Введение к работе
Актуальность работы
Передача информации посредством сигналов с ортогональным частотным разделением (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) стала стандартом для многих современных радиосистем в связи с рядом преимуществ, к которым относятся высокая спектральная эффективность, низкий уровень межсимвольной интерференции, высокое качество передачи в условиях частотно-селективных замираний. К их числу относятся: IEEE 802.11a,g – беспроводные локальные сети Wi-Fi, IEEE 802.16 – широкополосная беспроводная связь WiMax, DVB-T – цифровое телевизионное вещание, DRM – цифровое радиовещание и др. Сюда же относятся перспективные системы с повышенной скоростью передачи на основе совмещенной технологии ортогонального частотного и пространственного разделения (MIMO OFDM – multiple input, multiple output OFDM): 802.16e/m (расширение стандарта IEEE 802.16 технологии WiMax), E-UTRA (протокол физического и канального уровня технологий связи LTE, являющихся развитием сотовой связи). Перспективным применением OFDM технологии является современная авиационная связь, включая связь с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА).
В то же время системы передачи, использующие данный тип сигналов, очень чувствительны к фазовой нестабильности несущей. Последняя может быть вызвана нестационарностью фазовой характеристики каналов передачи, обусловленной доплеровским рассеянием, фазовыми флуктуациями опорных генераторов на передающей и приемной сторонах. Как следствие, падает энергетическая эффективность систем передачи. Проблема стоит особенно остро в каналах с многопозиционной модуляцией сигналов в условиях быстрых амплитудных замираний.
Известны два подхода оценки и коррекции параметров каналов с OFDM. Первый основан на анализе обучающих символов, передаваемых в определенных частотных каналах. Второй подход основывается на использовании непосредственно информационных несущих OFDM сигналов. Исследования в этой области показывают, что второй подход за счет большей статистики позволяет повысить эффективность систем передачи на 2-3 дБ по отношению к первому.
Этим исследованиям посвящены работы Кукушкина Д.С., Долгих Д.А., Oklobdija M., Nenadi N., Nezami M.K., Bard J., Sudhakar R., Кравчука С. А., Бочечка Г.С., Иванова А.А., Arshad K., Chang D.C., Abhayawardhana V.S. , Wassell I.J. Kleynhans W., Wu S., Liu P., Bar-Ness Y., Chen W., Zhang R. Wu Z., Крейнделин В. Б., Колесникова А. В., Маслова Е.Н. Одни авторы, как правило, рассматривают раздельное решение проблемы коррекции фазовых искажений, вызванных средой распространения или приемо-передающим трактом, модели которых существенно отличаются. Другие ограничиваются рассмотрением модели амплитудно-фазовых искажений в среде распространения, не учитывая особенностей приемно-передающих трактов. Совместная, комплексная обработка амплитуды и фазы сигналов с учетом особенностей искажений, вызванных средой распространения и приемным трактом, может повысить эффективность цифровых систем передачи в данных условиях.
В работах Слюсара В., Haas E., Budinger J.M., Hall E. рассматриваются сценарии многолучевого распространения и возможность применения технологии OFDM в авиационной связи, в том числе применительно к БПЛА. Особенно важно обеспечить энергетическую эффективность систем передачи информации в авиационных комплексах в условиях жесткого ограничения пространственно-частотных параметров бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Повышение качества связи, ее энергетической эффективности требует учета изменения характеристик каналов распространения и приемо-передающих трактов и коррекции сигналов. Однако такие задачи либо не решаются, либо имеют не системные, локальные решения.
В связи с вышеизложенным, тема диссертации является актуальной, так как посвящена разработке и исследованию алгоритмов комплексной оценки параметров канала и коррекции амплитуды и фазы несущей OFDM-сигнала на основе информационных частотных каналов для сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением в условиях комбинированных воздействий.
Цель и задачи диссертации
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности цифровых систем передачи на основе сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением за счет применения новых, в том числе оптимальных, алгоритмов оценки и коррекции амплитуды и фазы сигналов на выходе каналов с частотно-временным рассеянием в условиях комбинированных помех.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
1. Построение математических моделей сигналов на выходе демодулятора цифровой системы передачи с ортогональным частотным и пространственным разделением в условиях каналов с частотно-временным рассеянием и фазовыми воздействиями с произвольными спектральными свойствами.
2. Разработка алгоритма комплексной оценки и коррекции амплитуды и фазы несущей сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением на основе оценки параметров канала с быстрыми частотно-селективными замираниями с использованием информационных частотных каналов на основе теории оптимальной многомерной фильтрации.
3. Разработка алгоритма раздельной оценки и коррекции амплитуды и фазы несущей сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением на основе оценки параметров канала с быстрыми частотно-селективными замираниями с использованием информационных частотных каналов на основе теории оптимальной многомерной фильтрации.
4. Исследование чувствительности разработанных алгоритмов оценки параметров канала к фазовым воздействиям со спектральной плотностью мощности различного порядка в условиях частотно-временного рассеяния.
5. Разработка экспериментального модуля на базе сигнального процессора TMS320DM6437 EVM для подтверждения результатов теоретических исследований и выработки рекомендаций по практической реализации результатов диссертации.
6. Исследование применимости разработанных алгоритмов для приемных устройств перспективных технологий широкополосной беспроводной связи.
7. Исследование применимости разработанных алгоритмов для приемных устройств систем авиационной связи, в том числе БПЛА.
Предмет и объект исследования
Объектом исследования работы является система передачи информации, использующая многомерные сигналы (OFDM и MIMO-OFDM), применяемая для организации высокоскоростной (широкополосной) мобильной связи в условиях многолучевых каналов с частотно-временным рассеянием.
Предметом исследования является проблема повышения помехоустойчивости систем передачи на основе сигналов высокой размерности в условиях радиоканалов с частотно-временным рассеянием.
Общая методика исследований
При разработке алгоритмов оценки параметров канала используется теория дискретной многомерной фильтрации Калмана. Методы исследования основаны на общих положениях теории дискретных систем, теории вероятности, на прикладной теории математической статистики, на статистической теории радиотехнических систем. Для численного решения задач используется компьютерное моделирование.
Научная новизна результатов
1. Разработанный алгоритм комплексной оценки канала с амплитудными замираниями и фазовыми флуктуациями и коррекции сигналов с ортогональным частотным разделением, отличается использованием авторегрессивной модели канала и многомерного фильтра Калмана и учетом как свойств среды распространения, так и искажений, возникающих в приемо-передающем тракте системы связи.
2. Разработанный алгоритм раздельной оценки и коррекции амплитудных замираний и фазовых флуктуаций следящего типа для сигналов с ортогональным частотным разделением отличается использованием в кольце обратной связи фильтров, согласованных с характеристиками среды распространения и параметрами шумов приемо-передающего тракта.
3. Разработанный алгоритм комплексной оценки канала с амплитудными замираниями и фазовыми флуктуациями и коррекции сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением, отличается использованием авторегрессивной модели канала и многомерного фильтра Калмана и учетом как свойств среды распространения, так и искажений, возникающих в приемо-передающем тракте системы связи с пространственно-временным кодированием.
4. Разработанный алгоритм раздельной оценки и коррекции амплитудных замираний и фазовых флуктуаций следящего типа для сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением отличается использованием в кольце обратной связи фильтров, согласованных с характеристиками среды распространения и параметрами шумов приемо-передающего тракта системы связи с пространственно-временным кодированием.
5. Разработанные структурные схемы отличаются использованием при коррекции сигналов комбинации оценок характеристики канала, полученных из информационных сигналов с помощью новых алгоритмов и из пилотных сигналов с помощью стандартных методов.
Практическая ценность
1. В диссертации получены алгоритмы оценки параметров канала и коррекции амплитуды и фазы сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением на основе информационных частотных каналов, позволяющие существенно снизить вероятность ошибочного приема информации в существующих и перспективных системах связи.
2. Разработан комплект имитационных моделей систем передачи на основе сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением с блоком коррекции фазы несущей. Комплект ориентирован на получение оценок различных параметров и характеристик сигналов в различных точках системы в условиях произвольных аддитивных и фазовых воздействий, что позволяет снизить затраты на разработку систем связи на этапе проектирования.
3. Полученные в диссертации результаты позволили сформулировать предложения по повышению энергетической эффективности систем приема сигналов с OFDM и MIMO-OFDM в условиях многолучевых мобильных радиоканалов наземной и авиационной связи, в том числе для БПЛА.
4. Разработана платформа для исследования систем передачи с OFDM на основе сигнального процессора TMS320DM6437 EVM и программы Matlab Simulink , позволяющая на этапе проектирования систем связи оценить влияние различных факторов.
Положения, выносимые на защиту
1. Алгоритмы раздельной оценки амплитудной и фазовой характеристик канала и коррекции несущей сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением, синтезированные в виде следящей системы с обратной связью с использованием многомерного фильтра Калмана, повышающие энергетическую эффективность в каналах с частотно-временным рассеянием и фазовой нестабильностью.
2. Алгоритмы комплексной оценки амплитудной и фазовой характеристик канала, синтезированные с использованием авторегрессивной модели I и II порядка на основе многомерного фильтра Калмана, повышающие энергетическую эффективность за счет коррекции сигналов с ортогональным частотным и пространственным разделением, искаженных быстрыми и частотно-селективными замираниями и фазовыми воздействиями.
3. Структурные схемы обработки сигналов на информационных и пилотных несущих в приемниках наземной и авиационной связи, повышающие энергетическую эффективность в каналах с частотно-временным рассеянием и фазовой нестабильностью.
Апробация результатов
Результаты диссертации прошли апробацию на ряде международных и российских конференций и семинаров. Среди них научно–технический семинар «Синхронизация, формирование и обработка сигналов», (Ярославль, 2008 г., Воронеж, 2009 г., Н.Новгород, 2010 г., Одесса, 2011г., Белгород, 2012г.); 9-я, 10-я, 11-я, 12-я и 13-я международные конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2008, 2009, 2010, 2011 и 2012 гг.
Внедрение результатов диссертации
Результаты, полученные в диссертационной работе, являются составной частью ряда НИР кафедры радиотехнических систем ЯрГУ им. П.Г. Демидова, в которых принял участие соискатель:
- ВП Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы». Наименование проекта «Развитие нелинейной теории обработки сигналов и изображений в радиотехнике и связи» № 2.1.2/7067, 2009-2010;
- Грант РФФИ «Развитие теории нелинейной цифровой обработки сигналов и изображений в технических системах» № 10-08-01186а, 2010-2012;
- ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Наименование проекта «Моделирование распространения радиоволн в различных средах и его применение для анализа и имитации работы радиоэлектронных средств» (2009-2011 гг.). Госконтракт Рособразования № П454 от 1 июля 2009 г.
- Грант РФФИ «Моделирование и оценивание сигналов высокой размерности для телевизионных и связных систем в условиях пространственно-частотно-временного рассеяния» № 11-07-00736, 2011-2013.
Результаты работы использованы в НИОКР ОАО «Концерн «Созвездие».
Результаты работы использованы в НИОКР ОАО «Луч» г. Рыбинск.
Разработанные в рамках исследований компьютерные модели внедрены в учебный процесс:
- на кафедре радиотехнических систем ЯрГУ им. П.Г. Демидова;
- на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 6 статьях и 9 докладах международных и всероссийских конференций и семинаров, в том числе в 3 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и одного приложения, содержит 165 страниц, включая приложение (14 стр.), 76 рисунков, 5 таблиц.
