Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Развитие беспроводных систем. существующие методы построения приемо передающего тракта 14
1.1 Архитектура беспроводных самоорганизующихся сетей с переменной топологией. Существующие стандарты персональной беспроводной связи 16
1.2 Физический уровень на основе сверхширокополосных сигналов как приоритетный вариант построения беспроводных систем связи 18
1.3 Вычислительные платформы с процессорами общего назначения для локальных систем связи 25
ГЛАВА 2. Методика разработки физического уровня беспроводной сети на основе теоретического анализа способов построения сигнальных конструкций 28
2.1 Характеристики качества оптимального приемника для модуляции без памяти. Сравнение различных типов модуляции 28
2.2 Обеспечение необходимой скорости передачи в рамках разрабатываемого физического уровня. Компромисс - скорость передачи/помехоустойчивость/простота реализации 34
2.3 Последовательный детектор максимального правдоподобия как пример оптимальной демодуляции для каналов с памятью 39
2.3.1 Оптимальный приемник для канала с межсимвольной интерференцией 41
2.3.2 Алгоритм Кловского-Николаева для оптимального посимвольного приема 44
2.3.3 Модель канала дискретного времени с межсимвольной интерференцией 46
2.3.4 Алгоритм Витерби для модели канала с дискретным временем и белым шумом 47
2.3.5 Методы решения проблемы вычислительной сложности алгоритма МГШП для декодирования принятой последовательности. Разработанный алгоритм оптимального
приема в целом на основе частотно-временных кластеров данных 50
2.3.6 Помехоустойчивость алгоритма МГШП для канала связи с МСИ при использовании независимых субпоследовательностей. Сравнение качества с существующими алгоритмами 59
2.4 Синхронизация. Особенности синхронизации в сверхскоростных беспроводных сетях 65
2.4.1 Фазовая синхронизация 66
2.4.2 Символьная синхронизация 68
2.4.3 Сетевая синхронизация 70
2.5 Спектральная эффективность разработанных методов передачи информации 72
ГЛАВА 3. Практическая реализация альтернативного физического уровня беспроводной высокоскоростной сети 74
3.1 Принцип работы альтернативного физического уровня, разработанного на основе предложенных методов передачи данных 74
3.2 Реализация синхронизации с использованием Mill ill детектора 83
3.3 Принципиальная схема устройства - адаптера беспроводной
сети. Блок-схемы и алгоритмы работы физического уровня 83
3.3.1 Блок-схемы устройства 83
3.3.2 Алгоритм формирования сигнальных конструкций и демодуляции данных 89
3.4 Реализация методов параллельного формирования сигнальных
конструкций и адаптивного декодирования на основе процессоров
общего назначения с различным количеством вычислительных ядер 91
3.5 Способы организации излучающих структур 95
ГЛАВА 4. Качество разработанных алгоритмов передачи информации в высокоскоростных беспроводных сетях на основе результатов моделирования приемо-передающего тракта 100
4.1 Имплементация физического уровня беспроводной сети в области частот [3,1-10,6] ГГЦ как пример использования разработанных методов передачи. Потенциальная пропускная способность. Частотное планирование 100
4.2 Теоретические модели каналов связи, используемые при проектировании беспроводных систем связи 101
4.3 Помехоустойчивость различных типов простейшей модуляции (ФМ-2, ЧМ-2, ЧММС) 110
4.4 Помехоустойчивость при различной скважности 115
4.5 Помехоустойчивость при различной точности оценки импульсной характеристики канала связи и точности АЦП 118
4.6 Исследование спектральной эффективности различных методов модуляции при построении многополосных систем связи 120
4.7 Основные характеристики разработанного физического уровня в сравнении с существующими методами передачи информации в беспроводных высокоскоростных системах 124
Заключение 131
Глоссарий 133
Библиографический список
- Физический уровень на основе сверхширокополосных сигналов как приоритетный вариант построения беспроводных систем связи
- Обеспечение необходимой скорости передачи в рамках разрабатываемого физического уровня. Компромисс - скорость передачи/помехоустойчивость/простота реализации
- Реализация синхронизации с использованием Mill ill детектора
- Теоретические модели каналов связи, используемые при проектировании беспроводных систем связи
Введение к работе
На сегодняшний день острой проблемой развития высокоскоростных персональных сетей стало отсутствие доступного, технически реализуемого решения для физического уровня. До недавнего времени технологии 802.15.1 (коммерческое название - Bluetooth) и 802.11 (коммерческое название Wi-Fi) были единственными способами организации сетей. Скорости передачи данных в них (до 100 Мбит/с) явно не соответствовали возрастающим потребностям пользователей. В феврале 2002 года Федеральная Комиссия по связи США (FCC - Federal Communications Commission) предложила использовать частотный диапазон [3,1-10,6] ГГц для коммерческих приложений [1], что послужило поводом созданию альянса компаний Multi-Band OFDM association (МВОА) во главе с фирмой Intel. Результатом работы альянса стала выработка предложений для комитета института IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) по организации физического уровня и пользовательского доступа для высокоскоростных беспроводных сетей. Суть данных предложений сводилась к разбиению предложенного диапазона на поддиапазоны, ведению передачи поочередно в каждом из поддиапазонов и использованию технологии ортогонального уплотнения несущих (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) для борьбы с многолучевостью [2]. На канальном уровне планировалось использовать метод временного разделения каналов с коммутацией пакетов для организации множественного доступа.
Из-за ряда существенных недостатков данного способа передачи информации описанные выше предложения не приобрели статуса стандарта в комитете IEEE. Основными проблемами стали: технологическая сложность устройств, высокая стоимость, невозможность обеспечить высокую пропускную способность. На текущий момент разработаны прототипы устройств беспроводной универсальной последовательной шины (wireless universal serial bus - WUSB), где используется физический уровень с максимальной скоростью передачи 480 Мбит/с, работающий в полосе 1,5 ГГц, что покрывает лишь 20% разрешенного диапазона.
Таким образом, одной из актуальных научных проблем телекоммуникации и развития систем связи является разработка методов организации высокоскоростного приемо-передающего тракта в персональных беспроводных сетях с возможностью масштабирования частотного диапазона и устойчивой работы в условиях сложной помеховой ситуации. Именно высокоскоростная передача данных представляет особый интерес, т.к. эта технология позволяет заместить имеющиеся проводные каналы (соединения между компьютерами, соединения системного блока с монитором и т.д.) беспроводными, существенно упростив высокоскоростной доступ в сеть [3].
Объектом исследования данной работы являются методы организации передачи данных в беспроводных сетях.
Предмет исследования - физический уровень беспроводной сети.
Цель работы - анализ и разработка архитектуры, протоколов и алгоритмов обработки сигналов для высокоскоростных беспроводных персональных самоорганизующихся сетей передачи данных с переменной топологией (AD-НОС) и широким набором требований по качеству обслуживания.
Научная новизна диссертации состоит в разработанных методах передачи данных на основе субпоследовательностей, позволяющих существенно упростить вычислительную сложность детектора, работающего по принципу максимального правдоподобия принятой последовательности (МППП). Использование МППП детектора реализует оптимальный прием сигналов в целом в каналах с межсимвольной интерференцией (МСИ) и повышает помехоустойчивость по сравнению с посимвольным приемом, используемом в известных алгоритмах Витерби и АКН [4]. Кроме того, разработанный метод приема позволяет избежать процедуры оценки ИХ канала связи и вычисления свертки полученной оценки с принимаемыми данными, взамен чего опорные последовательности формируются из тестовых данных напрямую. Для предложенных алгоритмов детектирования сигналов в работе приведен анализ помехоустойчивости и найдена верхняя граница вероятности ошибочного приема для каналов с МСИ.
На основе предложенных методов разработан протокол передачи данных для высокоскоростных беспроводных сетей. В целях повышения пропускной способности сети и организации множественного доступа в протоколе используется технология быстрого и медленного перескока частот (ПРЧ), посредством которой формируются частотно-временные кластеры, на основе которых была разработана гибридная схема коммутации данных [5].
Суть гибридной схемы состоит в использовании коммутации пакетов для передачи служебного и низкоскоростного трафика и коммутации каналов для высокоскоростного потокового трафика. Преимуществом данной схемы является низкий уровень задержек (критичных для мультимедийных данных), эффективное использование предоставленного частотного диапазона и возможность применения элементов кросс-уровневого взаимодействия для адаптивного изменения качества обслуживания, что полностью соответствует поставленным критериям работы физического уровня.
Для разработки устройства - адаптера беспроводной сети, предложен новый метод проектирования приемопередающего тракта, являющийся логическим продолжением архитектуры Армстронга [6], на основе которой построено большинство современных беспроводных устройств. Суть подхода сводится к замене специальных блоков для детектирования данных в приемо-передающем тракте (например, модулей беспроводного доступа 802.1х) процессорами общего назначения (general propose unit - GPU) с многоядерной гомогенной архитектурой, которые используются совместно с такими блоками во многих цифровых устройствах (таких как персональный компьютер, переносной компьютер, мобильный коммуникатор и т.д.). Таким образом появляется возможность создания универсального адаптера беспроводной связи с возможностью поддержки всех доступных протоколов передачи данных. Более того, при разработке и поддержке новых протоколов возникает необходимость добавления новой функциональности в программное ядро вместо проектирования новых коммутационных устройств. Технологическую реализуемость данного подхода иллюстрируют вычислительные способности современных GPU (например, производительность процессора Intel Core Duo 2.66 GHz составляет 20 миллиардов операций в секунду (Giga Instruction Per second - GIPS), Intel Xeon 2CPU x 4Core - порядка 100 GIPS, а графического процессора Nvidia -порядка 300 GIPS) [7,8], что с учетом низкой вычислительной сложности разработанных схем детектирования говорит о возможности использования серийных процессоров для сигнальной обработки в высокоскоростных беспроводных сетях связи.
Также, в работе приведен теоретический расчет оптимальных параметров передачи данных для класса приемо-передающих устройств, использующих технологию ПРЧ в каналах связи с замираниями.
Практическую ценность исследования представляют:
? разработанные методы передачи информации в средах с сильным влиянием замираний, отличающиеся высокой помехоустойчивостью и сравнительно низкой вычислительной сложностью;
? разработанный метод анализа параметров канала связи без оценки ИХ канала;
? разработанная схема коммутации цифровых данных для повышения пропускной способности беспроводных высокоскоростных сетей;
? внедрение результатов работы в исследованиях и разработках компании АНО УНЦ "Радиотехника".
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях автора:
1. Архитектура самоорганизующихся беспроводных сетей, использующих сверхширокополосные сигналы [Текст] /В.Ю.
Аристархов [и др.] // Труды НГТУ. Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. - Т. 44. - Вып. 9. — Н.Новгород: НГТУ. - 2004. - С. 83-91.
2. Разработка физического уровня и моделирование персональных беспроводных сетей, использующих сверхширокополосные сигналы [Текст] / В.Ю. Аристархов [и др.] // Труды НГТУ. Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. - Т. 44. — Вып. 9. — Н.Новгород: НГТУ. - 2004. - С. 75-83.
3. Аристархов В.Ю. Разработка и моделирование работы физического уровня для персональных беспроводных сетей, использующих сверхширокополосные сигналы [Текст] // Молодежь и современные информационные технологии: Сборник трудов II Всероссийской научно-практической конференции студентов. - Томск, ТПУ, 25-26 февраля 2004г. - Томск: ТПУ. - 2004.
4. AD-HOC Circuit Switching Wireless Network Based on the UWB Technology I Vasily Aristarhov [et al.] [Текст] II 2nd IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications. - 2004. — P. 969-975.
5. Аристархов В.Ю., Кучинова Д.В., Швецова Т.А. Основные положения анализа и способов построения систем связи использующих сверхширокополосные сигналы [Текст] /Аристархов В.Ю., Кучинова Д.В., Швецова Т.А. // Труды НГТУ. Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. - Т. 55. — Вып. 10. — Н.Новгород: НГТУ. - 2005. - С. 92-99.
6. Аристархов В.Ю., Казакова О.В., Кучинова Д.В., Швецова Т.А. Аспекты построения физического уровня беспроводной высокоскоростной сети [Текст] / Аристархов В.Ю., Казакова О.В., Кучинова Д.В., Швецова Т.А. // Сборник трудов второй международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". — Спб.: Изд-во Политехи, ун-та. - 2006. - Т.4. - С. 14-19.
7. Аристархов В.Ю., Крылов В.В. Исследование и разработка физического уровня для высокоскоростных беспроводных сетей с коммутацией каналов [Текст] / Аристархов В.Ю., Крылов В.В. // Сборник трудов седьмой всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники". -Красноярск: КГТУ. - 2006. - С. 520-523.
8. Аристархов В.Ю., Крылов В.В. Разработка физического уровня сверхширокополосной беспроводной сети с коммутацией каналов [Текст] / Аристархов В.Ю., Крылов В.В. // Сборник трудов международной конференции "Математические методы в технике и технологиях" - Воронеж. - 2006. - Т. 8. - С. 185-187.
9. Vasily Aristarkhov, Vladimir Krylov. The architecture design of physical layer for high data-rate wireless networks [Текст] I Vasily Aristarkhov, Vladimir Krylov II The 10th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics. - ISBN: 980-6560-65-5 (Collection), 980-6560-67-1 (Volume II). - 2006. - P. 175-177.
10. Аристархов В.Ю. Высокоскоростная беспроводная сеть передачи данных с множественным доступом на основе коммутации каналов. // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов [Текст] / учредитель ООО "Редакция Журнала научных публикаций аспирантов и докторантов" - Курск. - 2007 №7-8. - ISSN 1991-3087. - С. 105-106. -1000 экз.
11. Аристархов В.Ю. Крылов В.В. Построение физического уровня беспроводной сети на основе время частотных кодов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов [Текст] / учредитель ООО "Редакция Журнала научных публикаций аспирантов и докторантов" -Курск. - 2007 №7-8. - ISSN 1991-3087. - С.100-103. - 1000 экз.
12. Аристархов В.Ю., Казакова О.В. Конвергенция информационных технологий с позиций концепции технологического детерминизма // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов [Текст] / учредитель ООО "Редакция Журнала научных публикаций аспирантов и докторантов". - Курск. - 2007 №7-8. - ISSN 1991-3087. - С.103-105. -1000 экз.
13. Vasily Aristarkhov. Circuit-switching physical layer based on time-frequency coding for multi-band UWB wireless networks [Текст] I Vasily Aristarkhov II The International Wireless Communications and Mobile Computing Conference 2008. - Greece, 2008. - in press.
14. Пат. 2291572 Российская Федерация, МПК Н 04 В 7/24, Н 04 J 4/00. Способ беспроводной локальной связи / В.Ю. Аристархов [и др.].; патентообладатель АНО УНЦ "Радиотехника". - № 2005110517/09; заявл. 11.04.05; опубл. 10.01.07, Бюл. № 1.
Среди вышеперечисленных материалов, три статьи были опубликованы в рецензируемом журнале ВАК "Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов", от августа 2007 года. Кроме того, результаты работы внедрены в разработках компании АНО УНЦ "Радиотехника", что подтверждает акт внедрения (Приложение А). Также, на представленное в работе изобретение, имеется патент РФ № 2291572 "СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ СВЯЗИ" от 11 апреля 2005г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10 января 2007г. (Приложение Б). Для проведения исследования был получен грант №323 0709-4-56 по программе "Старт" Министерства Образования РФ.
Основные положения диссертации были представлены и обсуждены на следующих конференциях:
1. «Сверхскоростная беспроводная сеть с переменной топологией». Семинар. Нижегородский Государственный Университет. Декабрь 2004 г.
2. "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Санкт-Петербург, февраль 2006 г.
3. 10-я Научная конференция по радиофизике, Нижегородский Государственный Университет, Нижний Новгород 5 мая 2006 г.
4. 19-ая Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях". Воронеж 2006 г.
5. "The 10th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics: WMSCI 2006", Orlando, Florida, July 2006.
Структура диссертационной работы.
В первой главе приводится описание существующих способов передачи информации в высокоскоростных беспроводных системах. Изложены их основные достоинства и недостатки, описаны причины, требующие разработки новых способов организации физического уровня. Приведена оценка вычислительной сложности проектируемого устройства.
Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию разработанных методов передачи данных. Приведен качественный анализ помехоустойчивости и вычислительной сложности предложенных способов организации физического уровня. Найдены оптимальные параметры ведения передачи в условиях многолучевого распространения по критерию скорость передачи/вычислительная сложность.
В третьей главе изложены алгоритмы работы физического уровня, приведены схемы функционирования устройства - адаптера беспроводной сети, как на основе специализированных процессоров, так и на основе процессоров общего назначения. Для случая использования процессоров общего назначения приведены оптимизированные алгоритмы обработки данных с использованием параллельных вычислений на основе многоядерных систем. Кроме того, произведена оценка сложности алгоритмов и найдены максимальные скорости передачи данных в зависимости от вычислительных мощностей.
В четвертой главе приведены результаты моделирования разработанных методов передачи в условиях работы в средах с замираниями. Для моделирования были использованы модели каналов связи с многолучевым распространением, разработанные комитетом IEEE на основе эмпирических данных [9]. Результатом экспериментов стали графики качества приема в зависимости от различных параметров, как-то отношение сигнал/шум, скорость передачи, точность оценки импульсной характеристики (ИХ) канала, точность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), влияние фильтрации и т.д.
В конце каждой главы изложены выводы по результатам теоретических и экспериментальных этапов проведенного исследования.
Завершает диссертационную работу глоссарий, где приведена расшифровка терминов, используемых при изложении материала, библиографический список литературы и приложение, где приведены акт внедрения результатов исследования и патент на изобретение, представленное в диссертации.
Физический уровень на основе сверхширокополосных сигналов как приоритетный вариант построения беспроводных систем связи
Суть технологии построения систем связи на основе сверхширокополосных сигналов — передача маломощных кодированных импульсов в очень широкой полосе без несущей частоты. В эфир излучается не гармоническое колебание, а сверхкороткий импульс, или моноимпульс, длительность которого может колебаться в пределах 0,2—2 не, а период импульсной последовательности составляет от 10 до 1000 не.
Информация в СПИТ связи передается посредством времяимпульсной модуляции с использованием коммутации нано- или субнаносекундных импульсов. Времяимпульсная модуляция представляет собой смещение излучаемого импульса во времени по псевдослучайному закону, которая позволяет распределить энергию в широкой полосе частот, а сам сигнал сделать шумоподобным.
В результате отпадает необходимость использовать в СШП передатчике усилители мощности и цепи преобразования частоты, что существенно уменьшает стоимость и энергопотребление импульсных приборов. Однако, в СШП устройствах предъявляются жесткие требования к коммутирующим элементам, которые должны иметь очень высокое быстродействие (порядка 10-100 пс) и быть стабильными.
Можно выделить два принципиальных решения по способу организации приемопередающего тракта при использовании широкополосных сигналов. Первое из них основано на импульсном подходе при использовании кодового разделения каналов. Для более эффективного использования диапазона (по сравнению с использованием импульсов гауссовой формы) передача данных осуществляется широкополосными радиоимпульсами, форму сигнала которых можно представить в виде: up(t) = —[l-cos(2nfst)]cos(27fct) при 0 1//5. (1.2)
Частотная полоса, занимаемая импульсом, управляется двумя параметрами: /с - центральная частота импульса, а /, — ширина спектра импульса, при этом длительность импульса определяется из условия (1-1) (см. рисунок 1.2). Информация передается путем фазовой модуляции данных импульсов.
Кроме того, вся используемая полоса разбивается на поддиапазоны, и в каждом поддиапазоне выбираются свои параметры импульса, для того чтобы соседние поддиапазоны не перекрывались. Модуляция сигнала производится в нескольких поддиапазонах для более эффективного использования разрешенной частотной полосы.
Разделение на поддиапазоны позволяет динамически управлять спектром сигнала, исключая те поддиапазоны, в которых возможна нежелательная интерференция с мощными узкополосными сигналами, а также удовлетворять ограничениям, накладываемым на излучаемый спектр сигнала правилами, действующими в определенной стране или регионе.
Данное решение предполагает осуществлять канальное кодирование кодером Рида-Соломона с изменяемыми параметрами, зависящими от режима передачи. Затем производится М-нарное двоичное ортогональное кодирование битовой последовательности и производится ее временное перемежение (рисунок 1.3). Блок перемежителя в условиях малого отношения сигнал/шум представляется необходимой составляющей для минимизации вероятности приема ошибочных бит.
Блок-схема приемо-передающего устройства на основе кодового разделения каналов с использованием СШП сигналов Передатчик.
Кодирование данных, как показано на рисунке, осуществляется кодером Рида-Соломона с изменяемыми параметрами, зависящими от режима передачи. Блок "маска пиконета" (пиконет, или пикосеть, — элементарная ячейка локальной сети, в которой все конечные устройства соединены с базовым узлом) производит расширение спектра исходного информационного сигнала кодом прямой последовательности для разделения различных пиконетов, причем внутри пиконета последовательность одна и та же, но с разным начальным сдвигом. Затем к полученной кодовой посылке добавляется преамбула, назначение которой — проверка незанятости канала, идентификация канала и синхронизация часов на передающем и принимающем устройствах. Затем производится модуляция сигнала квадратурной или бинарной фазовой манипуляцией, причем центральная частота импульсов /с после передачи каждых N импульсов "перескакивает" на середину следующего поддиапазона, а по достижении последнего поддиапазона— на первый (рисунок 1.4). В этом случае биты исходной последовательности оказываются "размазанными" по всему частотному диапазону, что существенно повышает надежность приема. При невозможности или нецелесообразности передачи в той или иной полосе (например, плохая помехо-сигнальная ситуация, действующие ограничения регламента на использование данного частотного диапазона или небольшая требуемая скорость передачи), данная полоса просто исключается из цикла.
Обеспечение необходимой скорости передачи в рамках разрабатываемого физического уровня. Компромисс - скорость передачи/помехоустойчивость/простота реализации
Определим требования к эффективности, накладываемые на физический уровень беспроводной сети: 1) увеличение скорости передачи до максимально возможной. 2) Минимизация вероятности появления битовой ошибки. 3) Минимизация потребляемой мощности. 4) Минимизация конструктивной сложности системы и вычислительной нагрузки.
Существуют несколько сдерживающих факторов и теоретических ограничений, которые неизбежно влекут за собой компромиссы в любых системных требованиях. В нашем случае они следующие:
1) Спектральная маска FCC на эффективное изотропное излучение. В случае работы в диапазоне [3,1 - 10,6] ГГц при использовании эффективной полосы в 500 МГц на частотный канал и уровне излучения в минус 41,3 дБм/МГц (7,4-Ю-5 мВт/МГц), максимальная мощность излучения на один частотный канал составит Р = 500 МГц -7,4-Ю-5 мВт / МГц = 0,037 мВт. Столь малая мощность накладывает существенное ограничение на выбор типа модуляции.
2) Минимальная теоретически требуемая ширина полосы частот по Найквисту (теорема Котельникова). Из теории известно, что минимальная полоса сигнала требуемая для передачи R немодулированных символов за секунду равна R/2. А с учетом использования реальных фильтров - (0,6-0,8) R.
3) Теорема о пропускной способности Шеннона (предел Шеннона) Выражение для пропускной способности в случае гауссовского частотно ограниченного канала можно записать следующим образом: C = Wlog2(l + jj), (2.15) где С - пропускная способность канала, W - полоса пропускания канала, отношение сигнал/шум, Eb S(W\ ТГЖЇУ (2Л6) — отношение полосы пропускания канала к битовой скорости Используя (2.15) и (2.16) можно получить следующее выражение: Ь- = (2 "-1). (2.17) Вывод (2.17) представлен в [22]. Теоретически, при использовании достаточно сложной схемы кодирования, информацию по каналу можно передавать с любой скоростью R C со сколь угодно малой вероятностью р возникновения ошибки при отношении —больше предела Шеннона,
Используя выражение (2.17) и вероятности ошибочного приема для различных типов модуляции (2.1), (2.6), (2.13) можно получить наглядный график зависимости эффективности канала от ширины полосы пропускания -"полоса - эффективность" (рисунок 2.4) [22]. Данный график описывает вероятности ошибочного приема при влиянии белого шума и не учитывает влияние соседних каналов друг на друга в многоканальной системе передачи. По данному графику можно сделать лишь первоначальный вывод о необходимом типе модуляции. По графику, изображенному на рисунке 2.4, можно сделать вывод, что для работы в условиях ограниченной мощности наиболее подходящими методами модуляции оказываются М-арная ЧМ, а также 2 и 4-х позиционная ФМ.
На приемной стороне был использован обычный некогерентный частотный детектор, что обеспечивало простую схему синхронизации и простоту самого приемника. Основным недостатком данной схемы является низкая эффективность использования мощности передаваемого сигнала, т.е. проигрыш бинарной фазовой модуляции (ФМ-2) составляет приблизительно 6 дБ. Таким образом, при использовании этого типа модуляции необходимо учитывать высокие требования по исправляющей способности, предъявляемые к кодеку (использование турбо-кодов). Отличительной положительной чертой данного типа модуляции является малый уровень боковых лепестков спектральной плотности мощности модулированного сигнала (рисунок 2.5) [22], что особенно важно при построении физического уровня в виде многополосной системы.
Реализация синхронизации с использованием Mill ill детектора
На рисунках 3.5 и 3.6 приведены схемы устройства — разработанного адаптера беспроводной сети, использующего сверхширокополосные сигналы на основе специализированных процессоров и процессоров общего назначения. На схемах показано возможное взаимодействие адаптера с основными шинными протоколами - PCI (Peripheral Component Interconnect), PCI express, USB (Universal Serial Bus).
Принцип функционирования устройства следующий [41]: Сигнал с излучающей структуры (к которой относится как сама антенна, так и аналоговый полосовой фильтр для частотного канала) поступает на вход малошумящего усилителя (МТУТУ), коэффициент усиления которого регулируется с помощью блока автоматической регулировки усиления (АРУ). Блок преобразователя частоты в область основной полосы осуществляет преобразование с несущей частоты с помощью опорных сигналов, поступающих из блока КВЧК коммутационная матрица. Данным блоком управляет сигнальный процессор, который в зависимости от КВЧК текущего частотного канала коммутирует на выход блока КВЧК коммутационная матрица нужный опорный сигнал (несущую). Все необходимые опорные сигналы для модуляции/демодуляции формируются в блоке генератора частотной сетки. После усилителя сигнал подается на вход аналого-цифрового преобразователя. Далее осуществляется демодуляция принятой цифровой последовательности символов на основе правила МППП (в блоке демодулятора цифровой последовательности), подробная схема которого приведена на рисунке 3.7.
Полученный цифровой сигнал после блока демодулятора цифровой последовательности поступает на вход помехоустойчивого декодера, который исправляет ошибки, возникшие в канале, и удаляет внесенную избыточность. Далее цифровые данные поступают на вход коммутационной матрицы, где они могут быть скоммутированы с другим физическим каналом и/или отправлены в блок Кодек, который служит для поддержания необходимого качества обслуживания данной системы (данным блоком управляет сигнальный процессор — который в зависимости от условий различным образом производит сжатие информации). Также в блоке коммутационная матрица данные от верхнего уровня попадают в конкретный физический канал.
Данные, которые необходимо отправить верхнему уровню с выхода блока "кодек" могут поступать в PCI адаптационный блок, USB адаптационный блок или DVI адаптационный блок в зависимости от их предназначения. PCI согласующий блок - это контроллер, который поддерживает интерфейс с шиной PCI, имеет входной/выходной буферы для согласования передачи данных с блоком кодек. USB согласующий блок - это контроллер, который реализует функциональность USB шины, имеет входной/выходной буферы для согласования передачи данных с блоком кодек. DVI согласующий блок — это контроллер поддерживающий DVI интерфейс, служащий для передачи потокового видео, работающий непосредственно с различными видеокартами. Данный блок также имеет входной/выходной буферы для согласования передачи данных с блоком кодек. Полученные цифровые данные модулируются и переносятся на несущую частоту.
Для поддержания инфраструктуры сети, организации множественного доступа и маршрутизации, используется служебный физический канал, основанный на коммутации пакетов и технологии случайного доступа. При этом ДВЧК и КВЧК законы, определяющие данный физический канал являются предопределенными. Все устройства сети используют служебный канал для вхождения в сеть, рассылки запросов о занятии/освобождении сетевых ресурсов и периодического обмена таблицами маршрутизации. В таблице маршрутизации содержится информация о том, какой частотно-временной ресурс использует данное и соседние устройства. Таким образом каждое устройство имеет информацию о доступности ресурса сети и возможности организации новых физических каналов. Более подробно алгоритмы работы сетевого и MAC уровней описаны в [39,41] и приложении 2.
Данные, которые устройство отправляет другому устройству в определенном физическом канале, после блока коммутационной матрицы подаются на вход помехоустойчивого канального кодера который вносит необходимую избыточность. Полученный цифровой сигнал подается на вход блока формирователя субпоследовательности где осуществляется формирование символов согласно КВЧК и ДВЧК законам (данные законы определяются согласно таблицы маршрутизации). Цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в блоке ЦАП. Далее аналоговый сигнал поступает на вход импульсного усилителя и в антенно-фидерный тракт.
На рисунке 3.6 приведена схема устройства с использованием процессоров общего назначения. Здесь процесс демодуляции/декодирования, кодирования/декодирования реализованы программным образом на основе многоядерных вычислительных устройств. Кроме того, процессоры общего назначения используется для организации канального и сетевого уровня.
Цифровые данные из блока АЦП поступают через шину PCI Express в оперативную память GPU, где далее обрабатываются процессором. Блок North Bridge реализует сопряжение программной части адаптера с модемной частью. В следующий главе приведен алгоритм демодуляции/декодирования, основанный на специализированных инструкциях Intel х86 архитектуры. Аналогичным образом реализован модулятор и помехоустойчивый кодер.
Теоретические модели каналов связи, используемые при проектировании беспроводных систем связи
На рисунках 4.6 - 4.9 приведена помехоустойчивость модели при работе в каналах связи СМ1 — СМ4 соответственно. Точность оценки ИХ канала принималась равной текущему отношению сигнал/шум со сдвигом за счет усреднения шума при повторении тестовой последовательность и равной 5дБ. В значениях среднеквадратичной ошибки погрешность была принята равной 0,15. Скважность передачи была выбрана равной 3, что позволяет сделать субпоследовательности независимыми. Также, при таком выборе скважности возможно увеличить мощность за счет использования нескольких поднесущих. Был промоделирован один физический канал в полосе [4,6 — 5,2] ГГц, а также было произведено моделирование в области основной полосы. Расчет бюджета канала связи, приведенный в [49] показывает, что физический уровень, построенный на основе предложенных методик может быть реализован в области частот [3,1 — 10,6]ГГц с учетом требований FCC. При моделировании были использованы АЦП с частотой взятия выборки 400 МГц по синфазной и квадратурной составляющим. Качество разработанных алгоритмов было оценено посредством получения зависимости вероятности появления ошибочных бит на выходе демодулятора (Коэффициент битовой ошибки) от отношения сигнал/шум.
Полученные зависимости свидетельствуют о том, что наилучшей помехоустойчивостью среди рассмотренных методов модуляции обладает бинарная фазовая модуляция. При этом выигрыш от использования фазовой модуляции составляет порядка 2-3 дБ, что хорошо согласуется с рассчитанной верхней границей вероятности ошибочного приема в каналах с замираниями (2.85). Результаты моделирования качества приема разработанных методов с использованием помехоустойчивых кодеков приведены в [50].
На рисунках 4.10 — 4.13 приведены графики помехоустойчивости при различной скважности передачи, полученные с помощью моделей каналов связи - СМ1-СМ4. Значения переменной df соответствуют различным параметрам скважности передачи (df 1 — скважность равна 1, df2 — скважность равна 2 и т.д.) Из графиков видно, что внесение пустых временных интервалов для организации независимых субпоследовательностей позволяет существенно улучшить помехоустойчивость приема. Минимальное значение скважности, при котором достижимо улучшения качества приема равно двум. Выбор данного параметра зависит от конкретных требований, предъявляемых к физическому уровню.
Помехоустойчивость разработанной схемы приема в зависимости от длительности интервала, обеспечивающего независимость субпоследовательностей (скважности). Модель канала СМ4, тип модуляции ФМ-2, неидеальная оценка ИХ канала
Полуученые зависимости подтверждают тезис о том, что использование независимых частотно-временных кластеров данных позволяет улучшить помехоустойчивость приема. При этом увеличения скважности а, следовательно, вводимого интервала между соседними субпоследовательностями до значений превышающих длительность МСИ канала не ведет к дальнейшему росту помехоустойчивости.
На рисунке 4.14 приведены графики помехоустойчивости при различной точности оценки ИХ канала. Как показано в главе 3, ИХ канала оценивается с помощью тестовых последовательностей. Для уточнения оценки используется способ усреднения за счет повторения передачи, который определяется с помощью параметра - сдвиг ОСШ, означающий увеличение действительного отношения сигнал/шум. В значениях среднеквадратичной ошибки отклонения, погрешность оценки лежит в пределах [0,15-0,06] в зависимости от текущего отношения сигнал/шум.
На рисунке 4.15 показана зависимость качества приема от разрядности АЦП. Частота выборки была взята равной 400 МГц .
Видно, что увеличение разрядности АЦП более 4 бит нецелесообразно по причине отсутствия соответственного улучшения помехоустойчивости. Трехразрядный АЦП является достаточным для обеспечения КОШ = 0,001.
