Введение к работе
Актуальность темы. Беспроводные средства передачи информации в настоящее время представляют самый быстроразвивающийся сектор отрасли связи. В связи с резким увеличением пользователей систем беспроводной передачи данных, остро стоит задача разработки методов повышения спектральной эффективности и пропускной способности беспроводных каналов связи. Главной проблемой теории связи является поиск методов передачи и приема сообщений, которые способны обеспечивать малые потери информации, заложенной в сообщении, максимально возможную скорость передачи при малой стоимости системы связи и позволяющие получить высокую спектральную эффективность по сравнению с классическими методами. Наиболее перспективными системами передачи информации являются системы, реализующие метод ортогонального дискретного мультиплексирования (OFDM), основанный на дискретном преобразовании Фурье (ДПФ). Системы связи с OFDM используются для цифрового радио- и телевещания, в высокоскоростных цифровых линиях связи, в беспроводных локальных сетях, для передачи в диапазоне СВЧ, а так же для телекоммуникации с подвижными объектами.
Исследованию систем радиосвязи, использующих технологию OFDM и N-OFDM, посвящено достаточно большое количество работ, как зарубежных-Chang R.W., Darwazeh I. A., Rodrigues M.R., Karampatsis D., Li K., Giacoumidis, E., Gang Wu, Ioannis D., Zhao, J., Bellanger M.G., Farhang-Boroujeny B. и др., так и отечественных авторов - Финк Л.М., Зюко А.Г., Кловский Д.Д, Назаров М.В., Слюсар В.И., Васильев К.А.
Реализация классического способа передачи данных с частотным
уплотнением посредством прямого и обратного преобразования Фурье (ПФ)
сталкивается с рядом трудностей, среди которых особенно стоит отметить
вычислительную сложность, если учесть комплексное представление чисел.
Несимметричность ПФ относительно мнимой единицы компенсируется
выполнением операции перестановки исходных данных, требующей
дополнительных вычислительных затрат. Условие ортогональности
поднесущих обусловливает такие весомые недостатки метода OFDM, как ограниченная спектральная эффективность при использовании относительно широкой полосы частот; невозможность адаптивного маневра частотной поднесущей для отстройки от сосредоточенных по спектру помех.
Альтернативным способом передачи информации по каналу связи является способ неортогональной частотной дискретной модуляции, основанный на использовании вещественного преобразования Хартли (ПХ).
Применение способа, основанного на не ортогональной частотной дискретной модуляции цифровых сигналов, позволяет более рационально использовать частотный диапазон, более эффективно решать проблему электромагнитной совместимости радиоаппаратуры связи и повысить скорость передачи данных в канале связи за счет большего уплотнения несущих сигналов, тем самым повышая спектральную эффективность.
Для демодуляции принятых сообщений в предлагаемом методе используется оценка принимаемых амплитуд модифицированным методом Коши (ММК), основанная на решении системы линейных алгебраических уравнений. Предложенная модификация метода Коши позволяет получить выигрыш по вычислительной производительности по сравнению с широко применяемыми классическими методами оценки неизвестных величин, таких как метод наименьших квадратов (МНК), метод Крамера и др., и при этом не уступает по точности получения оценок неизвестных амплитуд классическим методам.
Следовательно, исследование и разработка алгоритмов
функционирования модемов сигналов на основе ПХ и ММК, позволяющих повысить спектральную эффективность передачи информации в системах связи с N-OFDM, помехозащищенность в условиях воздействия сосредоточенных по спектру помех и вычислительную производительность процессора модема, является актуальной задачей.
Объектом исследования является модем сигналов N-OFDM со многими несущими частотами.
Целями диссертационной работы являются:
-анализ существующих методов и алгоритмов формирования и обработки сигналов N-OFDM;
-построение имитационной модели системы связи с N-OFDM;
-разработка эффективных методов и алгоритмов повышения спектральной эффективности N-OFDM модемов;
-повышение скорости обработки информации в системах связи на основе преобразования Хартли;
-повышение помехозащищенности беспроводных систем связи N-OFDM при наличии в канале связи сосредоточенных по спектру помех.
Основные задачи диссертационной работы:
-сравнительный анализ характеристик модемов на основе преобразования Хартли и классических устройств на основе преобразования Фурье;
-разработка алгоритмов эффективной оценки амплитуд принятых сообщений в зашумлённых каналах связи;
-определение вероятности ошибки приёма при сверхрелеевском уплотнении поднесущих в канале с аддитивным белым гауссовским шумом для фиксированной скорости передачи данных без кодирования источника информации;
-разработка эффективных алгоритмов приема N-OFDM при воздействии сосредоточенных по спектру помех;
-исследование границ спектральной эффективности для предложенного вида N-OFDM модуляции;
-исследование пик-фактора и способов его снижения для сигналов N-OFDM;
-исследование влияния частотного смещения несущей на характеристики N-OFDM модемов.
При решении поставленных задач получены результаты, обладающие новизной, теоретической и практической значимостью.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены следующие научные результаты:
-метод обработки дискретных сигналов в системах передачи данных на основе преобразования Хартли с использованием модифицированного метода Коши, позволяющий снизить вычислительные затраты по сравнению с предложенным ранее методом оценки, основанном на методе наименьших квадратов;
-метод повышения спектральной эффективности при передаче цифровой информации, оценка границы спектральной эффективности N-OFDM,
-получена оценка помехоустойчивости модема N-OFDM для канала с АБГШ, реализованного на базе ПХ и ММК для видов модуляции: BPSK, QPSK, QAM-16;
-разработана и защищена Свидетельством регистрации электронного ресурса №22587 имитационная модель системы связи с N-OFDM, реализованная в математическом пакете MATLAB;
-алгоритм адаптивной перестройки поднесущих, подверженных
сосредоточенным по спектру помехам, позволяющий повысить
помехозащищенность системы связи c N-OFDM, защищенный Свидетельством регистрации электронного ресурса № 22586.
Теоретическую и практическую ценность представляют:
-алгоритм функционирования модема N-OFDM, работающего с
применением метода демодуляции, основанного на модифицированном методе
Коши, для оценки неизвестных амплитуд в канале связи с АБГШ, позволяющий
повысить спектральную эффективность OFDM и вычислительную
производительность;
-алгоритм адаптивного приема, позволяющий проводить адаптивную перестройку поднесущих N-OFDM в условиях сосредоточенной по спектру помехи;
-сравнительные характеристики помехоустойчивости предлагаемого метода N-OFDM и классического метода OFDM;
-оценка границы максимально достижимой спектральной эффективности для метода N-OFDM и рекомендации по выбору частот размещения поднесущих в N-OFDM - сигналах для достижения этой границы.
Реализация и внедрение результатов диссертации.
Результаты диссертационной работы использованы при проектировании и
разработке модулей в АО «НЗПП с ОКБ» (г. Новосибирск) и в учебном
процессе на радиотехническом факультете ОмГТУ. подтверждено актами,
приложенными к диссертации. Работа выполнена при финансовой поддержке
Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части
государственного задания в сфере научной деятельности (проект
№ 8.9334.2017/БЧ).
Методы исследований. В работе использовались методы теории вероятностей, математической статистики и математического анализа, элементы теории статистической радиотехники, численный эксперимент на базе математического пакета MATLAB и имитационное моделирование.
Основные положения, выносимые на защиту:
-результаты исследования, показывающие целесообразность применения N-OFDM для повышения эффективности передачи информации в системах связи при использовании вещественного преобразования Хартли и модифицированного метода Коши;
-алгоритм оценки амплитуд принимаемых сообщений на основе модифицированного метода Коши, обеспечивающий оптимальный приём сигналов в каналах с АБГШ;
-результаты оценки помехоустойчивости системы связи для различных значений частоты разноса поднесущих сигнала N-OFDM, фиксированной скорости передачи информации и видов манипуляции: BPSK, QPSK, QAM-16 в канале с АБГШ и сравнение их с результатами помехоустойчивости для OFDM, позволяющие получить численную оценку эффективности предлагаемого метода передачи информации;
-алгоритм адаптивной перестройки поднесущих, подверженных
воздействию сосредоточенных по спектру помех, позволяющий повысить помехозащищенность системы связи N-OFDM;
-полученные автором зависимости для определения нижней границы Крамера–Рао оценки спектральной эффективности, позволяют найти минимально достижимый разнос по частоте между поднесущими N-OFDM в каналах с аддитивными помехами.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается проведенными экспериментальными исследованиями на ЭВМ путем имитационного моделирования в математическом пакете MTLAB. Достоверность результатов имитационного моделирования определяется корректным использованием исходных данных, а так же верификацией модели путем сравнения результатов тестовых вычислений с известными результатами.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на научных конференциях:
- XVII Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2011);
-международной научно-технической конференции «Современные
проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2012);
-X международной IEEE конференции по управлению и связи SIBCON-2013 (Красноярск, 2013);
-международной научно-технической конференции «Современные
проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2014);
-XI международной IEEE конференции по управлению и связи SIBCON-2015 (Омск, 2015);
-XII международной научно-техническая конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2014);
-международной научно-практической конференции «Радиотехника, электроника и связь» (РЭИС—2015), (Омск, 2015).
- XIII международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2016);
-международной научно-технической конференции «Современные
проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2017);
-IEEE международной Сибирской конференции по управлению и связи (SIBCON-2017) (Астана, 2017);
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены автором лично или при непосредственном его участии. Экспериментальные исследования проведены совместно с сотрудниками кафедры ССИБ ОмГТУ А.П. Аверченко, Майстренко В.А., результаты обработаны лично автором. Совместно с научным руководителем обсуждались цели работы и пути их достижения, результаты работы. Все математические модели и программы разработаны автором.
Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать научных работ, в том числе трех статей в научно-технических сборниках, включенных в перечень научных журналов, рекомендованных ВАК РФ, и десять докладов на российских и международных научно-технических конференциях. Получены два Свидетельства регистрации электронного ресурса.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложенные на 98 с. машинописного текста. В работу включены список литературы из 70 наименований и 7 приложений.