Введение к работе
Актуальность работы. Разработка алгоритмов обработки сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием является актуальной задачей для современных сетей подвижной связи, использующих технологию MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output - системы с несколькими антеннами), т.е. организацию радиоканалов с применением многоэлементных антенных систем на передающей и приемной сторонах. Развитие технологии MIMO сдерживается отсутствием эффективных, но несложных в реализации на современной микропроцессорной базе, алгоритмов обработки сигналов с ортогональным
частотным мультиплексированием.
Для фильтрации комплексного коэффициента передачи канала связи в системах OFDM (англ. Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ортогональное частотное мультиплексирование) обычно используются известные на приемной стороне пилот-сигналы, которые передаются через определенные промежутки времени. На интервалах времени между пилот-сигналами передаются информационные символы. При использовании энергии только пилот-сигналов для фильтрации комплексного коэффициента передачи для демодуляции информационных символов используются оценки этого коэффициента передачи, полученные с помощью пилот-сигналов. При этом для достижения высокой точности фильтрации требуется увеличивать число пилот-сигналов. Это возможно только за счет уменьшения числа передаваемых информационных символов, что влечет за собой снижение скорости передачи полезной информации в системе связи и, таким образом, происходит снижение ее спектральной эффективности.
Для достижения высокой энергетической и спектральной эффективности цифровой системы передачи информации для фильтрации параметров канала связи целесообразно использовать энергии как пилот-сигналов, так и информационных сигналов. Отсюда можно сделать вывод, что должна быть решена задача совместного оценивания информационных символов и фильтрации комплексного коэффициента передачи канала связи. Известны оптимальные алгоритмы решения такой задачи, однако на практике их применение весьма затруднено (а часто и совсем невозможно) из-за очень высокой вычислительной сложности. Исследованию систем с OFDM MIMO посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Среди отечественных можно выделить работы М.А. Быховского, Немировского М.С., С.Л. Портного, A.M. Шломы, и др. Среди зарубежных - Дж. Прокиса, Р. Прасада, Б. Скляра, В. Тарокха, К. Феера и др.
Целью настоящей работы является разработка алгоритмов оценивания коэффициента передачи 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 получать требуемое соотношение между вычислительной сложностью и спектральной эффективностью в системах связи с OFDM и MIMO.
Основные задачи исследования. В настоящей работе решаются следующие задачи:
-
Исследование влияния точности оценивания параметров канала связи на помехоустойчивость систем связи с OFDM и MIMO в условиях замираний и многолучевого распространения радиоволн.
-
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.
-
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.
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.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Исследовано влияние точности оценивания коэффициента передачи канала на помехоустойчивость систем связи с OFDM и MIMO. Полученные результаты показывают, что чувствительность систем М1МО к неточности оценивания параметров канала значительно выше, чем систем SISO (англ. Single Input Single Output - системы с одной антенной на передающей и приемной стороне).
-
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.
-
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 (англ. Frame Error Rate - относительная частота ошибки на кадр). 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.
-
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.
-
Проведено обобщение разработанного совместного алгоритма для случая MIMO. Применение разработанного алгоритма позволило увеличить спектральную эффективность системы связи также примерно на 20% по уровню FER=0.01 без снижения помехоустойчивости.
-
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 разработке приемного устройства базовой станции системы беспроводной связи по теме "НЕТВОРКС", что подтверждено соответствующим актом.
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 МТУСИ и отражены в учебном пособии 9., что подтверждено соответствующим актом.
Апробация диссертации. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на Научных сессиях РНТОРЭС им. А.С. Попова, посвященных Дню Радио (64-я сессия), и Научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (2004-2007 годы), а также Международной научно-технической конференции INTERMATIC (2009-2010 годы).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в научно-технических журналах и сборниках (5 работ), в материалах конференций и семинаров (8 работ). Опубликовано учебное пособие. Всего опубликовано 14 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 121 страницах машинописного текста, иллюстрируется 21 рисунком, 2 таблицами и состоит из введения, списка сокращений, четырех глав, заключения и библиографического списка из 126 наименований.
