Содержание к диссертации
Введение
1. Статистические характеристики пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи 16
1.1. Пропускная способность системы радиосвязи с ортогональными поднесущими, функционирующей в случайном частотно-селективном канале 16
1.1.1. Пропускная способность канала связи 16
1.1.2. Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими 19
1.1.3. Случайный частотно-селективный канал связи 24
1.1.4. Пропускная способность OFDM системы связи, функционирующей в случайном частотно-селективном канале 29
1.1.5. Статистическая модель пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи 30
1.2. Статистические характеристики пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи 31
1.2.1. Пропускная способность подканала (поднесущей) с плоской частотной характеристико 31
1.2.2. Пропускная способность случайного частотно-селективного канала связи при равномерном распределении мощности по поднесущим 34
1.2.3. Пропускная способность случайного частотно-селективного канала связи при различных методах распределении мощности по поднесущим 40
1.3. Влияние частотной корреляции на статистические характеристики пропускной способности частотно-селективного канала 45
1.3.1. Модель релеевского многолучевого канала связи с экспоненциальным профилем затухания 45
1.3.2. Функция корреляции пропускной способности поднесущих 46
1.3.3. Статистические характеристики пропускной способности канала с учётом частотной корреляции 48
1.4. Заключение по первой главе 50
2. Адаптивное распределение мощности и бит в OFDM системах радиосвязи 52
2.1. Адаптивное распределение передаваемой мощности по поднесущим в OFDM системах радиосвязи 53
2.1.1. Постановка задачи 53
2.1.2. Решение оптимизационной задачи 54
2.1.3. OFDM система с адаптивным распределением мощности 58
2.1.4. Результаты моделирования 61
2.2. Адаптивное распределение бит и мощности по поднесущим в OFDM системах радиосвязи 63
2.2.1. Постановка задачи 63
2.2.2. Алгоритм адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим 65
2.2.3. OFDM система радиосвязи с использованием АРБМ 69
2.2.4. Результаты моделирования 72
2.3. Заключение по второй главе 76
3. Адаптивный выбор схемы модуляции и кодирования в OFDM системах радиосвязи 78
3.1. Адаптивный выбор схемы модуляции и кодирования в OFDM системах радиосвязи 79
3.1.1. Постановка задачи 79
3.1.2. Адаптивный выбор схемы модуляции и кодирования 81
3.1.3. Результаты моделирования 84
3.2. Адаптивное отключение поднесущих как способ повышения эффективности OFDM системы радиосвязи 87
3.2.1. Постановка задачи 87
3.2.2. OFDM система радиосвязи с адаптивным отключением поднесущих89
3.2.3. Результаты моделирования 92
3.3. Прогнозирование вероятности ошибок в системах радиосвязи с ортогональными поднесущими, функционирующих в сложной помеховой обстановке 97
3.3.1. Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими для радиосетей городского уровня 97
3.3.2. Постановка задачи 101
3.3.3. Прогнозирование вероятности ошибок на основе вычисления средней пропускной способности 101
3.3.4. Модифицированный показатель качества канала 107
3.4. Заключение по третьей главе 113
Заключение 115
Список литературы 117
- Пропускная способность подканала (поднесущей) с плоской частотной характеристико
- Статистические характеристики пропускной способности канала с учётом частотной корреляции
- Алгоритм адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим
- Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими для радиосетей городского уровня
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
Основным требованием, предъявляемым к современным системам цифровой радиосвязи, является высокая скорость и надежность передачи данных в сложных условиях распространения сигналов. Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими (Orthogonal Frequency Division Multiplexing -OFDM) обеспечивают высокую спектральную эффективность и позволяют наилучшим образом справляться с межсимвольными искажениями сигналов, обусловленными сложным физическим каналом связи с многолучевым распространением [1]. В настоящее время широкополосные OFDM системы применяются для цифрового радио- [2, 3] и телевещания [4, 5], а также для скоростной передачи информации как внутри [6, 7], так и вне помещений [8, 9]. Высокая скорость передачи в OFDM системах достигается путем параллельной передачи информации по большому числу ортогональных частотных подканалов (поднесущих). Формирование ортогональных поднесущих достигается за счет применения алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для повышения помехоустойчивости OFDM систем радиосвязи применяется канальное кодирование, а для защиты от межсимвольной интерференции в начало каждого символа вводится специальный защитный интервал.
Современный стандарт цифровой радиосвязи IEEE 802.11а [6], регламентирующий работу высокоскоростных локальных компьютерных радиосетей (WLAN) диапазона 5 ГГц, позволяет передавать цифровые данные внутри помещений со скоростью до 54 Мбит/с на расстояние в несколько десятков метров в полосе 20 МГц. Однако для удовлетворения постоянно возрастающих требований пользователей скорость передачи информации в локальных компьютерных радиосетях следующих поколений должна существенно возрасти. Традиционным решением этой задачи является расширение используемой частотной полосы или увеличение излучаемой мощности. Однако указанные ресурсы имеют свои пределы, так как выделяемые стандартами полосы радиочастотных диапазонов ограничены, а максимальный уровень излучаемой мощности не может быть существенно увеличен из-за
экологических ограничений и возрастающих требований на время автономной работы портативных радиоустройств. Поэтому наиболее перспективным подходом к решению задачи повышения эффективности современных систем радиосвязи при жестких ограничениях на выделенные ресурсы является использование методов пространственно-временной обработки сигналов и методов быстрой адаптации к случайному частотно-селективному каналу (fast link adaptation). В случае применения быстрой канальной адаптации увеличение эффективности системы достигается за счет согласования скорости передачи данных с состоянием текущей реализации частотно-селективного канала. Такое согласование может производиться путем адаптивного распределения бит (выбора схемы модуляции и кодирования) и мощности по поднесущим, группам поднесущих и различным пространственным подканалам OFDM системы радиосвязи. Анализу различных методов такой быстрой адаптации OFDM системы радиосвязи к текущей реализации передаточной функции случайного частотно-селективного канала и посвящена настоящая диссертационная работа.
Актуальность выбранной темы диссертации подтверждается не только большим объемом публикаций в научно-технических изданиях, посвященных этому вопросу, но и активной работой в данном направлении, проводимой в ведущих компаниях-производителях коммуникационного оборудования (Motorola, Intel, Samsung, Nokia, Siemens, Philips и др.).
Состояние рассматриваемых вопросов
Современные системы OFDM радиосвязи на основе стандарта ШЕЕ 802.11а предназначены для функционирования в частотно-селективных каналах связи с многолучевым характером распространения сигналов [10-15]. При этом стандарт предусматривает лишь равномерное распределение мощности и одинаковую схему модуляции и кодирования (МКС) на всех информационных поднесущих, что не является оптимальным в условиях частотно-селективного канала.
В классических работах К.Шеннона [16, 17] было показано, что для частотно-селективного канала оптимальным с точки зрения максимизации пропускной способности является распределение передаваемой мощности по
методу «заполнения водой» ("water-filling") в соответствии с передаточной функцией текущей реализации канала и эффективной мощностью шума на поднесущих. Согласно этому методу при передаче информации бблыпая мощность сигнала должна распределяться в поднесущие с более низким уровнем эффективного шума. При этом поднесущие с очень высоким уровнем эффективного шума должны быть полностью отключены. Теоретически после такого распределения мощности должна проводиться загрузка битов (распределение видов модуляции и кодирования) по поднесущим в соответствии с вычисленными значениями пропускной способности на каждой поднесущей. Однако такая процедура требует наличия в системе связи оптимальной схемы канального кодирования с непрерывной модуляцией. На практике данный метод невозможно реализовать из-за конечного набора видов модуляции и ограничениями существующих систем помехоустойчивого кодирования. В связи с этим возникает задача по разработке субоптимальных алгоритмов распределения мощности и бит по поднесущим, позволяющих OFDM системе связи эффективно адаптироваться к текущей реализации частотно-селективного канала.
В работах [18-25] было предложено несколько субоптимальных алгоритмов распределения бит и мощности для систем связи с ортогональными поднесущими. В зависимости от их назначения эти алгоритмы условно можно разделить на две группы: первые максимизируют скорость передачи информации при заданной вероятности битовой (пакетной) ошибки на приемнике [22-25]; вторые минимизируют вероятность ошибок при фиксированной скорости передачи данных [18-21]. Большая часть алгоритмов адаптивного распределения бит и мощности, предложенных в печати, относятся ко второму типу и предназначаются для систем проводной связи на основе технологии ассиметричной цифровой абонентской линии (asymmetric digital subscriber line - ADSL). При этом предложенные алгоритмы отличаются большой вычислительной сложностью, допустимой при их реализации в системах проводной связи, в силу высокой степени статичности таких каналов связи. Для OFDM систем радиосвязи, функционирующих в пакетном режиме передачи данных, наибольший практический интерес представляют быстрые
алгоритмы распределения первого типа, максимизирующие скорость передачи данных. Поэтому необходимо разработать эффективные и простые с вычислительной точки зрения алгоритмы адаптивного распределения и провести исследование их статистических характеристик, используя модели частотно-селективного канала, характерного для OFDM систем радиосвязи. Кроме этого необходимо провести сравнительный анализ эффективности использования распределения бит и распределения мощности по отдельности и совместного распределения бит и мощности.
Проведенные исследования показали, что применение алгоритмов адаптивного распределения бит и мощности позволяет существенно повысить скорость передачи информации при заданной вероятности битовой (пакетной) ошибки на приемнике. Однако при использовании таких алгоритмов необходима передача довольно большого объема служебной информации о распределении мощности и видов модуляции по поднесущим по обратной линии «приемник-передатчик». Это может существенно снизить эффективность пакетных OFDM систем радиосвязи, работающих в нестационарных условиях. Таким образом, возникает задача проведения исследований методов быстрой канальной адаптации, которые могут существенно повысить скорость передачи данных при минимальном количестве дополнительной служебной информации в обратном канале связи и минимальном изменении структуры существующих OFDM систем радиосвязи.
В существующих OFDM системах радиосвязи (например, стандарта IEEE 802.1 la) адаптация к каналу связи производится путем выбора схемы модуляции и кодирования (МКС) для всех поднесущих на основе информации об успешности передачи нескольких предыдущих пакетов. Такой медленный механизм адаптации не предусматривает использование информации о текущей реализации частотно-селективного канала, что, очевидно, понижает эффективность работы систем радиосвязи. В работах [26, 27] на основе статистического анализа работы пакетной OFDM системы радиосвязи в нестационарном частотно-селективном канале было показано, что быстрый адаптивный выбор МКС (для каждого пакета) на основе информации о состоянии текущей реализации частотно-селективного канала может
существенно увеличить эффективную скорость передачи данных при незначительном объеме дополнительной служебной информации в обратном канале связи «приемник-передатчик». В работах [28, 29] исследовались различные алгоритмы адаптивного выбора МКС для OFDM систем радиосвязи при отсутствии помеховых сигналов. Эти алгоритмы основаны на вычислении так называемого показателя качества канала, который учитывает частотно-селективный характер передаточной функции канала связи. Однако приведенные авторами результаты не содержат количественных выводов о повышении эффективности работы OFDM системы. Поэтому возникает задача разработки практических алгоритмов быстрого адаптивного выбора МКС в существующих OFDM системах радиосвязи и исследования их эффективности при отсутствии и наличии помеховых сигналов.
Как отмечалось выше пропускная способность частотно-селективного канала связи с глубокими провалами (замираниями) на некоторых частотах может быть повышена за счет «отключения» и переопределения мощности слабых поднесущих. В работе [30] был рассмотрен итеративный алгоритм отключения поднесущих с малыми коэффициентами усиления и равномерном распределении их мощности между оставшимися активными поднесущими с целью последующего применения алгоритмов адаптивного распределения бит по оставшимся активным поднесущим. Однако исследований эффективности применения адаптивного отключения слабых поднесущих в схемах с последующим выбором одного вида модуляции для всех активных поднесущих в известных нам работах не проводилось.
В последнее время возрастает потребность в обеспечении высокоскоростного доступа в Интернет по широкополосным радиоканалам (broadband wireless access). Технология ортогонального частотного уплотнения сигналов с множественным доступом (OFDMA - orthogonal frequency division multiple access) является одним из перспективных технических решений обеспечения высокоскоростной передачи информации в радиосетях городского уровня путем параллельной передачи данных многим пользователям в одном частотном канале. OFDMA системы связи обладают высокой спектральной эффективностью и гибкостью в использовании частотного ресурса канала.
Одновременный доступ к каналу связи в этих системах осуществляется путем разделения ортогональных поднесущих между абонентами [1]. Данный механизм множественного доступа был предложен для систем мобильного Интернета на основе стандарта IEEE 802.1 бе (WiMAX - worldwide interoperability for microwave access [8, 9]). В реальных условиях использование такой системы радиосвязи предусматривает наличие нескольких соседних базовых станций, работающих в одном частотном диапазоне с полной или частичной загрузкой полосы канала, что чрезвычайно осложняет помеховую обстановку.
Несмотря на повышенный интерес и активное внедрение OFDMA систем, их характеристики, как правило, исследовались для модельных условий, в которых шумы и помехи заменялись аддитивным белым гауссовским шумом [31]. Более детальный анализ помехоустойчивости OFDMA систем связи, работающих в сложной сигнально-помеховой обстановке, в известных нам работах не проводился. Стоит подчеркнуть, что в новом стандарте IEEE 802.1 бе предусмотрена процедура быстрого адаптивного выбора МКС в OFDMA системах радиосвязи. Поэтому вопрос о разработке и исследовании конкретных алгоритмов быстрой канальной адаптации OFDMA систем радиосвязи при наличии помех от соседних станций также является актуальным.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка, исследование статистических характеристик и сравнительный анализ алгоритмов адаптации к случайному частотно-селективному каналу для систем радиосвязи с ортогональными поднесущими.
Задачи диссертационной работы
Исследование статистических характеристик пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи.
Оптимизация распределения мощности по поднесущим на передатчике с целью минимизации вероятности битовых ошибок на приемнике OFDM системы радиосвязи, функционирующей в частотно-селективном канале.
Разработка и исследование характеристик алгоритма совместного адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим, обладающего высокой эффективностью при достаточно низкой вычислительной сложности.
Разработка и исследование характеристик алгоритма адаптивного выбора схемы модуляции и кодирования, общей для всех ортогональных поднесущих. Нахождение показателя качества частотно-селективного канала, устойчивого к сложной помеховой обстановке.
Разработка и исследование характеристик практического алгоритма адаптивного отключения слабых поднесущих с последующим выбором одного вида модуляции для всех активных поднесущих.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовались общие методы статистической радиофизики, теории информации, математической статистики, математическое и имитационное компьютерное моделирование.
Научная новизна работы
Проведено исследование пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи с учетом различных методов распределения мощности по поднесущим и корреляции коэффициентов усиления канала на поднесущих.
Впервые поставлена и решена задача оптимизации распределения передаваемой мощности по поднесущим в OFDM системе радиосвязи с целью минимизации вероятности битовых ошибок на приемнике.
Предложен оригинальный алгоритм совместного адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим, основанный на применении субоптимального распределения мощности между поднесущими с одним видом модуляции.
Предложен новый алгоритм адаптивного выбора общей для всех поднесущих схемы модуляции и кодирования. Проведено исследование характеристик этого алгоритма при наличии частотно-селективных помех.
5. Предложен оригинальный алгоритм адаптивного отключения слабых поднесущих с последующим выбором одного вида модуляции для всех активных поднесущих. Показана высокая эффективность его применения.
Краткое содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, приложения и списка условных обозначений.
Во Введении обоснована актуальность рассматриваемой темы исследования, изложено современное состояние подобных исследований в мире, проведен обзор литературы по теме диссертации, приведены результаты, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации было проведено исследование статистических характеристик пропускной способности системы радиосвязи с ортогональными поднесущими, функционирующей в случайном частотно-селективном канале
В разделе 1.1 рассмотрены основные принципы работы OFDM систем радиосвязи и основные проблемы, возникающие при проектировании таких систем. Определена пропускная способность OFDM системы радиосвязи и предложена ее статистическая модель для случайного частотно-селективного канала связи со статистикой Накагами.
В разделе 1.2 проведено исследование статистических характеристик пропускной способности частотного подканала (поднесущей) с плоской частотной характеристикой и пропускной способности частотно-селективного канала при различных методах распределения передаваемой мощности по поднесущим.
В разделе 1.3 проведено исследование влияния корреляции комплексных коэффициентов передачи канала на статистические характеристики пропускной способности случайного частотно-селективного канала (на примере модели релеевского канала с экспоненциальным профилем затухания).
Во второй главе рассмотрена проблема повышения эффективности OFDM системы радиосвязи за счет согласования спектральной плотности
мощности излучаемого сигнала и скорости передачи данных с состоянием текущей реализации частотно-селективного канала. Такое согласование предлагается производить путем адаптивного распределения мощности и бит по поднесущим (группам поднесущих) OFDM системы радиосвязи.
В разделе 2.1 рассмотрена задача оптимизации распределения передаваемой мощности по поднесущим в OFDM системе радиосвязи. Для каналов с относительно небольшим разбросом значений коэффициентов усиления на поднесущих (порядка ±ЗдБ) было найдено аналитическое выражение для распределения мощности по поднесущим на передатчике, минимизирующее вероятность битовых ошибок на приемнике. На основе решения оптимизационной задачи был предложен алгоритм адаптивного распределения мощности (АРМ), в котором предусмотрена процедура отключения поднесущих с малыми значениями ОСШ с последующим распределением мощности по оставшимся активным поднесущим, позволяющий максимизировать скорость передачи информации при вероятности битовых ошибок, не выше требуемой.
В разделе 2.2 предложен практический алгоритм совместного адаптивного распределения (загрузки) бит и мощности (АРБМ) по поднесущим. Предложенный алгоритм предусматривает эффективную процедуру распределения мощности с одновременной загрузкой информационных бит по активным поднесущим при помощи простого порогового метода.
В третьей главе рассмотрена задача адаптивного выбора схемы модуляции и кодирования, позволяющего существенно повысить эффективность OFDM системы радиосвязи при незначительном изменении ее структуры и минимальном дополнительном объеме требуемой служебной информации.
В разделе 3.1 предложен новый практический алгоритм адаптивного выбора МКС, который позволяет существенно повысить (по сравнению со стандартной OFDM системой) эффективную скорость передачи данных при заданной вероятности пакетной ошибки.
В разделе 3.2 проведено исследование эффективности применения адаптивного отключения поднесущих. Было показано, что дополнительное
использование адаптивного отключения поднесущих позволяет заметно повысить производительность OFDM системы радиосвязи с адаптивным выбором МКС (1+1,5 дБ в в эквивалентных значениях ОСШ) и получить заданную вероятность пакетной ошибки в области низких значений ОСШ. При этом производительность OFDM системы с адаптивным отключением поднесущих всего лишь на 1,5-^-2 дБ уступает системе с адаптивным распределением бит и мощности.
В разделе 3.3 рассмотрена задача прогнозирования вероятности ошибок с целью адаптивного выбора МКС в OFDM системах радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке. Для решения этой задачи был предложен практический алгоритм на основе вычисления модифицированного показателя качества канала.
В Заключении подведены итоги проведенной работы, изложены основные результаты и выводы.
В Приложении 1 приводится определение производительности (эффективной скорости передачи) системы радиосвязи.
В Приложении 2 приводится список условных сокращений.
Практическая значимость результатов
Представленные в диссертации результаты анализа методов канальной адаптации могут быть использованы при проектировании перспективных высокоскоростных цифровых систем радиосвязи с ортогональными поднесущими.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается их сравнением с результатами, полученными с помощью математического моделирования, с опубликованными результатами экспериментов, а также отсутствием противоречий результатов диссертации известным положениям теории статистической радиофизики и теории информации.
Апробация результатов работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:
международная конференция 3rd International Symposium on Wireless Communication Systems (Валенсия, Испания, сентябрь 2006 г);
X международная конференция «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» (ХНУРЭ, Харьков-Туапсе, сентябрь 2004 г);
ежегодные научные конференции по радиофизике (ННГУ, Н. Новгород, май 2001-2003,2005 гг.);
ежегодные нижегородские сессии молодых ученых (Н. Новгород, 2002-2005 гг.);
- московский форум Интел для разработчиков (Москва, апрель 2005 г.).
Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах кафедры бионики и статистической радиофизики ННГУ и на технических совещаниях корпорации Интел по системам радиосвязи.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №00-02-17602, №00-15-96620, №03-02-17141 и НШ-1729.2003.2 - "Ведущие научные школы"; гранта Отделения науки НАТО CLG-977419.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 32 работы. Среди них 9 статей в рецензируемых изданиях ("Intel Technology Journal" [32], "Известия вузов. Радиофизика" [34, 40], "Вестник ННГУ. Серия Радиофизика" [33, 35, 36, 38, 39], "Прикладная радиоэлектроника" [37]), 18 работ, представляющих собой опубликованные материалы докладов на конференциях [41-58], и 5 зарегистрированных патентных заявок на изобретения [59-63].
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты исследования статистических характеристик пропускной способности случайного частотно-селективного канала.
Выражение для субоптимального распределения мощности на передатчике, минимизирующего вероятность битовых ошибок на приемнике. Алгоритм адаптивного распределения мощности, основанный на отключении слабых поднесущих и последующем субоптимальном распределении мощности по оставшимся «активным» поднесущим.
Алгоритм совместного адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим, основанный на применении субоптимального распределения мощности между поднесущими с одним видом модуляции.
Алгоритм адаптивного выбора схемы модуляции и кодирования для OFDM системы радиосвязи и процедура вычисления модифицированного показателя качества канала, устойчивого к сложной помеховой обстановке.
Алгоритм адаптивного отключения слабых поднесущих с последующим выбором одного вида модуляции для всех активных поднесущих.
Автор выражает благодарность профессору А.А.Мальцеву за научное руководство; сотрудникам нижегородского филиала ЗАО «Интел А/О» А.ВЛудееву, СА.Тираспольскому, А.В.Давыдову за плодотворные дискуссии по теме диссертации, ценные советы и замечания. Диссертант благодарен профессору А.Г.Флаксману и профессору В.Т.Ермолаеву за обсуждение ряда вопросов и полезные рекомендации. Автор благодарен сотрудникам кафедры бионики и статистической радиофизики ННГУ за содействие в выполнении работы.
1. Статистические характеристики пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи
Пропускная способность подканала (поднесущей) с плоской частотной характеристико
Устойчивость OFDM систем к фазово-частотным флуктуациям. Несмотря на отмеченные выше достоинства, OFDM системы радиосвязи обладают повышенной чувствительностью к фазово-частотным расстройкам (флуктуациям) радиосигналов, особенно при использовании высоких порядков М-КАМ модуляции [1, 40, 49, 86]. Фазовые флуктуации в OFDM системе радиосвязи обусловлены, во-первых, случайной частотной расстройкой между приёмником и передатчиком, возникающей вследствие неидеальности механизмов частотной синхронизации и приводящей к линейному набегу фазы сигнала во времени; а, во-вторых, случайным фазовым шумом, вызванным нестабильностью частоты генераторов. Влияние точности оценивания фазы несущей на вероятность битовых ошибок рассмотрено в наших работах [47,52].
Для уменьшения влияния фазовых флуктуации в OFDM системах связи предусмотрено оценивание текущей фазы сигнала по специальным тренинговым последовательностям, постоянно передающимся на специальных пилотных поднесущих. Такая структура OFDM символа позволяет сравнительно легко проводить оценивание фазы в частотной области по пилотным поднесущим после выполнения операции БПФ. При этом оценивание фазы может проводиться как при помощи классических [87] схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [39, 57], так и при помощи различных адаптивных схем (например схемы слежения за фазой, основанной на аппарате расширенной калмановской фильтрации [59]). Однако, следует подчеркнуть, что наличие фазовых флуктуации на длине одного OFDM символа, подвергающегося БПФ, приводит к нарушению ортогональности поднесущих, что вызывает появление дополнительных перекрестных помех на поднесущих (дополнительного шума неортогональности). В наших работах [40, 49] проведено аналитическое и численное исследование статистических характеристик дополнительного шума неортогональности, вызванного наличием фазовых флуктуации в OFDM символе; и представлены допустимые значения параметров фазово-частотных флуктуации, при которых обеспечивается стабильная работа OFDM системы радиосвязи.
Повышение эффективности OFDM системы радиосвязи. Системы OFDM радиосвязи на основе стандарта IEEE 802.11а предназначены для функционирования в частотно-селективных каналах связи с многолучевым характером распространения сигналов. При этом стандарт IEEE 802.11а предусматривает только равномерное распределение мощности с одинаковым видом модуляции и кодирования на всех информационных поднесущих, что не является оптимальным в условиях частотно-селективного канала. В перспективных OFDM системах радиосвязи для увеличения скорости передачи данных предлагается использовать разнообразные методы адаптации к случайному частотно-селективному каналу [32]. При разработке таких адаптивных методов необходимо учитывать статистические характеристики случайного частотно-селективного канала связи и, в частности, пропускной способности такого канала.
Адаптивные MIMO-OFDM системы радиосвязи. Для удовлетворения постоянно возрастающих требований пользователей скорость передачи информации в системах радиосвязи следующих поколений для локальных компьютерных радиосетей должна составлять несколько сотен Мбит/с. Такое повышение скорости передачи данных в системах радиосвязи большинство исследователей связывают с использованием многоэлементных антенн и применением новых методов адаптивной пространственно-временной обработки сигналов [64-68]. Наиболее перспективным является использование антенных решеток на обеих сторонах канала связи, что позволяет более эффективно использовать мощность передатчика и бороться с замираниями сигналов. Увеличение пропускной способности в таких системах достигается путем параллельной передачи информационного потока по нескольким пространственным подканалам. Для разделения одновременно излучаемых передатчиком пространственных сигналов необходимо использовать на приемнике специальные алгоритмы MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) обработки сигналов [64].
В последнее время исследованию OFDM систем радиосвязи с пространственной обработкой сигналов (MIMO-OFDM системы) уделяется достаточно много внимания [69, 70]. Однако многие аспекты обработки сигналов в MIMO-OFDM системах радиосвязи являются недостаточно исследованными, и имеется широкий круг проблем, требующих своего рассмотрения. Одной из таких проблем является вопрос об эффективности применения адаптивного распределения мощности между пространственными подканалами MIMO-OFDM системы радиосвязи. Такое распределение мощности может производиться на передатчике на основе служебных инструкций, формируемых приемником. Целесообразность применения конкретного метода распределения на практике зависит от условий распространения сигнала и используемой MIMO конфигурации. В сформированных пространственных подканалах MIMO-OFDM системы радиосвязи можно производить адаптивное распределение бит и мощности по поднесущим. При этом возникает проблема выбора определенного метода быстрой канальной адаптации для практической реализации в MIMO-OFDM системе радиосвязи. При решении этой проблемы необходимо учитывать не только эффективность метода канальной адаптации, но и общее количество служебной информации, необходимой для функционирования MIMO-OFDM системы радиосвязи. В работе [37] проведен анализ эффективности совместного применения различных методов канальной адаптации и методов пространственной обработки сигналов.
Случайный частотно-селективный канал связи Многолучевый канал связи. Рассмотрим реальный физический канал связи OFDM системы со статистической точки зрения. Мы будем предполагать, что передача сообщений проводится с использованием пакетного режима связи и характеристики канала меняются во времени настолько медленно, что по существу он может рассматриваться как фиксированный на длине пакета. При справедливости этого предположения канал связи OFDM системы является линейным и стационарным в течение передачи одного пакета. Тогда связь между передатчиком и приемником рассматриваемой OFDM системы описывается следующим уравнением: где t - дискретное время, r(t) - принимаемый сигнал, s(t) - передаваемый сигнал, h(t) - импульсная характеристика канала, n(t) - комплексный аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ) и 8 - знак свертки.
Статистические характеристики пропускной способности канала с учётом частотной корреляции
Распределение мощности в подканал с максимальным значением ОСШ (МЗ). При организации связи между удаленными точками принимаемая мощность может оказаться меньше мощности шума на входе приемника. Тогда близким к оптимальному решению является распределение всей передаваемой мощности в подканал с максимальным значением ОСШ (максимальным коэффициентом усиления канала Хтах). В этом случае пропускная способность OFDM системы равна и совпадает с пропускной способностью одной поднесущей, которая является наилучшей для данного физического канала.
Основываясь на результатах, полученных в предыдущем разделе (см. (1.2.19) и (1.2.23)), можно записать выражения для интегральной функции распределения и среднего значения пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи при распределении мощности в подканал с максимальным значением ОСШ (т = 1):
Отметим, что при записи этих выражений необходимо учитывать, что мощность, направляемая в наилучшую поднесущую, в N раз превосходит значение мощности, направляемой в поднесущую при равномерном распределении.
Распределение мощности, максимизирующее пропускную способность (МПС). Если передаточная функция канала известна как на передающей, так и на приемной стороне системы связи, то можно использовать предварительное "взвешивание" передаваемых сигналов для адаптации распределения их мощностей Pj по подканалам для того, чтобы достичь максимума пропускной способности. В классических работах [17, 71] было показано, что оптимальным с точки зрения максимизации пропускной способности является распределение передаваемой мощности по методу «заполнения водой» (в зарубежной литературе "water-filling " или "water-pouring"). Согласно этому методу при передаче информации большая мощность должна распределяться в подканалы с более высоким значением ОСШ, а в подканалы с низким ОСШ должна распределяться меньшая мощность. При этом подканалы с очень низким значением ОСШ могут быть полностью отключены.
Такое распределение мощности достигается при помощи итеративной процедуры вычисления адаптивного уровня заполнения А, в соответствии со следующим выражением Нетрудно видеть, что количество активных поднесущих NA, используемых при таком распределении мощности, меньше или равно общему числу поднесущих N. При этом в поднесущую с самым высоким коэффициентом усиления X/ направляется наибольшая часть мощности. Если полная мощность Р, большая, то используются все N подканалов (NA = N), и асимптотически мы будем иметь Pj&Pt/N, то есть равномерное распределение мощности. Если значение Pt очень мало, то только одна поднесущая с наибольшим коэффициентом усиления (Хтах) получает мощность Р\= Р„ а остальные не используются. В этом случае мы переходим к ситуации распределения мощности в подканал с максимальным значением ОСШ. При использовании метода МПС мощность, передаваемая на j-u поднесущей, становится функционально, а, значит, и статистически зависимой от коэффициента усиления случайной величиной. Кроме этого, количество активных поднесущих, используемых при МПС распределении мощности, тоже становится случайной величиной.
Равномерное распределение мощности с отключением поднесущих (ОН). В этом случае подканалы с очень низким значением ОСШ должны быть полностью отключены, и вся передаваемая мощность равномерно распределяется между оставшимися подканалами. Пропускная способность записывается следующим образом: Для определения набора активных поднесущих может применяться известный алгоритм Чоу [30], заключающийся в постепенном отключении поднесущих с малыми коэффициентами усиления и равномерном распределении мощности между оставшимися активными поднесущими. Процедура отключения поднесущих продолжается до тех пор, пока отключение еще одной поднесущей не приводит к уменьшению значения суммарной пропускной способности.
В случае применения МПС и ОП методов распределения мощности задача нахождения статистических характеристик пропускной способности канала в аналитическом плане становится довольно сложной. Поэтому статистические характеристики пропускной способности канала связи в этом случае исследовались при помощи компьютерного моделирования.
Сравнение эффективности методов распределения передаваемой мощности. Для сравнения эффективности применения того или иного метода распределения передаваемой мощности по частотным подканалам были поострены графики зависимости статистических характеристик пропускной способности случайного частотно-селективного канала от ОСШ уо при различных методах заполнения частотных подканалов. Результаты приведены для двух значений параметра замираний Накагами: т =1 (статистика Релея) и т =3. Пунктирными линиями с маркерами показаны результаты компьютерного моделирования, сплошными линиями приведены теоретические результаты. Причем, круглые маркеры соответствуют РР методу; ромбовидные маркеры -МЗ методу; треугольные маркеры - МПС методу; квадратные маркеры - ОП методу.
Алгоритм адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим
В первой главе настоящей диссертации было проведено исследование статистических характеристик пропускной способности системы радиосвязи с ортогональными поднесущими, функционирующей в случайном частотно-селективном канале
В разделе 1.1 рассмотрены основные принципы работы OFDM систем радиосвязи и основные проблемы, возникающие при проектировании таких систем. Определена пропускная способность OFDM системы радиосвязи и предложена ее статистическая модель для случайного частотно-селективного канала связи со статистикой Накагами.
В разделе 1.2 проведено исследование статистических характеристик пропускной способности частотного подканала (поднесущей) с плоской частотной характеристикой и пропускной способности частотно-селективного канала при различных методах распределения передаваемой мощности по поднесущим. Было показано, что адаптивные методы распределения мощности (максимизация пропускной способности - МПС и отключение поднесущих -ОП) методы распределения мощности обеспечивают приблизительно одинаковую пропускную способность канала. При этом при низких значениях ОСШ (у0 10 дБ) применение этих методов обеспечивает заметный выигрыш в пропускной способности по сравнению с равномерным распределением мощности. При дальнейшем увеличении ОСШ выигрыш от использования МПС и ОП методов становится пренебрежимо малым. Причем, увеличение параметра замираний Накагами т также приводит к снижению выигрыша от применения МПС и ОП методов. На основании этих результатов можно сделать вывод о целесообразности практического применения адаптивного отключения поднесущих в системах OFDM радиосвязи, функционирующих в частотно-селективном канале.
В разделе 1.3 проведено исследование влияния корреляции комплексных коэффициентов передачи канала на статистические характеристики пропускной способности случайного частотно-селективного канала (на примере модели релеевского канала с экспоненциальным профилем затухания). Было показано, что увеличение частотной корреляции на поднесущих (уменьшение среднеквадратического времени задержки канала) приводит к росту интенсивности флуктуации общей пропускной способности канала, и снижает интенсивность флуктуации пропускной способности отдельных поднесущих канальной реализации.
Результаты исследования статистических характеристик пропускной способности случайного частотно-селективного канала играют важную роль при разработке и анализе практических алгоритмов канальной адаптации, рассмотренных в последующих главах настоящей диссертации. Системы OFDM радиосвязи на основе стандарта IEEE 802.11а предназначены для функционирования в частотно-селективных каналах связи с многолучевым характером распространения сигналов. При этом стандарт IEEE 802.11а предусматривает только равномерное распределение мощности с одинаковым видом модуляции и кодирования на всех информационных поднесущих, что не является оптимальным в условиях частотно-селективного канала. В классических работах К.Шеннона [16] было показано, что для частотно-селективного канала оптимальным с точки зрения максимизации пропускной способности является распределение передаваемой мощности по "water-filling" («заполнение водой») методу в соответствии с передаточной функцией текущей реализации канала. Однако на практике данный метод невозможно реализовать из-за ограниченности набора схем модуляции и кодирования (МКС). В связи с этим возникает задача по разработке субоптимальных алгоритмов распределения мощности и видов модуляции по поднесущим, позволяющих OFDM системе связи адаптироваться к текущей реализации частотно-селективного канала.
В разделе 2.1 рассмотрена задача оптимизации распределения передаваемой мощности по поднесущим в OFDM системе радиосвязи. Было найдено аналитическое выражение для распределения мощности по поднесущим на передатчике, минимизирующее вероятность битовых ошибок на приемнике. На основе этих результатов был предложен метод адаптивного распределения мощности и выбора одинаковой модуляции (АРМ-ВМ) для всех активных поднесущих, позволяющий максимизировать скорость передачи информации при вероятности битовых ошибок, не выше требуемой.
В разделе 2.2 настоящей диссертации для решения задачи повышения скорости передачи данных в OFDM системах радиосвязи предложен новый субоптимальный алгоритм совместного адаптивного распределения бит и мощности (АРБМ). Этот алгоритм предусматривает более эффективную процедуру распределения мощности с одновременной загрузкой информационных бит по активным поднесущим при помощи простого порогового метода.
Предполагается, что OFDM система функционирует в квазистационарном (на время обмена пакетами между станциями) частотно-селективном канале связи. Передаточная функция такого канала описывается набором комплексных коэффициентов передачи на каждой поднесущей {#,}, где / - номер поднесущей. Коэффициент усиления канала (по мощности) на каждой поднесущей обозначим как
Тогда ОСШ у і на каждой поднесущей приемника можно представить в виде: где Pj - мощность сигнала и anf - мощность аддитивного шума на /-й поднесущей, N - количество поднесущих, предназначенных для передачи информационных символов, г, - мощность эффективного шума на /-й поднесущей, определяемая как мощность АБГШ, нормированная на коэффициент усиления канала на соответствующей поднесущей. Будем считать, что передатчик имеет в наличии идеально точные оценки коэффициента усиления канала и мощности шума на каждой поднесущей.
Вероятность битовых ошибок р на приемнике OFDM системы связи (до исправления ошибок помехоустойчивым декодером) зависит от значений ОСШ на каждой поднесущей. С учетом перемешивания бит с помощью интерливинга вероятность битовых ошибок р можно представить как среднее арифметическое значений вероятностей битовых ошибок на каждой поднесущей:
Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими для радиосетей городского уровня
Обсуждение полученных аналитических результатов. Как видно из полученных выражений (2.1.14) и (15) оптимальное распределение мощности по поднесущим на передатчике зависит от значений отношения коэффициента усиления канала Я, к мощности аддитивного шума апі на каждой поднесущей. Поскольку в 5 ГГц радиоустройствах аддитивный шум в первую очередь обусловлен тепловым шумом радиоприемного тракта, то мощность шума ог„,2 на каждой поднесущей можно считать одинаковой. Очевидно, что в этом случае основное влияние на распределение мощности на передатчике будет оказывать совокупность текущих значений коэффициентов усиления канала Я, на поднесущих. Применение полученных аналитических выражений (2.1.12) и (2.1.14) для перераспределения передаваемой мощности показало, что это приводит к повышению эффективности OFDM систем связи (снижению вероятности битовых ошибок) в каналах с относительно небольшим разбросом значений коэффициентов усиления Я, на поднесущих (порядка ±ЗдБ).
В работе [14] экспериментально исследовались статистические характеристики частотно-селективного канала связи в 5 ГГц диапазоне. Было показано, что при распространении радиоволн внутри помещений разброс значений коэффициентов усиления Я, на поднесущих может достигать нескольких десятков децибел в полосе порядка 20 МГц. Для канальных реализаций с таким большим разбросом коэффициентов усиления использованная лог-линейная аппроксимация (2.1.7) становится непригодной для описания вероятности битовых ошибок. Нетрудно увидеть, что формальное использование аналитических выражений (2.1.12) и (2.1.14) в этом случае приводит к распределению практически всей полезной мощности в энергетически слабейшие поднесущие и становится заведомо неоптимальным (приводит к возрастанию вероятности битовых ошибок OFDM системы). Поэтому была разработана практическая схема адаптивного распределения мощности (АРМ) для OFDM системы радиосвязи. В этой схеме предусмотрена процедура отключения поднесущих с малыми коэффициентами усиления Я, и последующего распределения мощности по оставшимся «активным» поднесущим в соответствии с выражением (2.1.14). Далее показано, что такой комбинированный подход позволяет решить поставленную выше задачу и существенно повысить эффективность OFDM систем радиосвязи.
OFDM система с адаптивным распределением мощности В данном подразделе предложена практическая схема адаптивного распределения мощности для OFDM системы радиосвязи. Кроме этого, представлена модификация этой схемы, которая предусматривает адаптивное распределение мощности совместно с адаптивным выбором МКС (схема АРМ-ВМ). Заметим, что при разработке схем АРМ и АРМ-ВМ предполагалась взаимность передаточной функции частотно-селективного канала связи и отсутствие помеховых сигналов.
OFDM система радиосвязи со схемой АРМ. Рассмотрим OFDM систему радиосвязи из двух станций, которые функционируют в квазистационарном, симметричном (взаимном) частотно-селективном канале. Предположим, что станция 2 запрашивает у станции 1 передачу большого количества информации. Во время обработки запроса станция 1 (оснащенная схемой АРМ) оценивает все необходимые параметры текущей реализации частотно-селективного канала связи. Исходя из этих оценок, схема АРМ производит вычисление оптимальных значений мощности для каждой поднесущей Р,. Передавая запрашиваемый информационный пакет, станция 1 перераспределяет мощность между поднесущими в соответствии с результатами вычислений, проведенных схемой АРМ. Перераспределение происходит путем умножения сигнала на каждой поднесущей на соответствующий весовой коэффициент Wh причем
Заметим, что в случае отключения части поднесущих данные передаются с помощью оставшихся активных поднесущих. Информация об используемых активных поднесущих передается станцией 1 на станцию 2 в начале информационного пакета. Упрощенная структурная диаграмма OFDM приемопередатчика со схемой АРМ изображена на Рис. 2.1.2.
Подчеркнем, что станция 1 производит перераспределение мощности по поднесущим не только для информационных символов, но и для обучающей последовательности, которую станция 2 будет использовать для оценивания канала. Такая процедура позволяет станции 2 правильно демодулировать посланный ей информационный пакет и приводит к существенному уменьшению количества служебной информации. Вся дополнительная служебная информация (по сравнению со стандартом IEEE 802.11а), необходимая для функционирования OFDM системы со схемой АРМ, сводится лишь к указанию позиций активных поднесущих.
Алгоритм вычисления оптимальных значений мощности на поднесущих в практической схеме АРМ производится в два этапа. На первом этапе определяются поднесущие, которые необходимо отключить. Это осуществляется при помощи итеративной процедуры вычисления «выровненного» значения ОСШ уед, в соответствии с выражением (2.1.13), которое затем сравнивается с определенным заранее пороговым значением /г, обеспечивающим требуемую вероятность битовых ошибок в канале с АБГШ. Если на текущем шаге этой итеративной процедуры yeq /г, то количество активных поднесущих Non уменьшается на единицу (на первом шаге Non=N). Процедура нахождения отключаемых поднесущих останавливается на том шаге, когда значение уед впервые превысит заданное пороговое значение ythr.
