Методика обработки сигналов и оценки параметров систем радиосвязи с ортогональными поднесущими при радиоконтроле Сладких Владимир Александрович

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ, структура и характеристики средств радиоконтроля систем радиосвязи с ортогональными поднесущими 17

1.1 Система радиоконтроля в РФ и ее возможности по надзорной деятельности за излучением систем радиосвязи с ортогональными поднесущими 17

1.2 Основные принципы ортогонального частотного разделения каналов 21

1.3 Особенности построения приемной аппаратуры средств радиоконтроля систем радиосвязи стандартов 802.11 a/g/n 28

1.4 Оценка зоны электромагнитной доступности широкополосных систем радиодоступа при взаимодействии стационарных и мобильных средств радиоконтроля 31

1.5 Особенности радиоконтроля широкополосных систем радиодоступа стандартов 802.11a/g/n 36

Выводы к главе 1 39

2 Имитационная модель для исследования алгоритмов приема и обработки радиосигналов с ортогональными поднесущими 40

2.1 Структура пакета стандартов 802.11a/g/n 40

2.2 Структурная схема имитационной модели и ее функциональные возможности 41

2.3 Модели радиоканалов связи 45

2.4 Влияние неточности частотно-временной синхронизации и компенсации коэффициента передачи канала связи 53

Выводы к главе 2 57

3 Разработка и исследование алгоритмов обработки сигналов систем радиосвязи с ортогональными поднесущими 58

3.1 Обзор известных алгоритмов оценки момента начала OFDM блока и частотного сдвига з

3.2 Алгоритм уточнения момента начала OFDM блока и повышения точности оценки частотного сдвига 63

3.3 Исследование алгоритмов оценки коэффициента передачи канала связи 69

3.4 Исправление ошибок в битовом потоке за счет свойств структуры CRC 81

Выводы к главе 3 91

4 Разработка аппаратно-программного анализатора для контроля радиосигналов стандартов 802.11a/g/n 93

4.1 Структурная схема аппаратно-программного комплекса на базе ЦРПУ АРГАМАК-ИС 93

4.2 Результаты тестирования работы анализатора в лабораторных условиях 98

4.3 Внедрение результатов диссертации в аппаратно-программные комплексы радиомониторинга АО «ИРКОС» (г. Москва) 107

Выводы к главе 4 113

Заключение 114

Список литературных источников

• Основные принципы ортогонального частотного разделения каналов
• Особенности радиоконтроля широкополосных систем радиодоступа стандартов 802.11a/g/n
• Влияние неточности частотно-временной синхронизации и компенсации коэффициента передачи канала связи
• Исправление ошибок в битовом потоке за счет свойств структуры CRC

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Наблюдаемое в последние годы качественное изменение характера загрузки радиоэфира состоит в стремительном нарастании доли радиосигналов широкополосных систем цифровой радиосвязи с ортогональными поднесущими, в частности, систем беспроводного радиодоступа стандартов 802.11a/g/n. Лежащая в их основе технология частотного ортогонального разделения каналов с мультиплексированием (OFDM), предполагающая передачу данных параллельно на множестве поднесущих частот, обеспечивает высокую спектральную эффективность и позволяет наилучшим образом справляться с межсимвольными искажениями сигналов, обусловленными сложным физическим каналом связи с многолучевым распространением.

Развитие современных систем радиосвязи требует адекватного совершенствования средств радиоконтроля, обеспечивающих надзор за использованием радиочастотного ресурса. Несоблюдение норм на параметры излучений радиоэлектронных средств приводит к возникновению помех, которые могут оказать существенное воздействие на аппаратуру систем управления, служб быстрого реагирования и других структур, использующих различные виды высокотехнологичных услуг, связанных с возможностями широкополосных систем радиосвязи. Как следствие, возрастает потребность в технических средствах радиоконтроля, пригодных для контроля радиосигналов c ортогональными поднесущими и, в частности, систем беспроводного радиодоступа стандартов 802.11a/g/n.

Полнофункциональные анализаторы спектра и сигналов от ведущих мировых производителей аппаратуры радиоконтроля (Rohde&Schwarz, Agilent, Tektronix), обеспечивают быстрый цифровой спектральный анализ и опциональное определение параметров радиосигналов различных стандартов, в том числе и стандартов 802.11 a/g/n. Однако, как правило, подобные приборы не предполагают контроль соблюдения территориально-частотного плана, построения топологии сети и оценки ряда других, существенных для служб радиоконтроля параметров. Более того, базовая технология построения анализаторов, как правило, ориентирована на реализацию универсальных функциональных возможностей, в базовой комплектации анализаторов обычно нет блоков предварительной селекции сигналов, поэтому их использование для решения задач радиоконтроля затруднительно. Кроме того, большинство подобных анализаторов спектра являются образцами зарубежного производства, имеют высокую стоимость, приобретение некоторых образцов невозможно без лицензии. Отечественные же анализаторы спектра (ЗАО ПФ «Элвира», ЗАО "Московский Приборостроительный Завод Тетрон"), как правило, не являются универсальными, уступают зарубежным образцам по функциональным возможностям, а также не преду-

сматривают определения параметров радиосигналов различных стандартов, в том числе и стандартов 802.11 a/g/n.

Специализированные адаптеры, предназначенные для контроля систем радиодоступа по эфиру, в отличие от анализаторов спектра, имеют более узкий перечень измеряемых параметров радиосигналов, используют некалиброванные антенные системы и работают только в лицензируемых диапазонах частот 2412-2484 МГц и 5170-5320 МГц, что ограничивает их применение в средствах радиоконтроля.

Таким образом, организация эффективного радиоконтроля разрабатываемых широкополосных систем цифровой радиосвязи с ортогональными поднесущими требует совершенствования существующих средств радиоконтроля в направлении повышения качества измерения и количества измеряемых параметров радиосигналов, расширения рабочего диапазона частот.

Дополнительным осложняющим фактором в деятельности служб радиоконтроля является необходимость проведения измерений параметров сигналов на границах зоны электромагнитной доступности устройств беспроводных систем передачи данных. Это связано, во-первых, с малой мощностью устройств беспроводных сетей, а также использованием ими направленных излучающих антенн. Во-вторых, при осуществлении планового радиоконтроля на больших территориях измерения проводятся в ограниченном наборе точек местности, в которых не гарантирован высокий уровень сигнала от устройств беспроводной сети. Более подробное проведение измерений требует существенных материальных и временных затрат, а иногда осложняется отсутствием дорог, наличием искусственных заграждений, различных сооружений. В-третьих, нередко возникает необходимость скрытного осуществления радиоконтроля; в подобных условиях размещение антенны радиоприемника в более выгодных с точки зрения приема сигналов условиях затруднительно. Как следствие, прием и обработку радиосигналов стандартов 802.11a/g/n приходится производить в условиях слабого уровня сигнала в точке приема и при наличии многолучевости. В таких условиях для эффективного обнаружения, частотно-временной синхронизации, оценки канала связи и декодирования принимаемых сигналов, а также повышения точности оценки параметров сигналов, необходимо целенаправленное улучшение существующей методики обработки сигналов систем радиосвязи с ортогональными поднесущими.

C учетом вышесказанного актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью совершенствования существующей методики обработки сигналов в средствах радиоконтроля широкополосных систем связи с ортогональными поднесущими для обеспечения приема сигналов и оценки их параметров в широком диапазоне частот в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.

Задаче обработки сигналов OFDM-систем радиосвязи посвящено большое количество как зарубежных, так и отечественных работ. В частности, разработкой алгоритмов частотной и символьной синхронизации OFDM-систем занимались Т.М. Schmidl, D.C. Cox, R. Prasad, J. Heiskala, K.Wang, T.Fusco, J.J. Van de Beek, Б.И. Шахтарин, А.В. Гармонов, В.Б. Ма-нелис и др. В то же время описанные выше особенности радиоконтроля определяют необходимость дополнительного исследования и совершенствования известных алгоритмов обработки сигналов.

Диссертация выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приёма, обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2010.49 «Разработка и исследование методов повышения эффективности и помехозащищенности систем передачи и обработки информации».

Целью диссертационной работы является совершенствование методики обработки и оценки параметров сигналов для средств радиоконтроля широкополосных систем радиосвязи с ортогональными поднесущими в направлении расширения обслуживаемого ими диапазона частот с обеспечением определения параметров и характеристик радиосигналов в условиях низкого отношения сигнал-шум (ОСШ) и наличия многолучевости.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка имитационной модели для исследования алгоритмов приема и обработки сигналов стандарта IEEE 802.11a, учитывающей особенности канала передачи информации и параметры приемной аппаратуры.

2. Разработка и обоснование структурной схемы анализатора радиосигналов стандартов 802.11a/g/n для средств радиоконтроля.

3. Разработка и исследование точностных характеристик алгоритмов оценки момента начала OFDM-блока и частотного сдвига, использующих обучающие последовательности и информационную часть принимаемого OFDM-сигнала.

4. Исследование алгоритмов оценки и подстройки коэффициента передачи канала в многолучевых каналах связи.

5. Разработка алгоритма, позволяющего определять для структур CRC распределение кодовых расстояний разрешенных кодовых комбинаций, обеспечивающих исправление различного числа ошибок.

6. Разработка алгоритма коррекции ошибок в кодовой комбинации без использования запросов по обратному каналу на ее повторение на основе применения свойств структур CRC.

7. Аппаратная реализация алгоритма обнаружения сигнала и экспериментальное исследование разработанных алгоритмов приема сигналов стандарта IEEE 802.11a.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

8. Имитационная модель для исследования алгоритмов приема и обработки сигналов стандартов IEEE 802.11a/g/n, отличающаяся возможностью установки характеристик канала связи и параметров приемной аппаратуры (уровень фазовых шумов, частота дискретизации, в том числе не кратная частоте следования символов) и позволяющая экспериментально исследовать точностные характеристики известных и предложенных в работе алгоритмов.

9. Алгоритм частотно-временной синхронизации, отличающийся использованием как обучающих последовательностей, так и всей информационной части принимаемого OFDM-сигнала и позволяющий получать более точную оценку частоты радиосигнала и момента начала OFDM-блока.

10. Алгоритм итеративной подстройки коэффициента передачи канала радиосвязи, отличающийся использованием усреднения пилотных под-несущих при оценке информационных поднесущих и минимизирующий вероятность битовых ошибок в исследуемых многолучевых каналах связи.

11. Структура аппаратно-программной обработки радиосигналов стандарта 802.11а, отличающаяся обнаружением сигнала в аппаратной части приемника и дальнейшей обработкой сигнала на ПЭВМ, позволяющая проводить обработку сигналов в реальном времени при невысокой алгоритмической сложности процедур обработки, обеспечивающая работу в широком диапазоне частот, определяемым выбранным цифровым радиоприемным устройством.

12. Алгоритм исправления битовых ошибок на основе свойств структур CRC, отличающийся обеспечением не только обнаружения, но и коррекции ошибок в кодовой комбинации без использования запросов по обратному каналу радиосвязи на ее повторение.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная математическая модель может быть использована для исследования новых и существующих алгоритмов обработки сигналов для разных каналов распространения и при различных параметрах приемной аппаратуры. Предложенная структурная схема приемника позволяет значительно расширить сканируемый диапазон частот по сравнению со специализированными адаптерами и обеспечить достаточно высокое быстродействие. Использование разработанной и исследованной в работе методики обработки сигналов позволяет повысить эффективность работы систем радиоконтроля в условиях низкого ОСШ и многолучевого распространения сигналов. Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для проектирования аппаратуры контроля радиосигналов беспроводного доступа.

Методы исследования. При выполнении работы использовался математический аппарат теории вероятностей, статистической радиотехники и математической статистики. Проверка работоспособности предложенных алгоритмов проводилась имитационным моделированием с использованием ЭВМ, сравнение чувствительности предложенных и стандартных алгоритмов осуществлялось экспериментально на основе стендовых испытаний.

Основные положения, выносимые на защиту

13. Использование в алгоритме оценки момента начала OFDM блока информационной части принимаемого сигнала (30 OFDM символов) при ОСШ ниже 0 дБ обеспечивает выигрыш в 2-3 дБ по сравнению со стандартным двухэтапным алгоритмом временной синхронизации как в канале с аддитивным гауссовским белым шумом (АБГШ), так и в многолучевых каналах связи.

14. Использование в алгоритме оценки частотного сдвига информационной части принимаемого сигнала (30 OFDM символов) при ОСШ ниже 0 дБ обеспечивает выигрыш от 2 до 6 дБ по сравнению со стандартным двухэтапным алгоритмом частотной синхронизации для разных моделей каналов и различных допустимых погрешностей оценки частоты.

15. Использование непрерывной коррекции первичной оценки канала по длинным обучающим символам (ДОС) на основе усреднения отклонений оценок канала на пилотных поднесущих информационных OFDM символов позволяет получить выигрыш по сравнению с оценкой канала по ДОС около 1 дБ в канале с АБГШ и порядка 0.7-1.5 дБ в каналах с много-лучевостью.

16. Для получения высокой скорости сканирования сетки частот при обеспечении невысокой алгоритмической сложности реализации обработки на ПЛИС рекомендуется осуществлять разделение выполняемых процедур обработки сигналов на аппаратное обнаружение сигналов с ортогональными поднесущими с последующим анализом сигналов в программной части анализатора.

17. Дополнительно к обнаружению структурой CRC ошибок в принятой кодовой комбинации следует применять процедуру коррекции ошибок, обеспечивающую для модуляции QPSK и длины сообщения 1024 бита выигрыш порядка 4 дБ по сравнению с обычной процедурой обнаружения ошибок.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы при разработке аппаратно-программного комплекса «СМО-БС Wi-Fi» производства НПК АО «ИРКОС» (г. Москва), обеспечивающего обнаружение и технический анализ сигналов широкополосного радиодоступа стандартов 802.11a/b/g/n приёмниками «АРГАМАК-ИС» и «АРК-Д11». Разработанные математические модели для исследования алгоритмов обработки сигналов стандарта

802.11a и результаты исследования свойств структур CRC внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных принципов и методов синтеза алгоритмов обработки широкополосных сигналов, использующих технологию ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием, подтверждается результатами практической проверки разработанных алгоритмов в комплексах радиоконтроля и, в частных случаях, согласованием с результатами моделирования известных алгоритмов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци
онной работы докладывались и обсуждались на Международной конферен
ции «Системные проблемы надежности, качества, компьютерного модели
рования, кибернетических, информационных и телекоммуникационных
технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2013); Всероссийском кон
курсе научно-исследовательских работ магистров, аспирантов и молодых
ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радио
электронного комплекса в рамках VIII - X Всероссийских научно-
практических конференций «Планирование и обеспечение подготовки кад
ров для промышленно-экономического комплекса региона» (Санкт-
Петербург, 2013); XIV, XV и XX Международных научно-технических
конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2008, 2009,
2014); ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воро
нежский государственный технический университет» и научно-
методических семинарах кафедры радиотехники и кафедры конструирова
ния и производства радиоаппаратуры (2010-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, включая 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 5 докладов на научно-технических конференциях и семинарах, 1 патент РФ на изобретение.

Личный вклад автора состоит в разработке имитационной модели для исследования алгоритмов приема и обработки радиосигналов с ортогональными поднесущими ; в оценке зон электромагнитной доступности устройств беспроводного радиодоступа [3; в разработке и исследовании алгоритмов оценки момента начала OFDM-блока и частотного рассогласования между частотой принимаемого сигнала и гетеродина приемника ; в исследовании алгоритмов оценки и подстройки коэффициента передачи канала связи ; в разработке имитационной модели возникновения ошибок в канале передачи данных ; в разработке и исследовании алгоритма исправления различного числа ошибок на основе свойств структур CRC ; в разработке и обосновании структурной схемы аппаратно-

программного анализатора сигналов стандарта 802.11 а/g/n . Автор лично участвовал в экспериментальных исследованиях макета анализатора сигналов 802.11а, а также натурных испытаниях аппаратно-программного комплекса радиомониторинга СМО БС Wi-Fi НПК АО «ИРКОС» .

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 58 наименований, и 5 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах, содержит 62 рисунка и 8 таблиц.

Основные принципы ортогонального частотного разделения каналов

Радиоконтроль (РК) является «составной частью системы государственного управления использованием радиочастотного спектра и международно-правовой защиты присвоения (назначения) радиочастот или радиочастотных каналов и представляет собой комплекс организационных и технических мероприятий, осуществляемых путем измерений и инструментальных оценок параметров излучений радиоэлектронных средств (РЭС) и (или) высокочастотных устройств (ВЧУ)» [1]. «Радиоконтроль осуществляется в целях: - выявления не разрешенных для использования радиоэлектронных средств и прекращения их работы; - выявления источников радиопомех; - выявления нарушения порядка и правил использования радиочастотного спектра, национальных стандартов, требований к параметрам излучения (приема) РЭС и (или) высокочастотных устройств; - обеспечения электромагнитной совместимости РЭС; - обеспечения эксплуатационной готовности радиочастотного спектра» [2] . «При осуществлении радиоконтроля решаются следующие задачи: а) оценка параметров излучений радиоэлектронных средств, установлен ных решениями о выделении полос радиочастот либо разрешениями на использо вание радиочастот или радиочастотных каналов и предусмотренных националь ными стандартами и техническими регламентами, определяющими обязатель ные требования к параметрам излучений радиоэлектронных средств; б) поиск не разрешенных для использования радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств; в) выявление источников создания недопустимых радиопомех радиоэлек тронным средствам гражданского назначения в полосах радиочастот преиму щественного пользования радиоэлектронными средствами гражданского назна чения и совместного пользования радиоэлектронными средствами любого назна чения; г) контроль за излучениями радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств в целях обеспечения международно-правовой защиты присвоения ра диочастот или радиочастотных каналов, в отношении которого осуществляет ся между народно-правовая защита» [1]. «В ходе радиоконтроля проводятся следующие мероприятия: а) измерение и инструментальная оценка параметров излучений радио электронных средств и высокочастотных устройств; б) проверка соблюдения установленных правил радиообмена; в) проверка выполнения владельцами радиоэлектронных средств временных запретов и ограничений на использование радиочастот, вводимых при проведе нии специальных мероприятий и в чрезвычайных ситуациях; г) поиск и определение местоположения радиоэлектронных средств, ис пользующих не по назначению радиочастоты, в том числе радиочастоты бедст вия или радиочастоты служб, участвующих в поисково-спасательных операциях; д) поиск и определение местоположения источников создания недопусти мых радиопомех радиоэлектронным средствам, а также источников неразре шенных излучений» [1].

Объектами радиоконтроля, подконтрольными Мининформсвязи России, являются все радиоэлектронные средства гражданского назначения страны. Состав средств гражданского назначения весьма разнороден, так как охватывает все виды средств, используемые в многочисленных областях коммерческой и производственной деятельности. По итогам III квартала 2012 года общее количество РЭС и ВЧУ, подконтрольных Мининформсвязи, составило около 1838 тысяч [3]. Из них почти 25 тыс. занимают зарегистрированные базовые станции сетей беспроводного абонентского радиодоступа. Стремительное развитие радиотехнологий требует постоянного совершенствования существующей системы радиоконтроля. В целях обеспечения системного подхода к совершенствованию системы радиоконтроля с 2002 года разрабатывается концепция [5], в которой рассматривается современное состояние системы управления использования радиочастотного спектра РЭС гражданского назначения, а также приводится комплекс мероприятий по совершенствованию системы радиоконтроля в Российской Федерации. В частности, в концепции отмечено, что системы широкополосного беспроводного радиодоступа/радиосвязи являются одним из наиболее развивающихся сегментов телекоммуникационного рынка. К особенностям сетей беспроводного радиодоступа относятся передача данных в пакетном режиме, высокая пропускная способность каналов связи и размеры зон обслуживания базовых станций 2-3 км. В основе многих стандартов беспроводного радиодоступа лежит технология ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием (OFDM), предполагающая передачу данных параллельно на множестве поднесущих частот, обеспечивающая высокую спектральную эффективность и позволяющая наилучшим образом справляться с межсимвольными искажениями сигналов. Дальнейшее развитие беспроводных систем предполагает повышение доли радиосигналов с ортогональными подне-сущими и увеличение скорости передачи данных, что требует перехода в более высокие частотные диапазоны с полосой канала до 50 МГц. Наиболее перспективным для развития беспроводных локальных сетей является диапазон 5 ГГц в силу его меньшей загруженности по сравнению с давно используемым диапазоном 2.4 ГГц.

Рассмотрим особенности радиоконтроля беспроводных систем радиодоступа стандартов 802.11a/g/n (Wi-Fi), использующих ортогональное частотное разделение каналов. В России использование Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. В список регистрируемого оборудования не входит пользовательское оборудование беспроводного доступа в полосе радиочастот 2400 –

2483.5 МГц с мощностью излучения передающих устройств до 100 мВт включительно, а также оборудование, работающее в диапазонах 5150 – 5350 МГц и 5650 – 6425 МГц [6]. Для легального же использования внеофисной беспроводной сети Wi-Fi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот. Для использования радиочастот в других диапазонах, в частности 5 ГГц (стандарт 802.11a), также необходимо предварительно получить частное решение ГКРЧ.

Таким образом, конфигурация и территориальное размещение большинства точек доступа Wi-Fi сетей в России регулируется государственными радиочастотными службами. В то же время практика показывает, что не всегда количество, рабочий диапазон частот и территориальное размещение базовых станций беспроводных сетей соответствуют выданным разрешениям. Незарегистрированные точки доступа, находящиеся в зоне действия легитимно установленных устройств, уменьшают пропускную способность канала связи для последних. Несоблюдение норм на параметры излучений радиоэлектронных средств и использование нерег-ламентированных стандартами диапазонов частот приводит к возникновению помех, которые могут оказать существенное воздействие на аппаратуру систем управления, служб быстрого реагирования и других структур, использующих различные виды высокотехнологических услуг, связанных с возможностями широкополосных систем радиосвязи. Таким образом, задача радиоконтроля сетей абонентского беспроводного радиодоступа, включающая в себя проверку соблюдения разрешений на использование радиочастотного спектра, проверку заявленных характеристик излучения, проверку соответствия параметров точек доступа частотно-территориальному плану, исследование конфликтных ситуаций при решении вопросов электромагнитной совместимости, представляется весьма актуальной в настоящее время.

Особенности радиоконтроля широкополосных систем радиодоступа стандартов 802.11a/g/n

Каждый фрейм начинается с преамбулы длительностью 16 мкс. Преамбула состоит из 10 коротких обучающих OFDM-символов длительностью 0.8 мкс каждый и из 2 длинных обучающих OFDM-символов длительностью 3.2 мкс каждый. Короткие обучающие символы (КОС) необходимы для обнаружения сигнала, начальной временной синхронизации и грубой оценки частотного сдвига между приемником и передатчиком. Обучающая последовательность, состоящая из двух длинных обучающих символов (ДОС) Т1, Т2 и удвоенного защитного интервала (ЗИ), предназначена для точного оценивания частоты, точной временной синхронизации и оценки частотной характеристики пространственного канала связи.

После преамбулы передается служебная информация длиной 1 OFDM-символ длительностью 4 мкс (вместе с защитным интервалом). В этом поле содержатся данные об используемой скорости передачи и виде модуляции, длине передаваемого в данном фрейме сообщения, а также нулевые биты для приведения регистров декодера Витерби в нулевое состояние.

После передачи служебной информации начинается передача данных. Субфрейм данных, в свою очередь, состоит из четырех полей: SERVICE, PSDU, TAIL, Pad Bits. Все биты этого субфрейма подвергаются скремблированию. Назначение каждого поля описано в стандарте 802.11a [27].

Поле PSDU (информационное поле) содержит непосредственно передаваемые данные. Его длительность является переменной и может достигать 3 мс. В начале информационного блока передается заголовок MAC-уровня: в нем находится информация о типе пакета (управляющий, служебный, информационный), аппаратные адреса передатчика и приемника, идентификатор сети. Стоит отметить, что необходимая с точки зрения радиоконтроля широковещательная информация имеется не во всех типах пакетов. В конце информационного блока расположена 32-битная последовательность для проверки контрольной суммы.

При имитационном моделировании используется, как правило, функциональный принцип, согласно которому разрабатываемая модель с достаточной точностью должна воспроизводить функции оригинала, необходимые с точки зрения проведения исследований. Задача моделирования любой радиосистемы состоит из трех этапов: воспроизведение случайных входных и возмущающих воздействий, преобразование входных и возмущающих воздействий по алгоритму обработки данных в моделируемой системе, статистическая обработка результатов моделирования [28].

Имитационная модель, воспроизводящая процесс приема и обработки сигналов в аппаратуре радиоконтроля, должна обеспечивать следующие функциональные возможности: 1) Выбор основных параметров принимаемого сигнала (количество OFDM-символов, скорость кодирования, вид модуляции, скорость передачи информации). 2) Задание частоты дискретизации сигнала (частота дискретизации в приемнике может быть не кратна частоте следования символов сигнала). 3) Выбор модели канала связи (установка параметров многолучевого канала связи, воспроизведение аддитивных и мультипликативных помех с заданными характеристиками). 4) Установка основных параметров приемной аппаратуры (уровень фазовых шумов, смещение частоты настройки приемника от центральной частоты сигнала). 5) Выбор используемых алгоритмов приема и обработки сигналов. 6) Анализ эффективности исследуемых алгоритмов приема и обработки радиосигналов по выбранным критериям, в том числе по точности оценки частотно-временного положения радиосигнала, ошибке модуляции и битовой ошибке. Обобщенная структурная схема имитационной модели для исследования алгоритмов приема и обработки радиосигналов с ортогональными поднесущими изображена на рис. 7. Разработанная имитационная модель построена на основе модели системы IEEE 802.11a из стандартной библиотеки пакета MATLAB [29]. По аналогии с известной моделью системы IEEE 802.11a разработанная модель также поддерживает все возможные скорости передачи данных и виды модуляции, технологию кодирования, перемежения и скремблирования данных, позволяет устанавливать характеристики многолучевого канала связи, а также обеспечивает исследование формы сигнала и его спектра в различных узлах передатчика и приемника. В то же время в отличие от известной модели разработанная имитационная модель имеет следующие дополнительные возможности: - установка произвольной частоты дискретизации сигнала в приемнике, в том числе и не кратной частоте следования отсчетов; - оценка момента прихода OFDM-символа и частотного сдвига; - использование произвольных алгоритмов частотно-временной синхрони зации и оценки канала связи в отличие от стандартных блоков пакета MATLAB; - установка характеристик специфичных для IEEE 802.11a каналов связи; - статистическая обработка результатов экспериментов для оценки показателей качества приема сигнала. Рисунок 7 – Обобщенная структурная схема имитационной модели Разработанная имитационная модель состоит из четырех больших функциональных блоков. В блоке формирования видеосигнала содержатся основные блоки реальной системы передачи данных. Алгоритм формирования пакета данных следующий: 1) Формирование битового потока включает в себя формирование информационной последовательности, сверточное кодирование и перемежение информационного битового потока, сигнальное кодирование. Скорость помехоустойчивого кодирования и вид сигнального кодирования устанавливаются пользователем. Длина пакета задается количеством информационных OFDM-символов. Для уп 44 рощения алгоритма формирования информационного потока блоки сверточного кодирования и перемежения могут отсутствовать. 2) Добавление пилотных поднесущих, короткой и длинной обучающих последовательностей. 3) Обратное преобразование Фурье (ОБПФ) производится для получения значений комплексной огибающей OFDM символов. 4) Добавление циклического префикса для каждого информационного OFDM-символа и формирование пакета. Основные параметры моделируемого радиосигнала соответствуют параметрам сигнала стандарта 802.11а: - общее число поднесущих равно 64, из них 48 – информационные, 4 – пилотные поднесущие. - полоса частот сигнала – 20 МГц - длительность OFDM-символа 4 мкс, из них 0,8 мкс – длина защитного интервала. - короткая обучающая последовательность состоит из 10 коротких OFDM-символов длительностью 0,8 мкс и 2 длинных длительностью 3,2 мкс (без защитного интервала).

Влияние неточности частотно-временной синхронизации и компенсации коэффициента передачи канала связи

Приведенные зависимости также показали преимущество использования метода усреднения при подстройке канала для более длинных сообщений с длиной 200 OFDM-символов.

Таким образом, на основе статистического моделирования выявлено, что в условиях шума и многолучевого распространения радиоволн целесообразно использовать коррекцию первичной оценки канала по ДОС на основе усреднения отклонений оценок канала на пилотных поднесущих. При подстройке первичной оценки канала использование алгоритма усреднения позволило получить выигрыш по сравнению с первичной оценкой канала около 1.0 дБ в канале с АБГШ и порядка 0.7-1.5 дБ в каналах с многолучевостью.

Стандарт 802.11 a/g/n определяет, что проверка целостности принимаемых данных осуществляется путем проверки параметра контрольной суммы CRC (Cyclic Redundancy Chuck) [48]. В случае обнаружения проблемы с CRC в принятом фрейме получатель сообщения не отправляет специальный фрейм подтверждения или отправляет запрос о повторной отсылке сообщения, в результате чего передатчик вынужден отправлять сообщение до тех пор, пока не получит от принимающей стороны фрейм подтверждения. Таким образом, штатные приемники системы используют структуру CRC только для обнаружения ошибок в принимаемом сообщении.

Несмотря на то, что организация радиоконтроля не подразумевает вскрытие передаваемой абонентами сети информации, она подразумевает выделение из декодированного битового потока необходимой широковещательной информации: тип сети, идентификаторы сети и подсети, аппаратные MAC-адреса клиентов подсети и др. Соответственно, для проверки правильности приема сообщения приемник радиоконтроля должен осуществлять проверку параметра контрольной суммы CRC. В то же время приемник радиоконтроля, осуществляющий прием сигналов от источников излучения систем широкополосного доступа, будет находиться, с точки зрения приема сигналов, в худшем положении, чем штатные приемники системы, так как он принимает, как правило, ослабленные сигналы, что связано с организацией процедуры радиоконтроля. Кроме того, в отличие от получателя информации приемник радиоконтроля не имеет возможности сформировать и передать запрос на повторную отсылку фрейма. Поэтому возникает задача совершенствования процедур обработки сигналов структурой CRC приемника радиоконтроля, направленных не только на обнаружение, но и на исправление возникших ошибок в данных без организации дополнительных перезапросов.

В соответствии с принятыми процедурами для обеспечения выявления наличия ошибок в принятой информации перед ее передачей в канал связи к содержимому кадра данных, представленного полиномом V(x), добавляется набор единиц L(x), количество которых равно длине поля CRC. k ) Полученный в результате полином x32V(x) + x L(x), где k – степень V(x , делится на производящий полином CRC g(x) = x32 +x26 +x23 + x22 + x16 +x12 +x11 +x10 +x8 +x7 +x5 +x4 +x2 +x1 +1. Остаток Q(x) от деления, определяемый из выражения q(x)g(x) = x32V(x) + xk L(x) +Q(x) , где q(x) – частное от деления x32V(x) + xk L(x) на производящий полином g(x), в инвертированном виде помещается в контрольное поле кадра. На приемной стороне производится деление содержимого кадра с полем CRC k ) x32V (x)+x L(x)+Q(x , где V (x) = x32V(x) + L(x) +Q(x) – передаваемая кодовая комбинация, на полином g(x) . Результат такого деления можно привести к виду: x V(x) + x L(x) + Q(x) /g(x) + л L(x)/g(x) = jr [e(x)g(x)]/g(x) + jr L(x) I g(x) . Числитель первого слагаемого делится на g(x), поэтому в приемнике, если при передаче не было ошибок, остаток получается равным остатку от деления (xL(x)/g(x)) и равен некоторому определенному числу (в некоторых системах нулю), что свидетельствует о выполнении передачи данных без ошибок, в противном случае в принятых данных ошибки будут иметь место. Реализация и исследование процедуры возможного исправления ошибок в битовом потоке за счет свойств структур CRC предполагает решение следующих конкретных задач: - разработка алгоритма формирования различных видов искажений в кодовой комбинации, как по интенсивности, так и по продолжительности воздействия; - разработка алгоритма коррекции ошибок в кодовой комбинации без использования запросов по обратному каналу на ее повторение; - разработка алгоритма, позволяющего определять для структур CRC распределение кодовых расстояний разрешенных кодовых комбинаций, обеспечивающих исправление различного числа ошибок. Алгоритм формирования в модели канала связи различных видов искажений символов в кодовых словах для исследования свойств структур CRC предполагает получение независимых, группирующихся и смешанных ошибок с различной интенсивностью и продолжительностью. Формирование в алгоритме последовательности независимых ошибок {Ei } базируется на основе генератора случайных чисел с равномерным законом распределения, выбор которых происходит в зависимости от задаваемой величины вероятности ошибок p .

Формирование группирующихся ошибок осуществляется с использованием аппарата цепей Маркова (последовательное описание) [49]. При этом предполагается, что рассматривается двоичный симметричный канал, и он может находиться в одном из двух состояний – хорошем (0) или плохом (1). В хорошем состоянии вероятность ошибки P0 = 0, а в плохом вероятность ошибки P1 = const.

Если при передаче символа сообщения на (i -1)-ой позиции канал находится в хорошем состоянии, то на следующей позиции i он останется в том же хорошем состоянии с вероятностью P00 или перейдет в плохое состояние с вероятностью P01 =1- P00 . Наоборот, если на (i -1)-ой позиции канал находится в плохом состоянии, то на i-й позиции он останется с вероятностью P11 в том же состоянии, а с вероятностью P10 =1- P11 перейдет в хорошее состояние. В такой модели последовательность ошибок полностью определяется матрицей переходных вероятностей: 10 (38) В алгоритме предполагается, что в основе модели группирования лежит генератор псевдослучайной последовательности десятичных чисел, которая затем в соответствии с матрицей переходных вероятностей (38) преобразуется в последовательность группирующихся ошибок {Ei} в виде набора единиц, неискаженные позиции отражаются в виде нулей. Установки в алгоритме формирования искажений в кодовых комбинациях предполагают, что для независимых ошибок выбирается только значение вероятности независимых ошибок p, группирующиеся ошибки задаются значением вероятности P = p и вероятностью Pп, отражающей значение группирования ошибок, а смешанные ошибки получаются введением значений p, P1 и Pп. Структурная схема алгоритма показана на рис. 29.

Исправление ошибок в битовом потоке за счет свойств структуры CRC

Достоинствами предложенной аппаратно-программной структуры анализатора является возможность контроля радиосигналов во всем диапазоне частот, предусмотренном используемым радиоконтрольным оборудованием, возможность проведения высокоточных измерений параметров сигналов, высокая скорость сканирования частотного диапазона, возможность построения на базе данного ЦРПУ анализаторов других стандартов связи.

Апробация предложенной в работе методики обработки сигналов в макете анализатора подтвердила ее более высокую чувствительность по сравнению с известной методикой обработки сигналов в условиях канала АБГШ и многолучевого канала связи. Для всех видов модуляции сигнала, предусмотренных стандартом 802.11a, чувствительность предложенных алгоритмов подстройки синхронизации и оценки канала по информационным OFDM-символам, а также исправления ошибок в CRC выше на 1-2 дБ по сравнению со стандартным двухэтапным алгоритмом синхронизации и оценки канала по ДОС. Выигрыш предложенной методики в расстоянии до источника составляет от 6 до 26 % в зависимости от степени затухания сигнала.

Разработанный на базе ЦРПУ АРГАМАК-ИС анализатор радиосигналов стандартов 802.11a/g/n обеспечивает выполнение основных задач радиоконтроля беспроводных сетей широкополосного радиодоступа и может использоваться в средствах радиоконтроля государственных радиочастотных служб.

На базе мобильной станции АРГУМЕНТ-И и аппаратно-программного комплекса СМО БС Wi-Fi производства НПК АО «ИРКОС» экспериментально подтверждена работоспособность предложенной в работе методики обработки и оценки параметров сигналов стандартов 802.11 а/g/n в реальном времени.

Основные научно-технические результаты работы состоят в следующем.

1) Разработана имитационная модель системы радиосвязи с ортогональными поднесущими, содержащая основные функциональные блоки реальной системы и позволяющая экспериментально оценивать эффективность предложенных алгоритмов частотно-временной синхронизации и оценки коэффициента передачи канала связи. В отличие от известных аналогов разработанная модель позволяет устанавливать произвольные частоты дискретизации сигнала в приемнике, оценивать момент прихода OFDM-символа и частотный сдвиг, использовать различные алгоритмы частотно-временной синхронизации и оценки канала связи, устанавливать необходимые характеристики каналов связи, а также статистически обрабатывать результаты проводимых экспериментов. На основе разработанной имитационной модели получены количественные оценки эффективности технических решений, предложенных в диссертационной работе, что подтвердило их практическую значимость.

2) Предложен алгоритм оценки момента начала OFDM-блока, использующий как обучающие последовательности, так и информационную часть принимаемого OFDM-сигнала. При наличии многолучевости и низком ОСШ предложенный алгоритм обеспечивает выигрыш в 2-3 дБ по сравнению с известным двухэтапным алгоритмом оценки момента начала OFDM блока.

3) Предложен алгоритм оценки частотного рассогласования между частотой принимаемого сигнала и гетеродина приемника, использующий как обучающие последовательности, так и информационную часть принимаемого OFDM-сигнала. Показано, что в многолучевых каналах связи при использовании 30 дополнительных OFDM-символов предложенный алгоритм по сравнению с известным двух-этапным алгоритмом оценки частоты обеспечивает выигрыш в 2-2.5 дБ для относительной ошибки оценки частоты h= 0.0003 и порядка 5-6 дБ для h= 0.0002.

4) Выявлено, что в условиях шума и многолучевого распространения радиоволн целесообразно использовать коррекцию первичной оценки канала по ДОС на основе усреднения отклонений оценок канала на пилотных поднесущих. На основе статистического моделирования показано, что при подстройке первичной оценки канала использование алгоритма усреднения позволяет получить выигрыш по сравнению с первичной оценкой канала около 1.0 дБ в канале с АБГШ и порядка 0.7-1.5 дБ в каналах с многолучевостью.

5) Разработан алгоритм исправления битовых ошибок на основе свойств структур CRC, позволяющий исправить определенное число ошибок, зависящее от длины информационного блока k и заданного числа ошибок t . Для структур CRC32 при значении t =1 алгоритм исправляет 100 % ошибок при любых k , при t = 2 и k =1024 исправляется 89 % ошибок, при t = 3 – 59 % ошибок. Для модуляции QPSK и длины информационной части сообщения 1024 бит выигрыш предложенного алгоритма исправления ошибок составляет порядка 4 дБ по сравнению с обычным алгоритмом обнаружения ошибок. Также выявлено, что при различных вероятностях ошибок в канале связи и блоках различной длины при наиболее часто действующих интенсивностях искажений система передачи информации с исправлением ошибок превосходит обычную систему по скорости обмена данными в 2 и более раз. В каналах связи с вероятностью ошибок 0.05…0.1 обычная система практически перестает функционировать, в то время как скорость в системе с исправлением ошибок остается приемлемой (0.2–0.3).

6) Предложена структурная схема аппаратно-программного анализатора радиосигналов стандартов 802.11a/g/n: обнаружение сигнала осуществляется в аппаратной части анализатора, частотно-временная синхронизация, оценка и подстройка канала связи, демодуляция и декодирование осуществляются программно. Программная часть, в отличие от известных аналогов, содержит блоки частотно-временной синхронизации по информационным OFDM-символам, блок подстройки оценки канала, а также блок исправления ошибок на основе структуры CRC. Достоинствами предложенной структуры является возможность контроля радиосигналов во всем диапазоне частот, предусмотренном используемым радиоконтрольным оборудованием, возможность проведения высокоточных измерений параметров сигналов, высокая скорость сканирования частотного диапазона, воз 116 можность построения на базе данного ЦРПУ анализаторов других стандартов связи. На основе предложенной структурной схемы построен макет анализатора, позволивший подтвердить более высокую чувствительность предложенной в работе методики обработки сигналов по сравнению со стандартной двухэтапной методикой частотно-временной синхронизации и оценки канала по ДОС.

Представленные в диссертационной работе результаты опубликованы в российской научной литературе, обсуждены на российских и международных конференциях, использовались при разработке анализатора беспроводных сетей стандартов 802.11 a/b/g/n СМО-БС Wi-Fi на базе приемников АРГАМАК-ИС и Д11 на предприятии НПК АО «ИРКОС», а также внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ВГТУ». Результаты, полученные в диссертационной работе для системы стандарта IEEE 802.11a, могут быть использованы в других стандартах цифровой радиосвязи на основе ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием.