Введение к работе
Актуальность
Управление мобильными объектами на расстоянии, передача сообщений между мобильными адресантом и адресатом, организация связи в районах с неразвитой или отсутствующей инфраструктурой проводной связи - всё это ситуации, в которых, по меньшей мере, приходится применять системы беспроводной связи. Известные учёные -Кловский Д.Д., Финк Л.М., Зюко А.Г., Назаров М.В., Коржик В.И., Сойфер В.А., Прокис Дж., Скляр Б. и др. внесли большой вклад в развитие теории и практики беспроводной связи.
Передатчик и приёмник, использующие несколько антенн, образуют многоантенную систему связи. Явными преимуществами таких систем связи являются возможность высокоскоростной передачи и надёжный приём. Высокоскоростная передача осуществляется за счёт одновременной отправки множества информационных сигналов при помощи множества передающих антенн. Надёжный приём обеспечивается благодаря тому, что приёмник может опираться не на один источник данных, а на несколько, благодаря использованию приёмником множества принимающих антенн.
Пространственное кодирование, применяемое в многоантенных системах связи в качестве канального кодирования, может обеспечить высокую помехоустойчивость связи. Компьютерное моделирование - основной способ решения вопроса о целесообразности реализации на практике многоантенной системы связи, основанной на методах пространственного кодирования.
Э. Телатар (Е. Telatar) теоретически показал, что использование многоантенных систем в каналах с гауссовыми замираниями может обеспечить значительный прирост пропускной способности в сравнении с одноантен-ными системами связи. Среди моделей каналов с гауссовыми замираниями выделяются модели с медленными, быстрыми или блоковыми рэлеевскими замираниями в канале связи, так как эти модели хорошо обоснованы и теоретически проработаны, и для этих моделей каналов связи найдены критерии для проектирования и границы попарных вероятностей ошибок декодирования помехоустойчивых пространственных кодов.
Методы пространственного кодирования, которые используют слоение информации и свойства алгебраических чисел, позволяют конструировать пространственные коды, удовлетворяющие критериям проектирования помехоустойчивых кодов для каналов с медленными, быстрыми или блоковыми рэлеевскими замираниями. Схема формирования кодового слова из элементов слоев приобретает большую сложность, когда число слоев и количество элементов в них увеличиваются. И эта сложность тем выше, чем больше число передающих антенн, число посылок, и число частотных подканалов, используемых для передачи одного кодового слова.
Объектом диссертационного исследования являются многоантенные системы связи, предметом - методы помехоустойчивого пространственного кодирования. Цель работы
Разработать метод помехоустойчивого слоеного пространственного кодирования, который позволяет:
задействовать все передающие антенны системы связи;
обеспечить отсутствие символьной избыточности;
использовать пространственное, частотное и временное разнесения;
конструировать кодовые слова для каналов с медленными, быстрыми или блоковыми рэлеевскими замираниями.
Затем, при помощи моделирования на ЭВМ, оценить помехоустойчивость многоантенных систем связи, основанных на разработанном методе кодирования.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
анализ математических моделей каналов связи с медленными, быстрыми или блоковыми рэлеевскими замираниями;
анализ и разработка помехоустойчивых слоеных пространственно-временных, пространственно-частотных и пространственно-частотно-временных блоковых кодов;
разработка метода синтеза кодовых слов помехоустойчивых слоеных пространственных блоковых кодов;
разработка и реализация на ЭВМ комплексной модели многоантенной системы связи, основанной на разработанном методе кодирования;
построение графиков зависимости вероятности ошибки декодирования от отношения сигнал/шум для различных видов слоеных пространственных кодов на разработанной комплексной модели многоантенной системы связи;
разработка рекомендаций по повышению помехоустойчивости беспроводной связи.
Научная новизна
Схемы соответствия между элементами матричных форм кодовых слов пространственных кодов и позиционными парами (тройками) представлены позиционными матрицами.
Схемы расположения элементов слоев в матричной форме кодовых слов слоеных пространственных кодов представлены матрицами слоевых пар.
Правила расположения элементов слоев в матричной форме слоеных кодовых слов представлены в аналитической форме разработанными позиционирующими функциями.
Процесс синтеза пространственных кодовых слов представлен из двух этапов: этапа получения элементов кодового слова и этапа увязывания элементов с позиционными парами (или тройками).
Предложенный метод помехоустойчивого слоеного пространственного кодирования основан на разработанных позиционирующих функциях и порождающих матрицах.
Разработанная модель многоантенной системы связи, основана на предложенном в работе численном методе слоеного пространственного кодирования.
Практическая значимость
Представленный в диссертации метод синтеза кодовых слов помехоустойчивых слоеных пространственных блоковых кодов, результаты проведённого моделирования и разработанные рекомендации по повышению помехоустойчивости беспроводной связи могут быть использованы при проектировании перспективных систем беспроводной высокоскоростной связи.
На защиту выносятся
-
Комплексная программируемая модель многоантенной системы связи, основанная на разработанном слоеном пространственном блоковом кодировании.
-
Метод слоеного пространственного кодирования на основе позиционирующих функций и порождающих матриц.
-
Алгоритм декодирования разработанных слоеных пространственных блоковых кодов.
-
Комплекс программ для проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ по оценке помехоустойчивости многоантенных систем связи, использующих слоеное пространственное кодирование.
Апробация результатов и публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в 5 работах. Среди них 4 статьи в рецензируемых журналах ("Программные продукты и системы", "Известия Петербургского университета путей сообщения", "Информационно-управляющие системы", "Бюллетень результатов научных исследований"). Материалы диссертационного исследования докладывались на международной научно-практической конференции «Инфотранс-2009» (Санкт-Петербург, ПГУПС), а также на семинарах в Санкт-Петербургском университете аэрокосмического приборостроения и в Петербургском университете путей сообщения. Материал диссертационного исследования использовался в учебном процессе вузов и в промышленных предприятиях.
