Введение к работе
Постановка проблемы и её актуальность
В последние десятилетия по всему миру наблюдается повышенный интерес к беспроводным системам связи и, как следствие, бурное развитие данного направления телекоммуникационной отрасли. Беспроводные технологии проникают практически во все сферы человеческой жизни и являются неотъемлемой её частью. Все больше людей не могут представить свою жизнь без мобильного телефона. Очевидно, что темп роста числа пользователей беспроводными системами связи будет только расти. Поэтому перед разработчиками телекоммуникационного оборудования и учеными в области беспроводных технологий стоят крайне сложные, но интересные задачи. Основной из них является повышение спектральной и энергетической эффективности систем радиодоступа с той целью, чтобы новое телекоммуникационное оборудование могло бы удовлетворить постоянно растущие требования пользователей.
Традиционные пути решения данной проблемы, связанные с расширением частотной полосы или с увеличением излучаемой мощности для поддержания заданного уровня вероятности ошибок при данном типе модуляции, постепенно исчерпывают себя. Одним из основных альтернативных направлений, которое было выбрано разработчиками новейших стандартов связи (таких как Институт инженеров по электротехнике и электронике (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) и Международный союз электросвязи - МСЭ (англ. International Telecommunication Union - ITU)) как перспективное, является использование многоантенных систем (MAC) передачи информации, так называемых Multiple Input Multiple Output (MIMO) систем, для повышения спектральной и энергетической эффективности систем радиосвязи.
Особый интерес вызывает технология пространственного мультиплексирования (ПМ), которая позволяет организовать многоканальную передачу за счет использования многоантенной структуры без расширения используемой полосы частот. Суть его заключается в том, что через каждую передающую антенну (ПРДА) транслируются свои цифровые сообщения, совпадающие, однако, по такту, способу манипуляции и параметрам несущей. При этом, если число приемных антенн (ПРМА) как минимум не меньше числа ПРДА, то все параллельно транслируемые сообщения могут быть выделены на приеме. Для этого на приемной стороне могут быть использо-
ваны различные методы обработки, различающиеся по эффективности и вычислительной сложности. Исследование существующих методов приема пространственно мультиплексируемых сигналов, а также разработка новых, являются актуальными задачами, стоящими перед разработчиками систем связи. Данному направлению посвящены исследования В.Б. Крейнделина, Л.А. Варукиной, A.M. Шломы, Е.В. Ермолаева, А.Г. Флаксмана, Е.А. Маврычева и т.д.
Теоретически, пропускная способность системы с ПМ может расти пропорционально числу приемопередающих антенных пар. При этом передающие антенны могут принадлежать не только одному пользователю, но и нескольким. Такая технология получила название многопользовательских MAC (МП-MAC) или MU-MIMO (Multiuser Multiple Input - Multiple Output). Она является сравнительно новой, поэтому изучение теоретических и практических аспектов применения данной технологии является востребованным на сегодняшний день.
Таким образом, один и тот же связной ресурс используется для передачи нескольких сообщений вместо одного, или для увеличения скорости передачи без расширения используемой полосы рабочих частот. Хотя этот факт и может показаться неожиданным, однако он ни в коей мере не нарушает общих законов техники связи. Известно, что спектральную эффективность передачи информации можно повысить за счет увеличения мощности сигнала (снижения энергетической эффективности). Ясно, что если в рассматриваемой системе сосредоточить все мощности на передаче сигналов одного канала, вместо их распыления по нескольким, то отношение сигнал/шум в этом канале было бы значительно повышено, что позволило бы увеличить его пропускную способность без расширения полосы частот. Тем не менее, изучение каждого нового варианта обмена энергетической эффективности на спектральную представляет большой практический интерес.
Кроме того, эффективность ПМ доказана для MAC из нескольких приемных и нескольких передающих антенн только для случая независимых трасс распространения. Трассой распространения будем называть радиоканал между каждой передающей и каждой приемной антенной. Также известно, что если трассы распространения коррелированны между собой, то ПМ теряет свою эффективность. Весьма актуальными оказываются исследования, направленные на определение эффективности различных конфигураций ПМ в реальных радиоканалах, а также условий рационального
использования данной технологии с практической точки зрения. Данному вопросу посвящены работы Л.И. Пономарева, А.И. Скородумова.
Среди отечественных исследователей MAC, которые также внесли существенный вклад в данной области, хотелось бы выделить М.А. Быховского, А.А. Мальцева, P.O. Масленникова, А.В. Давыдова. Цель настоящей работы
Целью данной работы является исследование эффективности применения MAC в режиме ПМ, сравнительный анализ существующих алгоритмов, применяемых в совокупности с ПМ, а также разработка новых методов повышения эффективности данной технологии. Решаемые задачи
Для достижения цели в настоящей работе необходимо было решить следующие теоретические, экспериментальные и прикладные задачи:
-
Разработка адекватного компьютерного симулятора канального уровня многоантенной системы с пространственным мультиплексированием;
-
Исследование существующих моделей и создание новой адекватной математической модели реального радиоканала для использования совместно с симулятором модели MAC при статистическом моделировании;
-
Исследование влияния свойств реальных радиоканалов на эффективность ПМ путем экспериментальной оценки помехоустойчивости;
-
Анализ и выделение характерных зависимостей эффективности ПМ от свойств радиоканала и матрицы системы (МС), точности оценки параметров МС, применения сопутствующих алгоритмов обработки;
-
Сравнительный анализ существующих алгоритмов обработки на приемной стороне и разработка нового метода коллективной демодуляции;
-
Сравнительный анализ существующих алгоритмов группировки пользователей в системе МП-MAC (MU-MIMO) и разработка нового на основе проделанных исследований (см. п.4).
Методы научного исследования
Основные результаты работы были получены на основе применения статистической радиотехники; теории цифровой связи; теории вероятностей; теории связи с подвижными объектами; теории информации; теории оптимизации; высшей алгебры;
векторного анализа; теории матриц; математической статистики и статистического моделирования; имитационного компьютерного моделирования. Научная новизна работы
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработана новая физическая стохастическая модель реального радиоканала, которая, с одной стороны, достаточно компактна, для того чтобы проводить моделирование трасс с набором статистики весьма большого объема, а с другой стороны отражает основные реальные характеристики каналов МІМО для часто встречающихся на практике трасс распространения радиоволн;
-
На основе этой модели предложен способ классификации трасс распространения в зависимости от дальности связи и уровня многолучевости, базирующийся на обусловленности канальных матриц. Для трасс каждого типа получены обширные статистические данные об эффективности функционирования пространственного мультиплексирования, позволяющие определить целесообразные области использования этого метода мультиплексирования;
-
Предложен новый способ группировки пользователей на канальном уровне в системе МП-MAC. На основе данного метода был разработан алгоритм, который совпадает по эффективности с наилучшим из предложенных ранее, поэтому может рассматриваться как альтернативный подход для достижения наилучшей помехоустойчивости. Кроме того, преимуществом предложенного алгоритма является его слабая чувствительность к группировке пользователей с различными значениями отношения сигнал/шум;
-
Предложен новый метод коллективной демодуляции с использованием теории выпуклой оптимизации, который в некоторых случаях оказывается более эффективным других упрощенных методов (линейных и итерационных), приближаясь по эффективности к демодулятору максимального правдоподобия.
Практическая ценность результатов диссертации
Практическая ценность диссертации состоит в следующем:
-
Разработанная модель реального радиоканала может использоваться при моделировании реальных систем связи во время их разработки;
-
В диссертационной работе приводятся рекомендации по рациональному применению МАС в режиме ПМ;
-
Предложенный метод коллективной демодуляции, основанный на численных методах выпуклой оптимизации, может быть эффективно применен в системах связи с использованием MIMO;
-
Предложенный способ группировки пользователей в системе МП-MAC может применяться для достижения максимальной помехоустойчивости.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы по части разработки модели беспроводного канала связи, исследований методов коллективной демодуляции, эффективности ПМ в реальных радиоканалах, алгоритмов группировки пользователей в системе МП-МАС были использованы при разработке приемного устройства базовой станции системы беспроводной связи LTE, что подтверждено соответствующим актом о внедрении.
Результаты исследований МАС в рамках данной диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры радиотехнических систем (РТС) федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (ФГО-БУ ВПО МТУ СИ) в виде трех лабораторных работ, что подтверждено соответствующим актом о внедрении. Апробация диссертации
Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили высокую оценку на следующих научных конференциях: научно-техническая конференция «Цифровые технологии радиосвязи и телерадиовещания» 27 апреля - 29 апреля 2010 года в рамках молодежного форума «Телекоммуникации и Информационные технологии», г. Москва, Московский Технический Университет Связи и Информатики; 6-ая отраслевая научная конференция «Технологии информационного общества» 14 февраля - 15 февраля 2012 года, г. Москва, Московский Технический Университет Связи и Информатики; 5-й международный форум информационных технологий «ITFORUM 2020» 18 апреля - 20 апреля 2012 года, г. Нижний Новгород; Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2012» 3 декабря - 7 декабря 2012 года, г. Москва, Московский Государственный Технический Университет Радиотехники,
Электроники и Автоматики (доклад получил высокую оценку жюри и был отмечен
дипломом данной конференции).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России (3 работы), в материалах международных и отраслевых конференций (4 работы). Опубликованы лабораторные работы для кафедры радиотехнических систем ФГОБУ ВПО МТУСИ по тематике диссертационных исследований (3 работы). Всего опубликовано 10 работ. Основные положения, выносимые на защиту
-
Многоантенные системы с пространственным мультиплексированием действительно позволяют повысить спектральную эффективность, однако реальный радиоканал оказывает существенное влияние на эффективность применения данного способа уплотнения, поэтому ПМ требует рационального подхода к практическому применению;
-
Разработан метод коллективной демодуляции на основе численных методов выпуклой оптимизации, который превосходит по эффективности большинство других упрощенных методов;
-
Разработан способ группировки пользователей в системе МП-MAC, основанный на минимизации обусловленности канальных матриц формируемых сочетаний пользователей. Построенный на его основе алгоритм совпадает по эффективности с наилучшим из предложенных ранее, поэтому может рассматриваться как альтернативный подход для достижения наилучшей помехоустойчивости.
Личный вклад автора
Диссертант принимал непосредственное участие, как в постановке задач, так и в расчетах, построении аналитических моделей, реализации компьютерного моделирования, обсуждениях и физической интерпретации результатов. Объем диссертации
Диссертация состоит из списка сокращений, введения, четырех глав, заключения и списка литературы, а также одного приложения. Общий объем диссертации составляет 137 страниц, включая 53 рисунка и 12 таблиц. Список литературы состоит из 103 наименований.
Похожие диссертации на ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОАНТЕННЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РЕЖИМЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ
