиков искать новые пути повышения энергетической и спектральной эффективности.

Работа над системами связи четвертого поколения уже ведется и начинают развертываться экспериментальные сети. Системы 4G будут расширять системы 3G, а также обеспечивать дополнительные услуги, требующие еще большей пропускной способности, например цифровые широковещательные сервисы, такие как телевидение высокой четкости (HDTV). Очень вероятно, что сети 4G заменят беспроводные локальные сети, однако чтобы это произошло, стоимость услуг должна быть значительно ниже, чем в сетях 3G. Спектральная эффективность сетей 3G слишком низкая, чтобы обеспечить дешевый высокоскоростной доступ, поэтому ключевой задачей в разработке систем 4G является существенное повышение спектральной эффективности.

Помимо высокой скорости доступа, будущие системы должны иметь более высокое качество обслуживания (QoS), до 98 — 99.5% [15].

Чтобы обеспечить столь высокие показатели качества обслуживания, системы связи должны быть более гибкими и адаптивными. Во многих случаях гораздо важнее не постоянная скорость передачи, а возможность удерживать соединение. Если замирания очень глубокие, например в подвальных помещениях зданий, система может снизить скорость обмена данными, вплоть до полного прекращения передачи, но продолжать поддерживать соединение до тех пор, пока условия в канале не станут более благоприятными. Таким образом скорость передачи данных может варьироваться в зависимости от состояния канала. Для пользователей, требующих поддержания фиксированой скорости передачи данных система может выделять дополнительные ресурсы в сложных условиях.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — ортогональное частотное мультиплексирование [90], становится все более популярной технологией передачи сигналов в беспроводных системах связи и уже используется в ряде стандартов, таких как DAB (digital audio broadcasting) -цифровое радиовещание [109], DVB-T (digital video broadcasting) — цифровое телевизионное вещание [110], IEEE 802.11a/b/g/n — стандарты беспроводных локальных сетей (WiFi) [93, 101], IEEE 802.16e — стандарт городских беспроводных сетей (WiMax) [98−100, 104]. OFDM также используется в стандартах связи четвертого поколения IEEE 802.16m и LTE [15].

OFDM — это схема модуляции, которая позволяет быстро и эффективно передавать данные даже в каналах с многолучевым распространением сигнала. Передача ведется одновременно на большом количестве несущих частот. Эти несущие имеют небольшое разнесение по частоте и их спектры образуют групповой спектр OFDM сигнала. Разнесение и синхронизация подобраны так, что несущие частоты ортогональны между собой, то есть не оказывают влияния друг на друга несмотря на небольшие перекрытия спектра.

Разработка OFDM берет начало в конце 1950;х с введением в системы связи частотного разделения (FDM) [12]. В 1966 Роберт Чанг запатентовал структуру OFDM и опубликовал концепцию использования ортогональных сигналов для систем передачи данных [107]. В 1971 Вайнштейн предложил использовать дискретное преобразование Фурье для реализации сигналов OFDM [108]. Это позволило существенно упростить реализацию систем OFDM, особенно с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) [45]. Также были предложены простые реализации OFDM, построенные на цифровых сигнальных процессорах (ЦСП, DSP) [47], что сделало эту технологию дешевой в реализации. В конце 1980;х началась работа над первой системой OFDM для коммерческого использования, которая получила название DAB (Digital Audio Broadcasting) — цифровое радиовещание [109].

Первое вещание системы DAB началось в Великобритании и Швеции в 1995 году [109]. DAB призвана стать заменой традиционному FM вещанию и предоставляет более высокое качество аудио программ, а также 9 дополнительные информационные услуги. OFDM было использовано в DAB из-за необходимости работать в каналах с многолучевым распространения сигнала. Широковещательные системы передают сигнал на большие расстояния (20−100 км.). В результате сигнал терпит многократные отражения и возникает межсимвольная интерференция и размазывание спектра.

В традиционных системах с одной несущей борьба с межсимвольной интерференцией обычно ведется путем адаптивного выравнивания [102−104]. Этот процесс использует адаптивную фильтрацию для аппроксимации импульсного отклика канала. Затем инверсный фильтр используется для воссоздания копий искаженных символов. Однако этот процесс довольно сложный ввиду высокой сложности адаптивного эквалайзера. В случаях, когда межсимвольная интерференция становится высокой, процесс теряет эффективность.

Еще одна проблема для современных подвижных систем передачи данных — доплеровское расширение спектра [12]. Оно вызвано быстрыми изменениями параметров канала во время движения приемника. Величина доплеровского расширения пропорциональна частоте передачи и скорости движения. Чем меньше разнесение между несущими в сигнале OFDM, тем более восприимчива система к доплеровскому расширению спектра. Различные режимы передачи, используемые в DAB, позволяют получить компромисс между уровнем восприимчивости к межсимвольной интерференции и доплеровскому расширению спектра.

Еще одна система, использующая технологию OFDM — Digital Video Broadcasting, DVB — цифровое телевизионное вещание [110], разработка которой началась в 1993 году. Стандарт DVB основан на стандарте MPEG-2 [13] и расчитан на передачу высококачественного аудио и видеосигналов, используя сжатие данных. Стандарт DVB призван стать заменой традиционному аналоговому телевидению и обеспечивает не только более высокое качество изображения и звука, но и предоставляет дополнительные сервисы. Стандарт DVB определяет различные варианты трансляции, включая спутниковое телевидение (DVB-S), кабельные системы (DVB-C) и наземную трансляцию (DVB-T) [110]. Физический уровень каждого из.

10 вариантов оптимизирован с учетом использования канала связи, используемого в нем. Спутниковая трансляция использует одну несущую частоту и модуляцию QPSK, что оптимально для спутникового вещания, т.к. системы с одной несущей хорошо работают в условиях больших доплеровских сдвигов, а модуляция QPSK имеет высокую энергетическую эффективность. Однако такой метод совершенно не подходит для наземного вещания, т.к. системы с одной несущей плохо работают в условиях многолучевого распространения [44]. По этой причине для систем наземного вещания DVB была выбрана технология OFDM. Физический уровень стандарта DVB-T схож с физическим уровнем DAB, где также использовано большое число несущих для эффективного подавления эффекта многолучевости. DVB-T имеет несколько режимов трансляции с разным числом несущих. Основные отличия от DAB состоят в более широком спектре сигнала DVB-T, применение методов модуляции с более высокой кратностью (16QAM и 64QAM), а также различных скоростей кодирования. Все это делает стандарт DVB гибким и позволяющим обеспечить высокую помехоустойчивость стандартом.

Другой важный подход, позволяющий существенно улучшить спектральную эффективность и помехоустойчивость системы — применение разнесения как на передаче, так и на приеме, путем использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн (MIMO — Multiple-Input-Multiple-Output) [84]. Эта технология уже применяется в некоторых современных стандартах, например ШЕЕ 802.16 и LTE [98−100, 104].

Исследованию систем с OFDM MIMO посвящено большое количество работ отечественых и зарубежных авторов. Среди отечественных можно выделить работы М. А. Быховского, A.M. Шломы, C.JI. Портного, Б. И. Шахтарина и др. Среди зарубежных — Б. Скляра, К. Феера, Дж. Прокиса, Р. Прасада и др.

Разработка алгоритмов обработки сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием является актуальной задачей для современных сетей подвижной связи, использующих технологию MIMO. Развитие технологии MIMO сдерживается отсутствием эффективных, но несложных в реализации.

11 на современной микропроцессорной базе, алгоритмов обработки сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием.

Целью настоящей работы является разработка алгоритмов совместного оценивания параметров канала и демодуляции для систем подвижной связи, использующих ортогональное частотное мультиплексирование и несколько передающих и приемных антенн, с характеристиками, близкими к потенциально возможным при приемлемых вычислительных затратах. Предложенные алгоритмы позволят устанавливать требуемое соотношение между вычислительной сложностью и спектральной эффективностью в системах связи с OFDM и MIMO.

Решаемые задачи. В настоящей работе решаются следующие задачи:

1. Исследование влияния точности оценивания параметров канала связи на помехоустойчивость систем связи с OFDM и MIMO в условиях замираний и многолучевого распространения радиоволн.

2. Разработка новых алгоритмов оценивания параметров канала по пилот-сигналам для систем связи с OFDM и MIMO с характеристиками помехоустойчивости, приближающимися к потенциально возможным и имеющих приемлемую вычислительную сложность.

3. Разработка новых алгоритмов совместного оценивания параметров канала по пилот-сигналам и демодуляции для систем связи с OFDM и MIMO с характеристиками помехоустойчивости, приближающимися к потенциально возможным и имеющих приемлемую вычислительную сложность.

Метод решения. Для решения поставленных задач, были проведены исследования и проделана работа по следующим направлениям:

1. Анализ характеристик и вычислительной сложности известных алгоритмов оценивания параметров канала.

2. Исследование влияния точности оценивания параметров канала связи на помехоустойчивость системы связи.

3. Разработка алгоритмов оценивания параметров канала по пилот-сигналам для систем связи, использующих технологии OFDM и MIMO в условиях замираний сигнала, многолучевого распространения радиоволн, а также движения абонента.

4. Разработка алгоритмов совместного оценивания параметров канала и демодуляции для систем связи, использующих технологии OFDM и MIMO.

Эффективность известных и предлагаемых алгоритмов проверялась путем статистического моделирования в среде MATLAB [16−19] и оценивания их вычислительной сложности [70, 74].

Практическая ценность разработанных алгоритмов оценивалась с точки зрения их характеристик относительно характеристик известных алгоритмов, а также возможности реализации на базе существующих процессорных платформ.

Методы научного исследования. Основные результаты работы получены на основе применения методов статистической радиотехники, теории цифровой связи, теории оценивания, теории алгоритмов, теории фильтрации, теории вероятностей, математической статистики и статистического моделирования. Для исследования в работе используется следующий математический аппарат: теория оценивания и теория фильтрации [49−62], теория численных методов [22−26], теория связи [7−15], теория сигналов [45−48], теория синхронизации [80−81], теория систем подвижной связи [63−65], линейная алгебра и теория матриц [27−32], теория вероятностей и математическая статистика [33−39], теория статистического синтеза [1−6], теория оптимизации и вычислительной сложности алгоритмов [66−77]. Основные результаты, полученные в работе, опубликованы в [113 123].

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Исследовано влияние точности оценивания коэффициента передачи канала на помехоустойчивость систем связи с OFDM и MIMO. Полученные результаты показывают, что чувствительность систем MIMO к неточности оценивания параметров канала значительно выше, чем систем SISO.

2. Разработан алгоритм оценивания коэффициента передачи канала связи по пилот-сигналам для систем, использующих технологию OFDM, позволяющий получить выигрыш в спектральной эффективности по сравнению с известными алгоритмами за счет снижения необходимого числа пилот-сигналов.

3. Разработан итерационный алгоритм совместной демодуляции и оценивания параметров канала связи для систем связи, использующих технологии OFDM и MIMO, более эффективный по сравнению с известными алгоритмами. Алгоритм обеспечивает требуемую точность оценивания и работает в условиях доплеровского расширения спектра сигнала.

Практическая ценность диссертации состоит в следующем.

1. Предложен алгоритм оценивания коэффициента передачи канала для систем с OFDM, работающий с использованием пилот-сигналов. Алгоритм имеет потери по сравнению со идеальным случаем когерентного приема порядка 1.2 дБ по уровню FER=0.01. Также алгоритм позволяет получить выигрыш в энергетической эффективности порядка 2 дБ по сравнению с алгоритмом оценивания методом СКО при равной вычислительной сложности.

2. Проведено обобщение разработанного алгоритма на случай MIMO и исследованы его характеристики. В случае MIMO предложенный алгоритм имеет потери по сравнению с идеальным случаем когерентного приема порядка 1.4 дБ по уровню FER=0.01.

3. Предложен совместный алгоритм оценивания коэффициента передачи канала и демодуляции. Применение алгоритма позволяет уменьшить плотность расположения пилот-сигналов и тем самым увеличить спектральную эффективность системы связи примерно на 20% по уровню FER=0.01 без снижения помехоустойчивости.

4. Проведено обобщение разработанного совместного алгоритма для случая MIMO. Применение разработанного алгоритма позволило увеличить спектральную эффективность системы связи примерно на 20% по уровню FER=0.01 без снижения помехоустойчивости.

5. Сделано упрощение разработанных алгоритмов, позволившее существенно снизить вычислительную сложность при незначительных потерях.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы в части разработки алгоритмов совместного оценивания параметров канала и демодуляции сигналов были использованы и внедрены во ФГУП НИИР при.

14 разработке приемного устройства базовой станции системы беспроводной связи по теме «НЕТВОРКС», что подтверждено соответствующим актом о внедрении.

Результаты исследований и разработки алгоритмов оценивания параметров канала, а также исследования влияния точности оценивания параметров канала на помехоустойчивость системы связи, выполненных в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс МТУ СИ и отражены в учебном пособии МТУ СИ «Оценивание параметров канала в системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием.» [124], что подтверждено соответствующим актом.

Апробация диссертации. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на Научных сессиях РНТОРЭС им. A.C. Попова, посвященных Дню Радио (64-я сессия) [119], и Научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ (2004 — 2005 годы) [115]-[118], а также Международной научно-технической конференции INTERMATIC (2009 -2010 годы) [121]-[123].

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в научно-технических журналах и сборниках (5 работ), в материалах конференций и семинаров (8 работ). Опубликовано методическое пособие. Всего опубликовано 14 работ.

Основные результаты проведенных исследований и разработок заключаются в следующем:

1. Предложен алгоритм оценивания параметров канала, работающий только с использованием пилот-сигналов и проведено его обобщение для случая MIMO. Анализ помехоустойчивости показывает, что в случае SISO предложенный алгоритм имеет потери по сравнению с идеальным случаем 2 порядка 1.2 дБ по уровню FER= 10 при плотности расстановки пилот-сигналов 48%. В случае MIMO предложенный алгоритм имеет потери по 2 сравнению с идеальным случаем порядка 1.4 дБ по уровню FER= 10 при плотности расстановки пилот-сигналов 25%.

2. Предложен совместный алгоритм оценивания параметров канала и демодуляции, и проведено его обобщение для случая MIMO. Анализ помехоустойчивости показывает, что в случае SISO, применение разработанного алгоритма совместной демодуляции и оценивания комплексного коэффициента передачи канала связи позволяет при указанных выше исходных данных, уменьшить плотность расположения пилот-сигналов с 22% до 6% и тем самым увеличить спектральную эффективность системы связи OFDM примерно на 20% без снижения помехоустойчивости. В случае MIMO плотность расположения пилот-сигналов удается снизить с 22% до 6% без потери помехоустойчивости. С другой стороны применение алгоритма позволяет получить энергетический выигрыш до 8 дБ.

3. Исследовано влияние точности оценивания коэффициента передачи канала на помехоустойчивость систем связи с OFDM и MIMO. Полученные результаты показывают, что чувствительность систем MIMO к неточности оценивания параметров канала значительно выше, чем систем SISO.

4. Известные подходы к оцениванию параметров канала имеют либо слишком высокую вычислительную сложность, либо недостаточную точность для использования в системах MIMO и OFDM. Компромиссными с точки зрения баланса между вычислительной сложностью и точностью оценивания являются итерационные алгоритмы с обратной связью по решению.

5. Дана количественная оценка сложности разработанных алгоритмов как необходимое число элементарных операций от числа несущих OFDM и показана возможность реализации разработанных алгоритмов и их упрощенных вариантов на современных ЦСП.

6. Сделана проверка адекватности используемой методики моделирования. Проведен аналитический расчет дисперсии ошибки оценивания и дано сравнение результатов аналитического расчета с результатами моделирования, полученными в разделе 2.4 (см. Приложение 1.). Сравнение показывает почти полное совпадение экспериментальных результатов с теоретическими. Таким образом используемую методику моделирования можно считать адекватной.

7. Проведено сравнение характеристик посмехоустойчивости алгоритма, разработанного в разделе 2.1 с характеристиками известного метода минимума СКО. Примененеие разработанного алгоритма позвоялет получить выигрыш в энергетической эффективности по сравнению с методом минимума СКО порядка 2 дБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.