Введение к работе
Актуальность проблемы. Все большую популярность среди специалистов и потребителей услуг связи завоевывают технологии радиодоступа. Долгое время они находились в тени сотовой связи и воспринимались как второстепенные и вспомогательные, с помощью которых замещались традиционные проводные технологии. Однако в настоящее время технологии стремительно выходят на первый план благодаря новым способам формирования и обработки сигналов, новым сценариям предоставления услуг связи, снижению стоимости оборудования и упрощению его применения. Еще более серьезным аргументом «за» радиодоступ является постоянное увеличение пропускной способности, доступной абоненту. За период (1989-2011 гг.) увеличение составило сотни раз (с 1 до 300 Мбит/с) и неудержимо продолжается благодаря непрерывному внедрению новейших научных и технологических решений.
Удобство и высокое качество услуг связи, предоставляемых оборудованием радиодоступа, позволяют ему успешно конкурировать с проводными средствами связи. Дополнительным фактором, способствующим быстрому внедрению систем радиодоступа, является широкая полоса частот, доступная для применения в мире в целом, и в России, в частности. Существенно более высокий уровень спектральной эффективности, достигающий сегодня значений 6 бит/с/Гц, и ее постоянное увеличение обеспечивают дальнейший рост преимуществ оборудования радиодоступа по отношению к технологиям сотовой связи (спектральная эффективность которых менее 1 бит/с/Гц).
Одним из перспективных направлений в области создания цифровых систем радиодоступа, является использование технологии ортогонального частотного разделения с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM). Системы использующие данную технологию имеют высокую устойчивость по отношению к частотно-селективным замираниям и узкополосным помехам. В системах с одним несущим колебанием, замирание на данной частоте или узкополосная помеха, попадающая на эту частоту, могут полностью прервать передачу данных. В многочастотных системах в аналогичных условиях оказываются подавленными лишь незначительная часть поднесущих колебаний. Помехоустойчивое кодирование может обеспечить восстановление данных, потерянных на подавленных поднесущих.
При OFDM высокоскоростной поток данных разбивается на большое число низкоскоростных потоков, каждый из которых передается в своем частотном канале (на своей поднесущей частоте), т.е. в частотных каналах длительность канальных символов может быть выбрана достаточно большой, значительно превышающей время расширения задержки сигнала в канале. Следовательно, межсимвольная интерференция (МСИ) в каждом частотном канале поражает лишь незначительную часть канального символа, которую можно исключить из последующей обработки
в приемнике за счет введения временного защитного интервала (ЗИ) между соседними канальными символами при контролируемом снижении скорости передачи.
Высокая спектральная эффективность обеспечивается достаточно близким расположением частот соседних поднесущих колебаний, которые генерируются совместно так, чтобы сигналы всех поднесущих были ортогональны. Это достигается благодаря использованию дискретного преобразования Фурье (ДІ1Ф), которое может быть эффективно выполнено с применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ). Следует отметить, что такое преобразование используется также и в приемнике данной системы передачи при демодуляции принимаемого сигнала. Благодаря этому абонентское оборудование оказывается сравнительно простым, поскольку исключается необходимость использования наборов генераторов гармонических поднесущих колебаний и когерентных демодуляторов, которые необходимы при обычном частотном разделении каналов.
Технология OFDM используется в беспроводных локальных и городских сетях передачи данных, в системах цифрового наземного телевидения.
С другой стороны, данной технологии присущи и некоторые недостатки - высокая чувствительность к смещению частоты и флюктуациям фазы принимаемого сигнала относительно опорного гармонического колебания приемника. Недостатки технологии составляют задачу для современных исследований. В частности существует актуальная научно-техническая проблема повышения эффективности использования технологии OFDM в системах радиодоступа путем оптимизации алгоритмов идентификации многолучевых каналов связи.
По данной задаче имеется большое количество как зарубежных, так и российских работ. В основе практически всех работ, посвященных оценке и компенсации коэффициента передачи многолучевого канала, лежит использование пилот-сигналов, по которым выполняется оценивание. Поиск наилучшего способа добавления пилот-сигналов для различных систем радиодоступа с различными моделями радиоканалов является актуальной задачей.
Оценке момента начала OFDM блока и оценке частотного сдвига OFDM сигнала также посвящено много работ, в которых рассмотрены различные обучающие сигналы и различные алгоритмы оценивания. Построение специализированных преамбул, обеспечивающих более высокую точность оценок момента начала OFDM блока и частотного сдвига OFDM блока, является задачей, требующей дополнительных исследований.
Практически все алгоритмы оценки общего фазового сдвига (ОФС), вызванного фазовым шумом системы передачи, основаны на теории фильтрации Калмана и имеют высокую вычислительную сложность. Важной технической задачей является понижение вычислительной сложности алгоритма при сохранении практически той же точности оценки.
Для исследований будем использовать систему стандарта IEEE 802.1 la, так как она с одной стороны удобна для анализа, а с другой стороны имеет структуру OFDM блоков аналогичную современным стандартам беспроводных локальных сетей, таких как IEEE 802.1 lg и ШЕЕ 802.1 In. Обучающие последовательности преамбул у этих стандартов одинаковы, и размещение пилот-сигналов схоже. Результаты, полученные для системы стандарта IEEE 802.11а, могут быть использованы для беспроводных локальных сетей других стандартов.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования систем радиодоступа с технологией OFDM на основе использования более совершенных алгоритмов идентификации многолучевого канала. Критерием эффективности функционирования системы радиодоступа в данной работе будем считать требуемое отношение сигнал/шум канала
связи для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки системы 1(Г\ Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
анализ существующих алгоритмов оценивания параметров многолучевого канала в системах радиодоступа с технологией OFDM и свойств используемых пилот-сигналов, и обучающих последовательностей;
поиск новых обучающих последовательностей и пилот сигналов с более подходящими свойствами для рассматриваемых систем;
модификация алгоритмов оценивания параметров многолучевого канала при новых обучающих последовательностях и пилот-сигналах;
оценка эффективности применения новых обучающих последовательностей и пилот-сигналов в системах радиодоступа с технологией OFDM;
обоснование практических рекомендации по применению модифицированных алгоритмов;
разработка имитационной модели систем радиодоступа с технологией OFDM для экспериментальной оценки эффективности модифицированных алгоритмов.
Для решения поставленных задач исследования использовались положения теории случайных процессов, теории вероятностей и математической статистики, теории электрической связи и статистической радиотехники.
Научная новизна работы.
Предложена новая структура преамбулы OFDM блока, использующая многофазные последовательности Фрэнка и Задова-Чу.
Результаты исследования эффективности алгоритмов оценки частотного сдвига и момента начала OFDM блока, подтверждающие преимущество новой структуры преамбулы.
Результаты сравнения алгоритмов оценки коэффициента передачи канала, использующих блочные и распределенные пилот-сигналы, по различным показателям: качество оценки
коэффициента передачи канала, необходимое количество пилот-символов, вычислительная сложность алгоритма оценки. Сформулированы рекомендации по размещению пилот-сигналов на плоскости частота-время.
Предложен алгоритм оценки общего фазового сдвига OFDM символа, имеющий меньшую вычислительную сложность по сравнению с используемыми алгоритмами, и обеспечивающий практически ту же точность оценивания.
Разработана имитационная модель системы радиодоступа с технологией OFDM, позволяющая экспериментально исследовать эффективность и практическую полезность предложенных технических решений.
Практическая значимость работы. Полученные в работе научные результаты позволяют предложить технические решения для систем радиодоступа с технологией OFDM, обеспечивающие повышение качества передачи информации и меньшую вычислительную сложность таких систем. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для систем радиодоступа как локальных, так и городских беспроводных вычислительных систем.
Внедрение результатов работы осуществлено:
в учебный процесс на кафедре радиотехнических систем МТУСИ, в виде лабораторной работы «Исследование способа формирования и обработки сигнала с ортогональным частотным разделением каналов и мультиплексированием с использованием программного пакета SIMULINK»;
в специальном программном обеспечении автоматизированного программно-аппаратного комплекса оценки электромагнитной обстановки и определения условий электромагнитной совместимости РЭС различного назначения в ЗАО «Национальное радиотехническое бюро».
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Вторая отраслевая научная конференция "Технологии информационного общества", МТУСИ, 2008;
Третья отраслевая научная конференция-форум "Технологии информационного общества", посвященная 150-летию со дня рождения А.С. Попова, МТУСИ, 2009;
Всероссийский научно-технический семинар «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», Воронеж, 2009;
Четвертая отраслевая научная конференция-форум "Технологии информационного общества", МТУСИ, 2010.
Публикации результатов. Основные результаты исследования опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 3 в журнале из списка высшей аттестационной комиссии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Работа изложена на 132 страницах, содержит 66 рисунков и 9 таблиц, список использованных источников из 72 наименований.
Положения, выносимые на защиту:
Использование новой структуры преамбулы OFDM блока может обеспечить повышение точности оценок момента начала OFDM блока и частотного сдвига принимаемого OFDM сигнала.
Новые обучающие последовательности преамбулы OFDM блока могут быть составлены из идеальных многофазных последовательностей Фрэнка и Задова-Чу.
Уменьшение количества пилот-сигналов и повышение точности оценок коэффициента передачи канала возможны благодаря рациональному размещению пилот-сигналов внутри OFDM блока.
Снижение вычислительной сложности алгоритма оценки общего фазового сдвига принимаемых КАМ символов, вызванного фазовым шумом системы, при сохранении практически той же точности, возможно путем усреднения фазовых сдвигов пилот-сигналов без рекурсивной фильтрации.
