Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор известных методов разнесенной передачи и разнесенного приема 14
1.1 Классификация методов разнесенного приема 15
1.2 Методы объединения сигналов, принимаемых по параллельным каналам 20
1.3 Методы разнесенной передачи сигнала 20
1.4 Методы оценки комплексной огибающей сигнала и квазикогерентного приема
1.4.1 Алгоритмы оценки канала связи по пилот символам 32
1.4.2 Алгоритмы оценки канала связи, в которых используются информационные символы 35
1.4.3 Алгоритмы квазикогерентного приема в отсутствии пилот-сигнала 39
1.5 Выводы к главе 41
2 Исследование и разработка эффективных методов РП при условии, что информации о канале связи недоступна на передающей стороне 43
2.1 Модель системы с РП 43
2.2 Смысл понятий символ и символ модуляции 44
2.3 Критерии эффективности РП 46
2.4 Анализ возможных стратегий и определение потенциальной помехоустойчивости РП
2.4.1 Анализ стратегии РП, при которой переданные различными антеннами сигналы не разделяются в точке приема 49
2.4.2 Анализ стратегии РП, при которой переданные различными антеннами сигналы разделяются в точке приема 51
2.5 Пакетная ортогональная разнесенная передача з
2.6 Обработка сигнала POTD на приемной стороне 64
2.7 Выводы к главе 72
3 Анализ способа POTD и рекомендации по его реализации 74
3.1 Сравнительный анализ потенциальной помехоустойчивости POTD и известных способов РП 74
3.1.1 Некодированные данные 74
3.1.2Кодированные данные 76
3.2 Анализ помехоустойчивости POTD при неидеальной оценке канала распространения на приемной стороне 84
3.3 Анализ затрат, связанных с реализацией POTD в прямом канале сотовой системы связи 90
3.4 Рекомендации по реализации способа POTD 91
3.4.1 Размещение передающих антенн 91
3.4.2Рекомендации по применению POTD в условиях высокочастотных замираний 100
3.5 Выводы к главе 104
4 Квазикогерентный прием сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией в канале с быстрыми релеевскими замираниями 107
4.1 Постановка задачи 108
4.2 Алгоритм максимального правдоподобия 109
4.3 Алгоритмы приема с решающей обратной связью
4.3.1 Квазиоптимальный алгоритм с решающей обратной связью 115
4.3.2 Алгоритм с решающей обратной связью и экстраполяцией 116
4.3.3 Двунаправленный алгоритм с решающей обратной связью и экстраполяцией
4.4 Итеративный алгоритм 121
4.5 Выводы к главе 123
5 Квазикогерентный прием М-ичных сигналов 125
5.1 Постановка задачи 126
5.2 Алгоритм максимального правдоподобия 126
5.3 Алгоритм приема с сокращенным перебором 129
5.4 Итеративный алгоритм 130
5.5 Анализ помехоустойчивости разработанных алгоритмов квазикогерентного приема 131
5.5.1 Стационарный канал с белым гауссовским шумом 132
5.5.2Многолучевой канал с независимыми рэлеевскими замираниями сигналов лучей 134
5.6 Выводы к главе 151
Заключение 153
Список литературы 155
- Методы разнесенной передачи сигнала
- Анализ стратегии РП, при которой переданные различными антеннами сигналы не разделяются в точке приема
- Анализ помехоустойчивости POTD при неидеальной оценке канала распространения на приемной стороне
- Алгоритм с решающей обратной связью и экстраполяцией
Методы разнесенной передачи сигнала
Наиболее эффективными методами борьбы с замираниями радиосигнала в канале связи являются разнесенная передача и разнесенный прием, смысл которых заключается в том, что прием информации осуществляется по двум или более параллельным каналам (ветвям разнесения), в которых замирания полезного сигнала являются некоррелированными. Поскольку вероятность того, что одновременно во всех ветвях разнесения произойдут замирания мала, посредством объединения сигналов всех ветвей можно значительно увеличить помехоустойчивость приема.
При разнесенном приеме передатчик излучает один сигнал, а параллельные каналы образуются в процессе распространения сигнала и его приема. Примерами разнесенного приема являются многолучевой и пространственно разнесенный прием. В первом случае параллельные каналы представляют собой лучи полезного сигнала, разрешаемые по временной задержке или по углу прихода. Во втором случае параллельные каналы образуются за счет приема сигнала на разнесенные в пространстве приемные антенны.
При разнесенной передаче (РП) параллельные каналы формируются средствами передающей стороны. В качестве примера можно привести систему связи с временным или частотным разнесением, в которой один и тот же сигнал передается па N разнесенных временных интервалах или в N разнесенных частотных полосах. Отдельную группу методов РП составляют методы, в которых параллельные каналы формируются за счет передачи сигнала с разнесенных антенн, а прием может производиться на одну антенну. Термином "разнесенная передача" в дальнейшем обозначаются именно эти методы.
Таким образом, в разнесенной передаче и разнесенном приеме можно выделить две составляющие - метод организации независимых каналов приема и метод объединения сигналов этих каналов. Методы разнесенной передачи и разнесенного приема составляют теорию разнесенного приема [1]. Поэтому в дальнейшем если конкретный метод (разнесенная передача или разнесенный прием) не имеет значения, то используются общие термины "разнесенный прием" или "разнесение". Термин "разнесенная передача" используется для выделения соответствующих методов.
Рассмотрим основные виды разнесения и основанные на них методы разнесенного приема [1, 2, 3]. Частотное разнесение. При частотном разнесении сигнал должен занимать полосу частот, ширина которой превышает интервал когерентности по частоте. В этом случае замирания принимаемого сигнала являются частотно селективными. Чем шире полоса частот, занимаемая сигналом, тем ниже вероятность замирания сигнала одновременно во всей полосе частот и выше вероятность правильного приема информации. Таким образом, частотное разнесение возможно либо при использовании широкополосных сигналов, либо при передаче узкополосного сигнала параллельно через разнесенные полосы частот. Из-за низкой спектральной эффективности последний способ не применяют на практике.
Известны несколько основных способов передачи информации с помощью широкополосных сигналов. Это высокоскоростная последовательная передача [4], использование шумоподобных сигналов (ШПС) [5, 6, 7] и программная перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) [8, 9].
Получение частотного разнесения при высокоскоростной последовательной передаче данных обеспечивается ценой межсимвольной интерференции (МСИ), возникающей в частотно селективном канале. Для борьбы с ней требуется применение сложных алгоритмов приема.
В системах связи с ШПС проблему МСИ удается разрешить, применяя для передачи символов сообщения сложные многоэлементные сигналы с хорошими авто- и взаимно- корреляционными свойствами. В последнее время большое распространение и развитие получают сотовые системы связи CDMA, использующие ШПС сигналы [6,7]. Высокая емкость систем CDMA обусловлена следующими основными факторами. Возможностью использования одной и той же полосы частот одновременно во всех сотах. За счет общей для всех пользователей полосы частот эффективно используется свойство голосовой активности. Благодаря алгоритму регулировки мощности и действию центральной предельной теоремы многопользовательская помеха нормализируется, что позволяет использовать оптимальные или близкие к ним методы обработки сигналов.
Однако использование ШПС сигналов в системе CDMA для получения частотного разнесения имеет негативный побочный эффект. В прямом канале систем CDMA для разделения каналов пользователей применяют ортогональные коды [7], что позволяет скомпенсировать многопользовательскую помеху своей соты и тем самым существенно повысить емкость прямого канала в условиях стационарного канала связи и в условиях канала связи с плоскими замираниями. Но при частотно-селективных замираниях ортогональная структура сигнала прямого канала разрушается и помехой при демодуляции каждого луча сигнала пользователя является весь групповой сигнал БС в остальных разрешимых лучах [10, 11, 12, 13, 14].
В системах связи с ППРЧ значение несущей частоты периодически скачкообразно изменяется в широкой полосе частот в соответствии с определенным алгоритмом перестройки. Принцип ППРЧ в основном используется в военных системах связи, где основной задачей является обеспечение максимальной скрытности передачи информации. Поэтому период перестройки должен быть как можно короче. Частотное разнесение в системах ППРЧ проявляется в том, что за счет постоянной перестройки частоты наличие в используемой широкой полосе частот отдельных узких полос с сильным замиранием сигнала не приводит к нарушению связи.
Анализ стратегии РП, при которой переданные различными антеннами сигналы не разделяются в точке приема
Сравнивая между собой выражения (14), (18) и (22) для мгновенных ОСШ, а также выражения (15), (19) и (23) для средних ОСШ, можно сделать следующие выводы. Не смотря на когерентное сложение полезного сигнала и некогерентное - помех при объединении сигналов в ветвях разнесения в соответствии с алгоритмом MRC, среднее ОСШ на символ при РП является таким же, как и в обычной системе связи без пространственного разнесения. Это связано с тем, что при РП с увеличением количества передающих антенн пропорционально снижается мощность передатчика в каждой из них. Следовательно, в стационарном канале связи РП не имеет преимуществ по сравнению с одно-антенной передачей. Однако в случае замираний РП значительно эффективней одно-антенной передачи. Это видно из сравнения соответствующих выражений для мгновенных ОСШ. При сильном замирании сигнала одной из передающих антенн числитель в (14) и соответственно мгновенное ОСШ при одно-антенной передаче стремятся к нулю. Числитель же в (22) обратится в нуль только в случае одновременного замирания сигналов ото всех передающих антенн, что значительно менее вероятно замирания в одной из них.
Среднее и мгновенное ОСШ на символ при пространственно-разнесенном приеме в N раз больше соответственно среднего и мгновенного ОСШ при РП. Указанный выигрыш пространственно-разнесенного приема объясняется тем, что если при РП энергия символа дробится между разнесенными каналами передачи, то при пространственно-разнесенном приеме в каждой из приемных антенн принимается полная энергия символа.
Сравнение средних ОСШ на символ для различных методов разнесения поясняется также на рис. 13-рис. 15, на которых приняты следующие обозначения: h - среднее значение коэффициента передачи между передающей и приемной антеннами; N0 - односторонняя СПМ шума; Es - энергия символа; ТА -передающая антенна, RA - приемная антенна.
Таким образом, рассматриваемая стратегия РП позволяет получить наибольшую помехоустойчивость РП, а выражение (22) определяет потенциальную помехоустойчивость РП, при условии, что информация о канале распространения недоступна на передающей стороне.
Одним из основных препятствий на пути практической реализации этой помехоустойчивости является получение высококачественных оценок комплексных огибающих сигналов, принятых по разнесенным каналам передачи, и требуемых для оптимального когерентного объединения этих сигналов. При РП эта задача особенно трудна, поскольку ОСШ в каналах разнесения в N раз ниже, чем при пространственно-разнесенном приеме. JA
Из выполненного анализа возможных стратегий РП следует, что наибольшая помехоустойчивость РП обеспечивается в рамках стратегии, при кото 56 рой на приемной стороне обеспечивается разделение сигналов, переданных различными антеннами. Основной недостаток большинства известных способов РП, в которых реализуется эта стратегия, заключается в том, что указанное разделение сигналов требует введения большой избыточности в передаваемый сигнал (параметр Т\, введенный в разделе 2.3). Это относится к способам пространственно-частотной, пространственно-временной разнесенной передачи и способу CTD (раздел 1.3). Способ DTD хотя и не увеличивает базу сигнала по сравнению с обычным способом передачи через одну антенну (TJ — 1), но при этом переданные сигналы не могут быть разделены на приемной стороне без взаимных помех.
В этой связи среди известных способов РП наибольший интерес представляет способ OTD (раздел 1.3). OTD также, как и DTD, не вносит избыточность в передаваемый сигнал, но при этом передаваемые через различные антенны сигналы взаимно ортогональны. Единственным существенным недостатком OTD является то, что он обеспечивает разнесение только на уровне пакета кодированных символов. Этот недостаток удалось устранить в способе РП [75, 76, 77], который в диссертации будем называть пакетной ортогональной разнесенной передачей, сокращенно POTD (packet orthogonal transmit diversity). Способ POTD заключается в следующем.
Формируют N каналов разнесения (например, это могут быть N пространственно разнесенных антенн, 7Y разнесенных частотных полос и т.д.).
Передаваемый поток символов разбивают на последовательность пакетов. Количество М символов в каждом пакете а = {ат}, ffl = \, М должно представлять собой степень числа два и удовлетворять условию M N, где N - количество разнесенных каналов передачи. Каждый символ (символ модуляции) в общем случае представляет собой комплексное число а = ас + jas (квадратурная модуляция) и принадлежит некоторому алфавиту (созвездию) Q.. Операцию разбиения входного потока символов на пакеты иллюстрирует рис. 16. В способе POTD осуществляется последовательная передача пакетов. Передача каждого пакета заключается в следующем.
Из символов пакета формируют N ортогональных последовательностей символов S],S2,...,SjV, каждая из которых содержит все символы пакета (S7- є {ат}, т = \,М, І = l,N). Каждой сформированной ортогональной последовательности символов назначают свой канал разнесения. Осуществляют передачу пакета, при которой одновременно передают все сформированные ортогональные последовательности символов через соответствующие каналы разнесения. Передача каждого символа через каждую антенну осуществляется точно так же, как и при одно-антенной передаче.
Анализ помехоустойчивости POTD при неидеальной оценке канала распространения на приемной стороне
Как следует из анализа кривых на рис. 24-рис. 26 наилучшей помехоустойчивостью обладает способ POTD. При N = 8 каналах разнесения он обеспечивает практически такую же помехоустойчивость приема, что и при отсутствии замираний в канале связи. Энергетический выигрыш POTD по сравнению со способом передачи через одну антенну в рабочей области (вероятность фреймовой ошибки примерно 1%) составляет 4, 7 и 9 дБ для 2, 4 и 8 пе-редаюших антенн, соответственно. Учитывая, что емкость систем CDMA обратно пропорциональна величине ОСШ, при которой обеспечивается требуемое качество связи, соответствующее увеличение емкости прямого канала составляет 2.5, 5 и 8 раз. Высокие характеристики POTD объясняются эффективным разнесением на уровне каждого передаваемого символа и отсутствием взаимных помех между переданными различными антеннами сигналами в приемнике.
Обращаясь к остальным способам РП, следует отметить PSTD. При он является вторым по качеству способом РП, проигрывая POTD в рабочей области не более 1 дБ. При этом энергетический выигрыш, обеспечивае 82 мый им по сравнению со способом передачи сигнала через одну антенну, составляет более 3 дБ. Учитывая, что реализация PSTD не требует внесений изменений в существующие стандарты связи, а большинство БС по стандарту IS-95 имеют две пространственно - разнесенные антенны, его применение позволит существенно увеличить емкость прямого канала таких систем. Последнее является весьма актуальной задачей, поскольку по данным из [84], из-за недостаточно высокой помехоустойчивости эксплуатируемых систем связи на основе стандарта IS-95 максимальное число одновременно предоставляемых каналов связи почти в два раза меньше числа каналов, поддерживаемых стандартом IS-95.
Наихудшую помехоустойчивость из рассмотренных способов РП показал DTD. Причиной этого является разрушение ортогональной структуры прямого канала в случае, когда относительные временные задержки лучей сигнала прямого канала превышают длительность чипа расширяющей спектр ПСП. Возникающая вследствие этого мощная многопользовательская помеха значительно ухудшает помехоустойчивость приема.
PSTD и OTD относятся к способам РП, в которых эффект разнесения обеспечивается на уровне блока кодированных символов. Интересно оценить потенциальную помехоустойчивость таких способов. Этой оценкой может служить кривая "идеальный перемежитель" на рис. 26. Для получения этой кривой были смоделированы условия, когда комплексная огибающая сигнала принимала независимые распределенные по нормальному закону значения на интервале каждого кодированного символа и была точно известна в приемнике. Как видно из рис. 26, с помощью идеального перемежения невозможно полностью устранить потери помехоустойчивости из-за замираний в канале связи. Способ OTD при N = 8 позволяет практически достигнуть указанного предела повышения помехоустойчивости и, следовательно, дальнейшее увеличение числа передающих разнесенных антенн при использовании OTD не имеет смысла. Большего ослабления замираний можно добиться только посредством разнесения на уровне каждого передаваемого символа.
Данные в табл. 1 (см. с. 79) позволяют проанализировать зависимость эффективности различных способов РП от частоты замираний. Построенные на их основе зависимости величины Eb/NQ , обеспечивающие FER=1%, от частоты замираний для различных способов РП приведены на рис. 27. частота замираний, Гц
Как следует из анализа построенных зависимостей, сделанные выше выводы по относительной эффективности способов РП для частоты замираний 30 Гц остаются справедливыми и для других частот замираний. Помимо этого можно сделать следующие выводы. Эффективность разнесенной передачи -наибольшая на низких частотах замираний и понижается с увеличением часто 84 ты замираний. Данный результат объясняется тем, что при высокой частоте замираний достаточно эффективное разнесение обеспечивает алгоритм переме-жения кодированных данных. Так энергетический выигрыш способа POTD по сравнению с обычным способом передачи через одну антенну составляет 12 дБ при Frad —\Q Гц и снижается до 4.1 дБ при F ad — 200 Гц. При N = 8 помехоустойчивость способов OTD и POTD слабо зависит от частоты замираний, так как в этом случае практически достигается потенциальная помехоустойчивость этих способов.
Одним из основных допущений, сделанных при анализе потенциальной помехоустойчивости POTD, являлось наличие идеальной оценки канала (вектора С = JP/Nh) на приемной стороне. В этом случае при приеме пакета символов POTD устраняются взаимные помехи между символами. Как уже отмечалось, получение высококачественной оценки канала в условиях разнесенной передачи и разнесенного приема является нетривиальной задачей, и па практике оценка канала будет характеризоваться некоторой конечной величиной ОСШ. Поэтому для практического использования способа POTD необходимо установить, насколько он устойчив к погрешностям оценки канала.
Ухудшение помехоустойчивости способа POTD при неидеальной оценке канала распространения на приемной стороне будет происходить по двум причинам. Первая причина обусловлена энергетическими потерями из-за неидеального когерентного приема каждого символа пакета POTD. Указанная причина ухудшения помехоустойчивости характерна для всех способов РП (в частности OTD), в которых требуется когерентная обработка сигнала на приемной стороне. Вторая причина ухудшения помехоустойчивости специфична для POTD и заключается в неполной компенсации помеховых компонент, обусловленных остальными символами пакета, при оценке каждого символа пакета. Не идеальность оценки канала для большинства известных методов оценки можно учесть введением дополнительного гауссовского шума, т.е. сі=сі+ді,і = ЇЛ (47) где сг- = ліР/Nhf - комплексный коэффициент передачи между /-ой передающей антенной и приемной антенной; д( - независимые комплексные гаус-совские величины с нулевым средним и одинаковой дисперсией NQIР, Р -параметр, определяющий ОСШ в оценке С{. Величина Р зависит от ширины полосы пропускания фильтра в алгоритме оценки (интервала усреднения) и от величины ОСШ на входе этого алгоритма. Примем Р = QTS, где Q - некоторое вещественное число. Соответственно можно записать
Алгоритм с решающей обратной связью и экстраполяцией
Результаты моделирования ИА приведены на рис. 60, рис. 61 {М = 4) и на рис. 62, рис. 63 (М = 64). Из графиков на рис. 60, рис. 61 видно, что при М = 4 ИА обеспечивает выигрыш по сравнению с некогерентным приемом. Однако в отличие от АМП и АСП наилучшая помехоустойчивость приема в рабочей области вероятности ошибки достигается при использовании полинома 0-го порядка (К = 0). Этот несколько неожиданный результат имеет следующее объяснение. Структура ИА принципиально отличается от оптимального АМП и близкого к нему АСП. Оценка комплексной огибающей полезного сигнала в ИА на первой итерации базируется на единственно доступной первоначальной оценке символов принимаемого блока с помощью некогерентного алгоритма. Ввиду того, что вероятность ошибочного приема для пекогерентного алгоритма высока, очень вероятно, что некоторая часть символов блока принимается ошибочно. Наличие ошибочно принятых символов в блоке приводит к появлению разрывов в оценке комплексной огибающей полезного сигнала (на границе ошибочно и правильно принятого символов), что значительно ухудшает качество последующей интерполяции. Это обстоятельство в сочетании с бо 143 лее низким ОСШ на символ для М = 4, чем для М = 64 приводит к смещению компромиссного значения порядка К аппроксимирующего полинома - с 1 -го на 0-й порядок для М = 4. При фиксированном ОСШ на выходе многолучевого приемника, ОСШ в однолучевых приемниках снижается с увеличением числа принимаемых лучей сигнала. Поэтому при 4-х лучевом приеме смещение компромиссного порядка полинома для М = 4 в сторону К = 0 является более заметным, чем при 2-х лучевом приеме.
Для М — 64 (рис. 62, рис. 63) ИА также обеспечивает выигрыш по сравнению с некогерентным приемом. При этом наилучшую помехоустойчивость теперь обеспечивает использование степенного полинома 1-го порядка. Данный факт, объясняется более высоким ОСШ на символ для М = 64, чем для М — 4 при одинаковой вероятности ошибки.
В табл. 5 - табл. 8 приведена статистика числа итераций ИА. Как следует из указанных таблиц, максимальное число итераций (итерации выполняются до тех пор, пока оценки символов на двух соседних итерациях не будут иметь одинаковые значения) в ИА для рабочей области вероятности ошибки не превышает 10-11. С увеличением ОСШ максимальное число итераций уменьшается. При этом среднее число итераций меньше 2. Следовательно, наибольший вклад в улучшение помехоустойчивости приема обеспечивают первые 1 -2 итерации.
Сравнение помехоустойчивости различных алгоритмов приема М - ичных сигналов В предыдущих разделах был выполнен анализ помехоустойчивости разработанных алгоритмов приема М - ичных сигналов, каждого в отдельности. Целью данного раздела является сравнение помехоустойчивости указанных алгоритмов между собой, а также с помехоустойчивостью известных алгоритмов. На рис. 64 - рис. 67 приведены кривые помехоустойчивости разработанных алгоритмов приема М - ичных сигналов. Для каждого из них приведена лучшая кривая помехоустойчивости, полученная при оптимальном порядке К аппроксимирующего полинома для соответствующей модели канала распространения. На указанных рисунках приведены также кривые помехоустойчивости для ко герентного алгоритма, некогерентного алгоритма и алгоритма из [71].
Из анализа кривых помехоустойчивости на рисунках рис. 64 — рис. 67 следует, что наилучшей помехоустойчивостью обладает АМП. АСП лишь немного уступает АМП. Несколько худшую помехоустойчивость, чем АМП и АСП, имеет ИА. При этом все указанные алгоритмы обеспечивают заметный выигрыш по сравнению с некогерентным алгоритмом. Алгоритм из [71] имеет наихудшую помехоустойчивость из всех рассмотренных алгоритмов квазикогерентного приема. Обладая относительно хорошими характеристиками в области низких частот замираний, при частоте замираний 200Гц в области больших значений ОСШ при М = 64 и 1 = 2 он даже проигрывает некогерентному алгоритму. Это объясняется тем, что при больших ОСШ вероятность ошибки при квазикогерентном приеме существенно зависит от точности аппроксимации комплексной огибающей полезного сигнала. В алгоритме же из [71] по сути используется аппроксимация комплексной огибающей сигнала полиномом 0-го порядка, которая не учитывает изменений комплексной огибающей на интервале блока. При частоте замираний 200 Гц указанные изменения являются значительными.
В табл. 9 приведены значения энергетического выигрыша, который имеют различные алгоритмы квазикогерентного приема М -ичных сигналов по сравнению с некогерентным алгоритмом, измеренные для битовой вероятности ошибки 10%, М = 64 и различного числа принимаемых лучей .
