Исследование методов повышения помехоустойчивости систем радиосвязи с использованием технологии MIMO и пространственно-временной обработки сигнала

Актуальность темы

.

Современное поколение беспроводных систем связи обеспечивает передачу различных видов информации на высоких скоростях, сохраняя при этом высокое качество. Повышение качества работы или уменьшение вероятности ошибок в системе радиосвязи при многолучевом распространении сигнала является наиболее сложной задачей. Требования, предъявляемые к современным системам беспроводной связи в области энергетической и частотной эффективности, налагают существенные ограничения на увеличение мощности передатчика и расширение занимаемой полосы частот с целью увеличения помехоустойчивости системы связи. В связи с этим, актуальность данной работы основана на исследовании современных технологий и методов повышения помехоустойчивости с помощью специальных техник кодирования сигнала, частотного разделения, и пространственно-временной обработки с использование нескольких передающих и приемных антенн.

В системах WiMAX, Wi-Fi, LTE и др. повышение скорости передачи достигается не только увеличением позиционности модуляции передаваемых сигналов, но и применением частотного уплотнения на основе технологии OFDM. Однако, увеличение скорости передачи ограничено временем запаздывания лучей в многолучевых каналах. В таких системах ортогональная расстановка поднесущих частот в технологии OFDM требует когерентной обработки принимаемых сигналов для полного их разделения. Анализу помехоустойчивости адаптивного разнесённого приёма сигналов OFDM посвящены работы российских авторов: Вишневский В. М., Фалько А. И., Андронов И. С., Финк J1.M. и др.

В многолучевых каналах разнос антенн это практичная, эффективная, а следовательно, широко распространенная техника для уменьшения влияния замираний из-за многолучевости. Классический подход — это использование нескольких антенн на приеме, по схеме «комбинирование» или «выбор и переключение» для улучшения качества принимаемого сигнала. Важнейшая проблема с использованием нескольких приемных антенн — это стоимость, размер и мощность удаленных устройств, поскольку их использование делает удаленные устройства больше и дороже. Ценный вклад в исследование техники разнесенного приема внесли такие ученые, как: Андронов И. С., Финк JI.M., Т. Раппопорт (Т. Rappoport), Дж. Фошини (J. Foschini), чьи работы легли в основу теоретических исследований данной диссертационной работы.

Наиболее актуальной на сегодняшний день является техника разноса передачи, которая сочетает в себе преимущества пространственного разнесения, временного кодирования и простоты обработки сигнала. Данная техника использует специальные пространственно-временные коды (STBC — Space Time Block Coding) для независимой обработки переотраженных декоррелированных сигналов. В современной радиотехнике системы с множественными передающими и приемными антеннами MIMO — Multiple Input Multiple Output являются популярными и входят в современные отраслевые стандарты, такие как IEEE 802.16e (WiMAX), 802. lin (Wi-Fi) и др. Аспекты применения техники разноса передачи подробно исследованы в работах современных зарубежных ученых, таких как: С. М. Аламоути (S.M. Alamouti), В. Тарох (V.Tarokh), Г. Джафархани (Н. Jafarkhani), А. Р. Калдербанк (A.R.Calderbank), а также российских ученых: Слюсар В., Шлома A.M., Бакулин М. Г., Крейнделин В. Б., Фалько А. И, Носов В. И. Материалы публикаций и результаты исследований вышеуказанных авторов развиты в данной диссертационной работе.

Проведенный анализ научных исследований, посвященных многолучевым средам, выявленные тенденции и подходы к решению задач современной радиосвязи, позволяют считать актуальным дальнейшее исследование техники разнесенной передачи. В частности, наиболее перспективными являются направления исследования, где публикации и исследования других ученых, в т. ч. и зарубежных, почти отсутствуют, а именно:

• Помехоустойчивость систем с разнесенной передачей, использующих квазиортогональное пространственно-временное кодирование (QO-STBC) — для случаев с множеством передающих антенн (более 2-х);

• Помехоустойчивость разнесенного приема OFDM сигнала по адаптивным алгоритмам с использованием пилотных сигналов, с учетом конечной скорости изменения параметров канала.

Цель работы.

Исследование характеристик систем радиосвязи, использующих технологию MIMO и квазиортогональное пространственно-временное кодирование (QO-STBC), а также адаптивные методы приема сигнала OFDM с использованием обучающих последовательностей.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Разработать обобщенную корреляционную модель канала связи MISO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.

2. Разработать методику оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.

3. Разработать алгоритм разнесенного приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности, в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.

4. Разработать методику анализа помехоустойчивости синтезированных алгоритмов разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.

5. Разработать компьютерные моделей MISO-систем в среде MATLAB для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, использующих методы квазиортогонального пространственно-временного кодирования.

Методы исследования.

Теоретическая часть исследования основана на методах статистической радиотехники, теории вероятностей, теории матриц, математического моделирования, теории распространения радиоволн, а так же методах вычислительной математики и статистического моделирования. Экспериментальная часть исследования базируется на блочной модели системы цифровой радиосвязи, реализованной с помощью программного пакета MATLAB.

Для подтверждения полученных теоретических результатов разработаны модели MISO-систем радиосвязи с использованием 2-х, 4-х и 8-и передающих антенн в среде MATLAB, с помощью которых выполнены экспериментальные исследования.

Научная новизна результатов работы.

Наиболее значимые новые научные результаты работы:

1. Разработана обобщенная корреляционная модель канала связи MISO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.

2. Разработана методика оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.

3. Разработан алгоритм приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.

4. Разработана методика анализа помехоустойчивости синтезированного алгоритма разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.

5. Разработаны компьютерные модели MISO-систем в среде MATLAB для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, использующих методы квазиортогонального пространственно-временного кодирования.

В отличие от существующих исследований по классической теории разнесенного приема и ортогонального пространственно-временного кодирования, полученные методики расчета характеристик помехоустойчивости MISO-систем могут быть использованы для анализа систем с произвольным числом передающих антенн, с учетом пространственной корреляции сигналов, с использованием методов квазиортогонального кодирования сигнала.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность и обоснованность научных выводов подтверждена результатами моделирования в среде MATLAB, в которой учтены параметры реальной среды распространения радиоволн, а также характеристики реальных устройств радиосвязи. Результаты компьютерного моделирования подтверждают корректность научных результатов, полученных в ходе исследования. Исходные данные для научных исследований были получены из ведущих российских и зарубежных научных изданий, в том числе имеющих рекомендацию ВАК.

Практическая ценность результатов работы.

Разработанные методики оценки помехоустойчивости радиосистем, учитывающие влияние нескольких факторов корреляции имеют важное практическое значение. Результаты проведенных исследований применяются в конструкторских разработках при модернизации существующих систем радиосвязи, а также при компьютерном моделировании параметров канала связи с множественными передающими антеннами, что подтверждается актом внедрения в процесс исследования и разработки предприятия ОАО «НПО «ЛЭМЗ», г. Москва.

Результаты данной работы применяются в учебном процессе на кафедре систем радиосвязи СибГУТИ и на специализированных курсах, что подтверждается соответствующим актом внедрения в учебный процесс. Формулы, используемые в работе для оценки помехоустойчивости предложенных пространственно-временных кодов, применяются в лабораторных работах по компьютерному моделированию систем радиосвязи, проводимых на кафедре СРС СибГУТИ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Международные научно-технические конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г. 2013 г.

Публикации.

Основные положения диссертационного исследования, а также научные и практические результаты отражены в 14 работах, опубликованных по теме диссертации, в том числе 4 входят в перечень журналов и изданий, рекомендованных ВАК, 10 публикаций — материалы докладов всероссийских научных конференций.

Основные положения работы, выносимые на защиту.

1. Обобщенная корреляционная модель канала связи MISO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.

2. Методика оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.

3. Алгоритм приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.

4. Методика анализа помехоустойчивости синтезированного алгоритма разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.

5. Результаты исследования помехоустойчивости MISO-систем для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, полученные с помощью разработанных компьютерных моделей в среде MATLAB.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 136 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 8 таблиц. В библиографию включено 79 наименований источников.

4.5 Выводы по разделу 4.

Сравнительный анализ кривых, построенных с помощью компьютерного моделирования в среде MATLAB на основе сконструированных моделей систем радиосвязи, и теоретических кривых зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум, построенных по теоретической формуле с учетом коэффициента корреляции для каждого из типов канала, формула которого была выведена в разделе 3, показывает, что разница между экспериментальными и теоретическими результатами не превышает 0,5 дБ (что находится в пределах допустимой погрешности).

На основе данных сравнительного анализа можно сделать вывод, что теоретически-разработанная формула для определения вероятности ошибки и формула расчета матрицы коэффициентов корреляции, являются точными, и отражают действительные характеристики реальных систем радиосвязи.

Формула оценки вероятности ошибки, с учетом матрицы коэффициентов корреляции может быть использована для построения характеристик помехоустойчивости систем, моделирование которых может быть затруднительно в среде MATLAB (из-за большой вычислительной сложности), таких как системы с 32-мя или 64-мя передающими антеннами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Схема с разнесенной передачей улучшает качество сигнала на приеме путем простого распределения сигнала по двум передающим антеннам. Получаемая кратность разнесения эквивалентна применению дифференциально-взвешенного приема по принципу максимального правдоподобия (МЯЯС) с двумя антеннами в приемнике. Схема может быть обобщена до М передающих антенн и 1 приемной антенны, для обеспечения кратности разноса М-го порядка. Это выполняется без какой-либо обратной связи от приемника к передатчику и с применением небольшой сложности вычислений. Схема разнесенной передачи не предполагает расширение полосы, т.к. избыточность обеспечивается в пространстве и во времени, а не по частоте.

Код Аламоути для систем с разнесенной передачей уменьшает коэффициент ошибок, увеличивает скорость передачи, или емкость канала беспроводных систем связи. Уменьшенная чувствительность к замираниям может позволить использование многопозиционных методов модуляции для повышения скорости передачи или уменьшения фактора переиспользования в многосотовых средахдля увеличения емкости всей системы. Разнос передачи может быть также использован для увеличения зоны покрытия беспроводной системы. Другими словами, он эффективен во всех приложениях, где емкость системы ограничена замираниями вследствие многолучевости.

В ходе исследования разработан ряд методик и решены следующие задачи: 1. Разработан подход к унификации техники пространственно-временного кодирования Аламоути. С помощью данного подхода представляется возможным оценка помехоустойчивости систем радиосвязи с М передающими антеннами, работающих с одной приемной антенной.

В качестве математического обоснования проводимых исследований рассматривается классическая схема суммирования дифференциальновзвешенных сигналов, которая является основой реализации кода Аламоути. Использование данной схемы с разнесенной передачей на практике, применительно к 4-х, 8-и и более антенным системам, возможно при помощи метода Аламоутизации, в ходе которого схема Аламоути масштабируется до необходимого порядка, с использованием рекурсивного правила Уолша-Адамара.

Для определения помехоустойчивости систем с множественными передающими антеннами создана корреляционная модель, которая описывается как совокупность коэффициентов корреляции от различных влияющих факторов: пространственная корреляция и кодовая корреляция.

Коэффициент пространственной корреляции используется в виде матрицы коэффициентов корреляции между антеннами. Для определения коэффициента корреляции между двумя антеннами в зависимости от расстояния между ними, дано определение понятию углового рассеивания.

В квазиортогональных пространственно-временных кодах коэффициент корреляции между кодовыми словами представляет собой матрицу корреляции соответствующих векторов сигналов. В разделе 3 показано, что для ортогональных кодов данная матраца корреляции равна единичной матрице, т.к. коэффициенты корреляции между всеми векторами равны нулю. Коэффициент кодовой корреляции между двумя векторами рассчитан для случаев с 4-мя и 8-ю передающими антеннами, и далее это понятие обобщено для М антенн.

Вероятность ошибки в каналах MISO рассчитывается через собственные числа матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом матрицы взаимной корреляции. Корреляция, зависящая от нескольких факторов (пространственная и кодовая корреляция) рассчитывается с использованием коэффициента множественной корреляции.

2. Получена матрица коэффициентов передачи канала для системы MISO с М передающими антеннами, для каналов передачи с релеевскими замираниями, с учетом пространственной корреляции между антеннами, а также с учетом неортогональности любого пространственно-временного кода STBC.

Для расчета помехоустойчивости системы необходимо найти собственные числа матрицы коэффициентов передачи. В качестве примера, рассмотрены частные случаи расчета вероятности ошибки для 2-х, 4-х и 8-ми антенной системы.

3. На основе данных сравнительного анализа кривых помехоустойчивости MIMO-систем различных порядков построенных по аналитически полученной формуле, и полученных экспериментально при моделировании в среде MatLAB, делается вывод, что полученные формулы для расчета матрицы коэффициентов передачи и определения вероятности ошибки совпадают с экспериментальными результатами.

Наиболее значимыми новыми научными результатами являются:

4. Разработана обобщенная корреляционная модель канала связи MIMO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.

5. Разработана методика оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.

6. Разработан алгоритм приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.

7. Разработана методика анализа помехоустойчивости синтезированного алгоритма разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.

8. Разработаны компьютерные модели М180-систем в среде МАТЬАВ для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, использующих методы квазиортогонального пространственно-временного кодирования.