Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современных методов повышения помехоустойчивости приема 17
1.1 Применение техники STPB системах MIMO 17
1.2 Особенности применения схемы с разнесенной передачей 19
1.3 Пространственно-временные блочные коды 22
1.4 Коды STBC высокого порядка 28
1.5 Квазиортогональные пространственно-временные блочные коды 30
1.6 Помехоустойчивость разнесенного приема в каналах с наличием корреляции между параметрами 32
1.7 Адаптивный разнесенный прием сигналов OFDM 35
1.8 Постановка задачи исследования 36
1.9 Выводы по разделу 1 38
2 Исследование пространственно-временной корреляционной модели для радиосистем с разносом передачи 40
2.1 Коэффициент пространственной корреляции 40
2.1.1 Модель канала связи 41
2.1.2 Модель пространственной корреляции 41
2.1.3 Коэффициент корреляции сигналов в двух соседних антеннах 43
2.2 Корреляция квазиортогонального пространственно-временного кода 47
2.2.1 Корреляция сигналов в схеме Аламоути з
2.2.2 Коэффициент корреляции сигналов для четырехантенной системы 50
2.2.3 Коэффициент корреляции сигналов для восьмиантенной системы .51
2.2.4 Методика расчета обобщенной корреляционной модели для N-антенных систем 52
2.2.5 Методика расчета коэффициента взаимной корреляции двух векторов сигнала в квазиортогональном коде 54
2.3 Выводы к разделу 2 58
3 Оценка помехоустойчивости радиосистем с разнесенной передачей и приемом 60
3.1 Помехоустойчивость приема в каналах с корреляцией 60
3.1.1 Влияние пространственной и кодовой корреляции 62
3.1.2 Анализ матрицы коэффициентов передачи 63
3.2 Расчет вероятности ошибки для частных случаев 68
3.2.1 2-х антенная система 68
3.2.2 4-х антенная система 70
3.2.3 8-ми антенная система 73
3.3 Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для систем с 2-я, 4-я и 8-ю передающими антеннами в условиях пространственной и кодовой корреляции 74
3.4 Зависимость вероятности ошибки от SNR для систем SISO, MISO, SIMO 75
3.5 Анализ помехоустойчивости разнесенного приема сигналов OFDM 77
3.5.1 Разработка алгоритмов приема 77
3.5.2 Помехоустойчивость приема 81
3.6 Выводы по разделу 3 93
4. Экспериментальное исследование на основе компьютерного моделирования 94
4.1 Принципы компьютерного моделирования в среде MATLAB 94
4.2 Описание используемых моделей 95
4.2.1 Модель канала связи с 2-мя передающими антеннами и кодированием по схеме Аламоути 95
4.2.2 Модель канала связи с 4-мя передающими антеннами и использованием квазиотртогонального метода кодирования 99
4.2.3 Модель канала связи с 8-ю передающими антеннами и использованием квазиортогонального метода кодирования 102
4.3 Особенности моделирования радиосистем, использующих множественные антенны на передаче 105
4.4 Результаты исследования 106
4.5 Выводы по разделу 4 115
Заключение 116
Список использованных источников
- Коды STBC высокого порядка
- Модель пространственной корреляции
- Расчет вероятности ошибки для частных случаев
- Особенности моделирования радиосистем, использующих множественные антенны на передаче
Введение к работе
Актуальность темы
Современное поколение беспроводных систем связи обеспечивает передачу различных видов информации на высоких скоростях, сохраняя при этом высокое качество. Повышение качества работы или уменьшение вероятности ошибок в системе радиосвязи при многолучевом распространении сигнала является наиболее сложной задачей. Требования, предъявляемые к современным системам беспроводной связи в области энергетической и частотной эффективности, налагают существенные ограничения на увеличение мощности передатчика и расширение занимаемой полосы частот с целью увеличения помехоустойчивости системы связи. В связи с этим, актуальность данной работы основана на исследовании современных технологий и методов повышения помехоустойчивости с помощью специальных техник кодирования сигнала, частотного разделения и пространственно-временной обработки с использование нескольких передающих и приемных антенн.
Современным методом повышения помехоустойчивости является техника разноса передачи, которая сочетает в себе преимущества пространственного разнесения, временного кодирования и простоты обработки сигнала. Данная техника использует специальные пространственно-временные коды (STBC - Space Time Block Coding) для независимой обработки переотраженных декоррелированных сигналов. В современной радиотехнике системы с множественными передающими и приемными антеннами (MIMO - Multiple Input Multiple Output) являются популярными и входят в современные отраслевые стандарты, такие как IEEE 802.16e (WiMAX), 802.11n (Wi-Fi) и др. Аспекты применения техники разноса передачи подробно исследованы в работах современных зарубежных ученых, таких как: С.М. Аламоути (S.M.Alamouti),B. Тарох (V.Tarokh), Г. Джафархани (H.Jafarkhani), А.Р. Калдербанк (A.R.Calderbank), а также российских ученых: Слюсар В.,Шлома А.М., Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б.,Финк Л.М., Андронов И.С., Фалько А.И, Носов В.И. Материалы публикаций и результаты исследований вышеуказанных авторов развиты в данной диссертационной работе.
Проведенный анализ научных исследований, посвященных многолучевым средам, выявленные тенденции и подходы к решению задач современной радиосвязи, позволяют считать актуальным дальнейшее исследование техники разнесенной передачи. В частности, наиболее перспективными являются направления исследования, где публикации и исследования других ученых, в т.ч. и зарубежных, почти отсутствуют, а именно:
Помехоустойчивость систем с разнесенной передачей, использующих квазиортогональное пространственно-временное кодирование (QO- STBC) - для случаев с множеством передающих антенн (более 2-х);
Помехоустойчивость разнесенного приема OFDM сигнала по адаптивным алгоритмам c использованием пилотных сигналов, с учетом конечной скорости изменения параметров канала.
Цель работы
Исследование характеристик систем радиосвязи, использующих технологию MIMO и квазиортогональное пространственно-временное кодирование (QO-STBC), а также адаптивные методы приема сигнала OFDM с использованием обучающих последовательностей.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Разработать обобщенную корреляционную модель канала связи MISO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.
-
Разработать методику оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.
-
Разработать алгоритм разнесенного приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности, в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.
-
Разработать методику анализа помехоустойчивости синтезированных алгоритмов разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.
-
Разработать компьютерные моделей MISO-систем в среде MATLAB для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, использующих методы квазиортогонального пространственно-временного кодирования.
Методы исследования
Теоретическая часть исследования основана на методах статистической радиотехники, теории вероятностей, теории матриц, математического моделирования, теории распространения радиоволн, а так же методах вычислительной математики и статистического моделирования. Экспериментальная часть исследования базируется на блочной модели системы цифровой радиосвязи, реализованной с помощью программного пакета MATLAB.
Для подтверждения полученных теоретических результатов разработаны модели MISO-систем радиосвязи с использованием 2-х, 4-х и 8-и передающих антенн в среде MATLAB, с помощью которых выполнены экспериментальные исследования.
Научная новизна результатов работы
Наиболее значимые новые научные результаты работы:
-
-
Разработана обобщенная корреляционная модель канала связи MISO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.
-
Разработана методика оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.
-
Разработан алгоритм приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.
-
Разработана методика анализа помехоустойчивости синтезированного алгоритма разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.
-
Разработаны компьютерные модели MISO-систем в среде MATLAB для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, использующих методы квазиортогонального пространственно-временного кодирования.
В отличие от существующих исследований по классической теории разнесенного приема и ортогонального пространственно-временного кодирования, полученные методики расчета характеристик помехоустойчивости MISO-систем могут быть использованы для анализа систем c произвольным числом передающих антенн, с учетом пространственной корреляции сигналов, с использованием методов квазиортогонального кодирования сигнала.
Достоверность полученных результатов
Достоверность и обоснованность научных выводов подтверждена результатами моделирования в среде MATLAB, в которой учтены параметры реальной среды распространения радиоволн, а также характеристики реальных устройств радиосвязи. Результаты компьютерного моделирования подтверждают корректность научных результатов, полученных в ходе исследования. Исходные данные для научных исследований были получены из ведущих российских и зарубежных научных изданий, в том числе входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ.
Практическая ценность результатов работы
Разработанные методики оценки помехоустойчивости радиосистем, учитывающие влияние нескольких факторов корреляции имеют важное практическое значение. Результаты проведенных исследований применяются в конструкторских разработках при модернизации существующих систем радиосвязи, а также при компьютерном моделировании параметров канала связи с множественными передающими антеннами, что подтверждается Актом внедрения в процесс исследования и разработки предприятия ОАО «НПО «ЛЭМЗ».
Результаты данной работы применяются в учебном процессе на кафедре систем радиосвязи СибГУТИ и на специализированных курсах, что подтверждается соответствующим актом внедрения в учебный процесс. Формулы, используемые в работе для оценки помехоустойчивости предложенных пространственно-временных кодов, применяются в лабораторных работах по компьютерному моделированию систем радиосвязи, проводимых на кафедре СРС СибГУТИ.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертационного исследования получены автором самостоятельно. В ходе диссертационной работы, автором были самостоятельно разработаны методики оценки помехоустойчивости систем радиосвязи с множеством передающих и приемных антенн. Автором были сделаны все аналитические выводы и выполнены численные расчеты по синтезированным алгоритмам приема. В ходе проведения экспериментального исследования, автор принимал непосредственное участие в разработке компьютерных моделей систем радиосвязи.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международные научно-технические конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.
Публикации
Основные положения диссертационного исследования, а также научные и практические результаты отражены в 14 работах, опубликованных по теме диссертации, в том числе 4 входят в перечень журналов и изданий, рекомендованных ВАК, 10 публикаций - материалы докладов всероссийских научных конференций.
Основные положения работы, выносимые на защиту
-
-
-
Обобщенная корреляционная модель канала связи MISO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.
-
Методика оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных
чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.
-
-
-
Алгоритм приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.
-
Методика анализа помехоустойчивости синтезированного алгоритма разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.
-
Результаты исследования помехоустойчивости MISO-систем для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, полученные с помощью разработанных компьютерных моделей в среде MATLAB.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 136 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 6 таблиц. В библиографию включено 79 наименований источников.
Коды STBC высокого порядка
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 136 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 8 таблиц. В библиографию включено 79 наименований источников.
Краткое содержание работы Во введении дается краткое описание основных тенденций и способов повышения помехоустойчивости систем радиосвязи в многолучевых средах; выделены современные и наиболее перспективные способы повышения помехоустойчивости, такие как методы разнесенной передачи, использующие пространственно-временное кодирование сигнала, а также адаптивные методы разнесенного приема сигналов OFDM, исследование которых является актуальным на сегодняшний день. Далее приводится обзор публикаций по тематике диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются особенности применения пространственно-временных методов обработки сигнала (STP) на примере концепции MIMO. Описываются преимущества и недостатки данной техники, а также ее практическое применение. Перечисляются основные принципы разнесенной передачи, а также способы декодирования принимаемого сигнала. Далее, в качестве основы проводимых исследований дается описание комплексного ортогонального дизайна пространственно-временных кодов, приводятся примеры кодов STBC высоких порядков, такие как коды Тароха. Дается описание принципов квазиортогонального кодирования по схеме Джафархани, которая лежит в основе проводимых исследований в данной работе. Описываются преимущества методов адаптивного разнесенного приема сигналов OFDM, использующих обучение по опорным пилотным сигналам. На основе проведенного анализа существующих научных материалов, ставится задача исследования.
Во второй главе показан вывод коэффициента пространственной корреляции на основе обобщенной модели канала и матрицы коэффициентов корреляции между передающими антеннами. Далее вводится понятие корреляции квазиортогоналыюго пространственно-временного кода, а также вывод матрицы коэффициентов корреляции для частных случаев. В качестве примера, рассматриваются матрицы коэффициентов корреляции для различных схем передачи - схемы Аламоути, 4-х антенной системы, 8-ми антенной системы. Разрабатывается методика определения матрицы корреляции для N-антенной системы. Далее дается методика расчета значения коэффициента взаимной корреляции для двух векторов сигнала произвольного квазиортогонального пространственно-временного кода.
В третьей главе представлена методика оценки помехоустойчивости радиоканала, на основе вычисления собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала. Методика расчета матрицы коэффициентов передачи канала учитывает несколько влияющих факторов, таких как матрица коэффициентов пространственной корреляции, матрица коэффициентов кодовой корреляции, а также количество передающих антенн и тип пространственно-временного кода STBC. На основе полученной формулы вероятности ошибки для случаев 2-х, 4-х и 8-ми антенных систем MISO рассчитаны формулы для оценки помехоустойчивости и построены графики зависимости коэффициента битовых ошибок от отношения сигнал/шум. Синтезируются алгоритмы приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостыо. Далее дается методика анализа помехоустойчивости адаптивного разнесённого приёма замирающих сигналов OFDM. В четвертой главе описываются компьютерные модели систем связи, на которых проводятся исследования характеристик помехоустойчивости. Подробно рассматриваются 3 разработанных модели систем MISO: с 2-мя, 4-мя и 8-ю передающими антеннами. С помощью инструмента анализа BERTool, входящего в состав MATLAB, проводится анализ характеристик помехоустойчивости каждой из 3-х моделей. Далее проводится сравнительный анализ результатов исследования, полученных теоретическим путем в разделе 3 с результатами компьютерного моделирования в среде MATLAB. Экспериментальные характеристики подтверждают теоретические исследования.
Заключение содержит формулировку основных научных и практических результатов диссертационной работы.
Приложения содержат материалы, не вошедшие в основные разделы диссертации: справочные и нормативные материалы, схемы компьютерных моделей MATLAB, тексты программ для расчетов характеристик в среде MathCad.
Модель пространственной корреляции
В системах WiMAX, Wi-Fi, LTE и др. повышение скорости передачи достигается не только увеличением позиционности модуляции передаваемых сигналов, но и применением частотного уплотнения на основе технологии OFDM [55, 56, 57]. Простое увеличение скорости передачи ограничено временем запаздывания лучей в многолучевых каналах. В таких системах ортогональная расстановка поднесущих частот в технологии OFDM требует когерентной обработки принимаемых сигналов для полного их разделения. Поэтому в каждом ресурсном блоке поднесущих частот добавляются специальные опорные (пилотные) и синхронизирующие сигналы. В частности, в сотовых системах LTE опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих частот. Они служат для измерения (оценки) параметров канала. Их можно использовать для реализации квазикогерентной обработки сигналов (помимо оценки качества канала при диспетчеризации ресурсов). Здесь квазикогерентность означает, что измерение параметров сигнала (обучение) по опорным сигналам происходит с погрешностью вследствие воздействия помех и замираний. В каналах с медленными (по отношению к длительности OFDM - символа) общими замираниями на определённой группе частот, на интервале стационарности канала, возможно обеспечить достаточно хорошее качество приёма. Улучшение качества приема может быть достигнуто за счет применения адаптивных методов приема разнесенных сигналов OFDM, с учетом конечной скорости изменения параметров канала связи [53 ]. Соответственно должное внимание необходимо уделить методикам анализа помехоустойчивости и нахождению эффективных алгоритмов разнесеного приема.
Проведенный обзор научных исследований пространственно-временной обработки сигналов в системах MIMO показал, что в проведенных исследованиях недостаточно проработаны следующие вопросы:
В современной литературе [25-33] широко освещен вопрос создания новых помехоустойчивых ортогональных STBC кодов, поскольку они обеспечивают лучшую помехоустойчивость по сравнению с другими видами пространственно-временного кодирования. При этом данные коды не могут теоретически обеспечить полную скорость кода, а также сложны в декодировании. Значительно меньшее внимание в литературе уделяется квазиортогональным пространственно-временным кодам, которые способны обеспечить полную скорость кодирования и при этом имеют достаточно низкую сложность декодирования, т.к. основываются на простейшей схеме Аламоути. Следовательно, данные коды имеют преимущество в случаях, когда требуется обеспечить высокую пропускную способность системы при относительно небольшой сложности декодирования.
В научных исследованиях [1, 4, 6, 14, 19], посвященных классической теории разнесенного приема, подробно изучается эффект корреляции между приемными антеннами, а также его влияние на помехоустойчивость приема. В настоящее время, с появлением STBC кодов, использующих множественные передающие антенны, большой интерес представляет исследование не только пространственной корреляции сигналов между передающими антеннами, но и корреляция векторов излучаемых сигналов при пространственно-временном кодировании. Влияние этих двух факторов корреляции должно учитываться при оценке помехоустойчивости современных MIMO систем радиосвязи.
В целях оценки потенциальной помехоустойчивости в современной и классической литературе приводится множество формул функций вероятности ошибки, выведенных в аналитическом виде, для частных случаев систем или моделей радиоканалов, например для случая с 2-мя передающими антеннами и отсутствием корреляции [14], или для случая множественного приема без использования кодов STBC [19], или для случая идеального ортогонального STBC-кода [29]. Указанные частные случаи не отражают характеристики реальных систем радиосвязи. Поэтому разработка универсальной методики оценки помехоустойчивости, учитывающей все факторы, необходима для достоверного прогнозирования полной вероятности ошибки для проектируемых устройств. Целью данной работы является исследование характеристик систем радиосвязи, использующих технологию MIMO и квазиортогональное пространственно-временное кодирование (QO-STBC), а также адаптивные методы приема сигнала OFDM, с использованием обучающих последовательностей.
Расчет вероятности ошибки для частных случаев
Здесь ткі (/ = 1,2,3) интервал корреляции изменений параметров сигнала. В общем случае они могут быть разными для опорного и информационного сигналов. Но при общих замираниях группы поднесущих частот ресурсного блока, содержащего опорный сигнал % \2 Чз Ч Например, при скорости движения абонента v = 50 км/час интервал корреляции замираний Тк составляет величину порядка 10 мс (по данным работ [62, 66]). В сотовой сети LTE длительность OFDM-символа Т вместе с префиксом составляет 71,4 мкс, тогда Т/тк =7,14-10"3.
При гауссовской аппроксимации корреляционной функции Гауссовская аппроксимация более благоприятна для прогнозирования параметров канала. Многие авторы считают, что в большинстве случаев на линиях связи корреляционная функция близка к гауссовской кривой. Её в дальнейшем и будем использовать при анализе.
Определим собственные числа матрицы [KqJq] подстановкой (3.53) в (3.54), получим Из (3.56) видно, что вероятность ошибки зависит от отношения энергии символа к спектральной плотности мощности шума hq , от размера обучающей выборки М и от коэффициентов, характеризующих скорость изменения параметров сигнала rlq,r2q,r3q .
На рисунке 3.6 приведены зависимости вероятности ошибки р от размера обучающей выборки М при разных Q, вычисленные по формуле (3.56), в предположении Л2=/г2=102 (одинаковая средняя интенсивность сигналов разных ветвей разнесения), при гауссовской аппроксимации (?,,г2)при Т/тк = 10"2 (сплошные линии) и при Т/ц = 5-Ю"2 (штриховые линии). Здесь же для сравнения приведены зависимости потенциальной помехоустойчивости при rUj r2q r3q 1 (штрихпунктирные линии), что практически соответствует значению Т/тк 10" . Из приведённых зависимостей видно, что при Т/тк = 10" заметное уменьшение вероятности ошибки происходит на первых двух-трёх интервалах обучения, затем уменьшение вероятности ошибки замедляется и при М 1 вероятность ошибки будет возрастать вследствие декорреляции измеренных параметров сигнала. С увеличением М повышение помехоустойчивости приёма происходит более эффективно при большом числе ветвей разнесения. В рассматриваемых условиях значение Т/тк = 10" можно считать количественной оценкой (мерой) «медленности» замираний при гауссовской аппроксимации Rq(t{,t2)- При Т/тк = 5-Ю"2 вероятность ошибки при М = 2 практически не уменьшается по сравнению с М = 1, а при М 2 вероятность ошибки возрастает вследствие декорреляции измеренных параметров сигнала. Величина Т/тк = 5-Ю"2 близка к границе, характеризующей быстрые замирания, когда обучение на интервале М 1 нецелесообразно. Монотонное уменьшение вероятности ошибки с увеличением М наблюдается только при i\q r2q r3q 1 (практически при Т/тк 10"3), однако и в этих условиях целесообразно осуществлять обучение на интервале не более двух трёх элементов обучающей выборки, т.к. далее уменьшение вероятности ошибок сильно замедляется.
Заметим, что в системах технологии LTE значение Т/тк = 10"2 будет при скорости движения абонента v 70 км/ч. Технологией LTE предусматривается мобильность до скорости v = 350 км/ч, при этом т/тк = 5-Ю"2. Значение Т/тк 10"3 соответствует движению абонентской станции со скоростью пешехода. Из выражения (3.56) видно, что в каналах с конечной скоростью изменения параметров сигнала при неограниченном увеличении величины ]rq вероятность ошибки стремится не к нулю, а к предельному значению Например, при одиночном приёме (Q = 1) при Т/тк = 10"2 предельная вероятность ошибки при экспоненциальной аппроксимации Rq{tx,t2) равна рср = 3,4-10"3, а при гауссовской аппроксимации рср = 2,5-10"5. Предельная вероятность ошибки стремится к нулю только в каналах с неизменными параметрами (r/(/ = r2q = г3с} = 1) . В таких каналах предельный выигрыш по вероятности ошибки при М » 1 по сравнения сМ = \ составляет 2Q, реально он меньше.
На рисунке 3.7 приведены зависимости вероятности ошибки р от h =h при разных Q =1, 2, 3, 4 при обучении на интервале М - 1 при гауссовской аппроксимации Rq{t{,t2) при Т/тк = 10"2 (сплошные линии) и при Т/тк = 5-Ю"2 (штриховые линии). Штрихпунктирными линиями для сравнения показаны зависимости вероятности ошибки когерентного разнесённого приёма (потенциальная помехоустойчивость) фазоманипулированных сигналов в каналах с релеевскими замираниями. Зависимости р =f(h") между М = 1 и М » 1 пройдут на расстоянии (1 + 1/M)Q , что при М = 2...3 приводит к увеличению вероятности ошибки по сравнению с потенциальной помехоустойчивостью в (1,3 1,5)Q раз. Зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум (гауссовская аппроксимация Rq[tx,t2)) Из рисунка 3.7 видно замедление в уменьшении вероятности ошибки с увеличением /г2 вследствие декорреляции параметров сигнала из-за конечной скорости замираний, однако адаптивный приём и в таких условиях обеспечивает высокую достоверность связи в системах с OFDM и даже при высокой скорости движения абонента (в LTE до v = 350 км/ч). Таким образом, приём с обучением по опорным (пилотным) сигналам, в каналах с гауссовской корреляционной функцией замираний Rq{tx,t2) незначительно проигрывает оптимальному приёму при медленных (по сравнению с длительностью OFDM-символа) общих замираниях, которые наблюдаются в каналах функционирования систем WiMAX, Wi-Fi, LTE.
Для полноты картины на рисунке 3.8 приведены зависимости вероятности ошибки р от И2 при разных Q =1, 2, 3, 4 при обучении на интервале М = 1 при экспоненциальной аппроксимации Rq{h h) характерной для условий распространения сигналов в офисных помещениях [67]. Зависимости построены при Т/тк - 10 2 (сплошные линии) и при Т/тк = 10"3 (пунктир). Штрихпунктирными линиями показаны зависимости вероятности ошибки когерентного разнесённого приёма (потенциальная помехоустойчивость). Из рисунка 3.8 видно, что при экспоненциальной аппроксимации Rq{tx,t2) , замедление в уменьшении вероятности ошибки при увеличении h2 происходит гораздо быстрее, чем при гауссовской аппроксимации, вследствие декорреляции измеренных параметров сигнала. Но и в таких каналах обучение по опорным (пилотным) сигналам целесообразно.
Особенности моделирования радиосистем, использующих множественные антенны на передаче
На рисунке 4.7 показано, что в случае, когда коэффициент пространственной корреляции зафиксирован на уровне гтх = 0,5 для систем MISO с различным числом передающих антенн (2, 4, 8), помехоустойчивость системы не растет пропорционально с ростом количества антенн, а замедляется. Это объясняется тем, что при небольшом количестве передающих антенн (2 и 4) пространственная корреляция между антеннами оказывает сильное влияние, что сопровождается ухудшением помехоустойчивости системы. Например, при изменении коэффициента пространственной корреляции гтх на 0,5 (с 0,5 до 1) помехоустойчивость ухудшается на 5 дБ, в случае 2-х передающих антенн и на 0,5 дБ в случае 4-х антенн.
С ростом количества антенн, пространственно-временное кодирование позволяет преодолеть негативное влияние пространственной корреляции за счет пространственного разноса излучаемых векторов сигналов, таким образом, обеспечивая избыточность в пространстве и во времени. Система MISO с 4-мя антеннами проигрывает по помехоустойчивости системе MISO с 8-ю антеннами 3,5 дБ при вероятности ошибки 10" . При этом 4-х антенная система лучше по помехоустойчивости, чем 2-х антенная система на 5 дБ при том же коэффициенте ошибки 10"3. Этот эффект объясняется тем, что пространственная корреляция оказывает значимое влияние только между соседними антеннами, в то время как пространственно-временное кодирование распределяет вектора сигналов равномерно по всем антеннам. Следовательно, увеличение числа передающих антенн способствует росту помехоустойчивости системы радиосвязи. Однако, как видно из рисунка 4.7, с ростом числа антенн, улучшение помехоустойчивости системы MISO замедляется (5 дБ при переходе от 2-х антенн к 4-м и 3,5 дБ при переходе от 4-х антенн к 8-ми при BER 10"3), поскольку взаимная корреляция сигналов между антеннами в случае квазиортогонального кодирования возрастает.
Сравнительный анализ кривых, построенных с помощью компьютерного моделирования в среде MATLAB на основе сконструированных моделей систем радиосвязи, и теоретических кривых зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум, построенных по теоретической формуле с учетом коэффициента корреляции для каждого из типов канала, формула которого была выведена в разделе 3, показывает, что разница между экспериментальными и теоретическими результатами не превышает 0,5 дБ (что находится в пределах допустимой погрешности).
На основе данных сравнительного анализа можно сделать вывод, что теоретически-разработанная формула для определения вероятности ошибки и формула расчета матрицы коэффициентов корреляции, являются точными, и отражают действительные характеристики реальных систем радиосвязи.
Формула оценки вероятности ошибки, с учетом матрицы коэффициентов корреляции может быть использована для построения характеристик помехоустойчивости систем, моделирование которых может быть затруднительно в среде MATLAB (из-за большой вычислительной сложности), таких как системы с 32-мя или 64-мя передающими антеннами.
Схема с разнесенной передачей улучшает качество сигнала на приеме путем простого распределения сигнала по двум передающим антеннам. Получаемая кратность разнесения эквивалентна применению дифференциально-взвешенного приема по принципу максимального правдоподобия (MRRC) с двумя антеннами в приемнике. Схема может быть обобщена до М передающих антенн и 1 приемной антенны, для обеспечения кратности разноса М-го порядка. Это выполняется без какой-либо обратной связи от приемника к передатчику и с применением небольшой сложности вычислений. Схема разнесенной передачи не предполагает расширение полосы, т.к. избыточность обеспечивается в пространстве и во времени, а не по частоте.
Код Аламоути для систем с разнесенной передачей уменьшает коэффициент ошибок, увеличивает скорость передачи, или емкость канала беспроводных систем связи. Уменьшенная чувствительность к замираниям может позволить использование многопозиционных методов модуляции для повышения скорости передачи или уменьшения фактора переиспользования в многосотовых средах -для увеличения емкости всей системы. Разнос передачи может быть также использован для увеличения зоны покрытия беспроводной системы. Другими словами, он эффективен во всех приложениях, где емкость системы ограничена замираниями вследствие многолучевости.
В ходе исследования разработан ряд методик и решены следующие задачи: 1. Разработан подход к унификации техники пространственно-временного кодирования Аламоути. С помощью данного подхода представляется возможным оценка помехоустойчивости систем радиосвязи с М передающими антеннами, работающих с одной приемной антенной.
В качестве математического обоснования проводимых исследований рассматривается классическая схема суммирования дифференциально 117 взвешенных сигналов, которая является основой реализации кода Аламоути. Использование данной схемы с разнесенной передачей на практике, применительно к 4-х, 8-й и более антенным системам, возможно при помощи метода Аламоутизации, в ходе которого схема Аламоути масштабируется до необходимого порядка, с использованием рекурсивного правила Уолша-Адамара.
Для определения помехоустойчивости систем с множественными передающими антеннами создана корреляционная модель, которая описывается как совокупность коэффициентов корреляции от различных влияющих факторов: пространственная корреляция и кодовая корреляция.
Коэффициент пространственной корреляции используется в виде матрицы коэффициентов корреляции между антеннами. Для определения коэффициента корреляции между двумя антеннами в зависимости от расстояния между ними, дано определение понятию углового рассеивания.
В квазиортогональных пространственно-временных кодах коэффициент корреляции между кодовыми словами представляет собой матрицу корреляции соответствующих векторов сигналов. В разделе 3 показано, что для ортогональных кодов данная матраца корреляции равна единичной матрице, т.к. коэффициенты корреляции между всеми векторами равны нулю. Коэффициент кодовой корреляции между двумя векторами рассчитан для случаев с 4-мя и 8-ю передающими антеннами, и далее это понятие обобщено для М антенн.
Вероятность ошибки в каналах MISO рассчитывается через собственные числа матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом матрицы взаимной корреляции. Корреляция, зависящая от нескольких факторов (пространственная и кодовая корреляция) рассчитывается с использованием коэффициента множественной корреляции.
Похожие диссертации на Исследование методов повышения помехоустойчивости систем радиосвязи с использованием технологии MIMO и пространственно-временной обработки сигнала
-
-
-
-
-
