Методи підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.396

Методи підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Марчук Артем Володимирович

Харків 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Лошаков Валерій Андрійович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, професор кафедри телекомунікаційних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сукачов Едуард Олексійович,

Одеська національна академія зв'язку ім.О.С.Попова,

професор кафедри технічної електродинаміки та систем радіозв'язку,

кандидат технічних наук, доцент

Макаров Сергій Анатолійович,

начальник науково-дослідного відділу проблем розвитку та науково-технічного супроводження засобів зв'язку і радіотехнічного забезпечення наукового центру Повітряних сил Харківського університету Повітряних сил Міноборони України

Захист відбудеться "12" травня 2010 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.09 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м.Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, проспект Леніна, 14.

Автореферат розісланий "10" квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Є.В. Дуравкін

цифровий сигнал вейвлет радіодоступ

АНОТАЦІЯ

Марчук А. В. Методи підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO. - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.02 - телекомунікаційні системи і мережі - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2010.

У роботі сформульована й вирішена актуальна наукова задача підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO шляхом перерозподілу потужності в каналах на передавальній стороні за рахунок введення вейвлет передбачення значень матриці каналу, цифрової обробки сигналів на основі вейвлет перетворень у приймальних каналах систем радіодоступу MIMO і використання ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування замість OFDM. Також запропонований метод адаптивного придушення як вузькосмугових так і широкосмугових (періодичних імпульсних) завад у системах радіодоступу MIMO з ортогональним пакетним вейвлет мультиплексуванням на основі побудови оптимальних вейвлет дерев.

Значення результатів дисертаційної роботи для науки й практики полягає в тому, що вони визначають шляхи підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO у специфічних для цих ліній умовах функціонування.

Використання методу управління потужністю по зворотному каналу із передбаченням матриці каналу на основі вейвлет аналізу в системах радіодоступу MIMO дає можливість зменшити імовірність бітових помилок від 1,2 до 3,5 разів, що має особливе значення для мобільних систем, у яких спостерігається зростання помилок при збільшенні швидкості руху.

У порівнянні з фільтрацією на основі перетворень Фур'є цифрова вейвлет обробка знижує рівень бітових помилок майже на три порядки для сильних і на один порядок для слабких сигналів.

Використання ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування в каналах систем радіодоступу MIMO дає можливість звузити займану системою смугу частот у порівнянні з ортогональним частотним мультиплексуванням в 1,5 - 2 рази й знизити рівень випромінювання за межами робочого діапазону частот на 40 дБ.

Проведено імітаційні й експериментальні дослідження підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO, які підтверджують ефективність розроблених методів.

Ключові слова: система радіодоступу MIMO, передбачення стану каналу, вейвлет-перетворення, вейвлет-фільтрація, зниження рівня бітових помилок, адаптація, імітаційне моделювання, експеримент.

АННОТАЦИЯ

Марчук А. В. Методы повышения достоверности передачи информации в системах радиодоступа MIMO. - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010.

В работе сформулирована и решена актуальная научная задача повышения достоверности передачи информации в системах радиодоступа MIMO путем перераспределения мощности в каналах на передающей стороне за счет введения вейвлет предсказания значений матрицы канала, цифровой обработки сигналов на основе вейвлет преобразований в приемных каналах систем радиодоступа MIMO и использования ортогонального пакетного вейвлет мультиплексирования вместо OFDM. Также предложен метод адаптивного подавления как узкополосных так и широкополосных (периодических импульсных) помех в системах радиодоступа MIMO с ортогональным пакетным вейвлет мультиплексированием на основе построения оптимальных вейвлет деревьев.

Значение результатов диссертационной работы для науки и практики заключается в том, что они определяют пути повышения достоверности передачи информации в системах радиодоступа MIMO в специфических для этих линий условиях функционирования.

Использование метода управления мощностью по обратному каналу с предсказанием матрицы канала на основе вейвлет анализа в системах радиодоступа MIMO дает возможность уменьшить вероятность битовых ошибок от 1,2 до 3,5 раз, что имеет особое значение для мобильных систем, в которых наблюдается рост ошибок при увеличении скорости движения.

В сравнении с фильтрацией на основе преобразований Фурье цифровая вейвлет обработка снижает уровень битовых ошибок почти на три порядка для сильных и на один порядок для слабых сигналов.

Использование ортогонального пакетного вейвлет мультиплексирования в каналах систем радиодоступа MIMO дает возможность сузить занимаемую системой полосу частот в сравнении с ортогональным частотным мультиплексированием в 1,5 - 2 раза и снизить уровень излучения за пределами рабочего диапазона частот на 40 дБ.

Проведены имитационные и экспериментальные исследования повышения достоверности передачи информации в системах радиодоступа MIMO, которые подтверждают эффективность разработанных методов.

Ключевые слова: система радиодоступа MIMO, предсказание состояния канала, вейвлет-преобразование, вейвлет-фильтрация, снижение уровня битовых ошибок, адаптация, имитационное моделирование, эксперимент.

ANNOTATION

Marchuk A.V. Methods of increasing of a transmission accuracy of the information in MIMO radio access systems. - the manuscript.

Thesis for the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.12.02 - telecommunication systems and networks - the Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2010.

In this thesis there are formulated and solved the actual scientific problem of increasing of a transmission information accuracy in MIMO radio access systems by power allocation in channels on the transmitting party at the expense of introduction wavelet predictions of channel matrix values, digital signal processing based on a wavelet transformations at the receiving channels of MIMO radio access systems and uses orthogonal wavelet package multiplexing instead of OFDM. Also there is offered the method of the adaptive suppression as narrow-band and broadband (a periodic pulse) interference in MIMO radio access systems with orthogonal package wavelet multiplexing based on the construction optimum wavelet trees.

Use of a power management method in MIMO radio access systems gives the possibility to reduce bit errors probability from 1,2 to 3,5 times. In comparison with a filtering based on the digital Fourier transformations wavelet processing reduces bit errors level almost on three order for strong and on one order for weak signals. Use orthogonal wavelet package multiplexing in channels of MIMO radio access systems gives the possibility to lower level of radiation outside of an operating range of frequencies on 40 dB.

Keywords: MIMO radio access system, prediction of a channel condition, wavelet-transformation, a wavelet-filtration, reduction of bit errors level, adaptation, imitating modeling, experiment

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних задач при побудові сучасних цифрових мереж зв'язку є створення високошвидкісних каналів. Розв'язання цієї задачі для безпроводових систем зв'язку ускладнюється оскільки в радіодіапазоні завжди існує дефіцит виділяємої смуги частот і обмеження на збільшення випромінюваної потужності.

Одним з перспективних напрямків по створенню високошвидкісних каналів у безпроводових телекомунікаційних системах є використання систем з багатьма входами й виходами MIMO (Multiple Input Multiple Output). Сучасні системи зв'язку MIMO мають досить високі технічні характеристики: швидкість передачі даних може досягати кількох сотень Мбіт/с; імовірність бітових помилок до 10-5. Важливою перевагою також є те, що на відміну від систем з одним входом і виходом SISO (Single Input Single Output) системи MIMO забезпечують істотну, у два й більше разів, економію частотного ресурсу за рахунок використання декількох просторових каналів у тому самому діапазоні частот.

Лінії зв'язку із системами MIMO мають цілий ряд особливостей, що впливають на їхні характеристики. Так у цих лініях проходження радіосигналу залежить значною мірою від розміщення об'єктів (перешкод), розташованих між передавальними й приймальними антенами. При зміні розташування об'єктів у просторі між передавальними й приймальними антенами і/або у випадку мобільних абонентів механізм багатопроменевого поширення сигналу ускладнюється. Зі збільшенням швидкостей об'єктів відносно антенних структур зазначений механізм ще більше ускладнюється й, відповідно, ускладнюється задача розділення каналів на прийомі в системах MIMO. Крім того, у системах MIMO антени, що обслуговують окремі просторові канали, у практичних реалізаціях повинні мати прийнятні габарити і рознесення у просторі, а це у свою чергу ускладнює рішення задачі розділення каналів на приймальній стороні.

Для мінімізації впливів завад, шумів і змін у часі параметрів радіоканалів використання традиційних методів цифрової обробки на основі частотного аналізу недостатньо ефективне. Доцільно використовувати методи частотно-часового аналізу. За останні роки все більшу популярність знаходять методи цифрової обробки на основі частотно-часового вейвлет аналізу. При раціональному виборі вейвлет-функцій, часових і частотних масштабів вейвлет аналізу сигналів, а також структури вейвлет дерев з'являється можливість більш точного передбачення стану радіоканалу й поліпшення завадозахищеності в системах радіодоступу MIMO. Це сприяє збільшенню пропускної здатності таких систем без зниження якості передачі інформації, особливо для мобільних систем. У той же час застосування частотно-часових методів обробки в системах MIMO на основі вейвлет аналізу практично не вивчено. Це й пояснює актуальність дисертаційної роботи, присвяченої пошуку шляхів підвищення достовірності передачі інформації в системах MIMO за рахунок використання частотно-часових методів обробки сигналів на основі вейвлет аналізу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з положеннями проекту „Концепції розвитку зв'язку України до 2012 року”, “Концепції конвергенції телефонних мереж і мереж з пакетною комутацією в Україні”. Дисертаційна робота є продовженням і подальшим розвитком наступних науково-дослідних робіт (НДР): НДР №129-1 “Разработка технологии построения активных телекоммуникационных сетей, методологии их анализа и синтеза для обеспечения распределенных информационно-вычислительных систем” (ДР №0101U005126), яка виконувалася в Харківському національному університеті радіоелектроніки (ХНУРЕ); НДР “Концепция обработки, анализа и передачи данных в ИАС НАКУ” (“Мониторинг-С”), яка виконувалася в Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації. В цих НДР здобувач був виконавцем.

Мета і задачі досліджень. Метою дослідження є підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO. Завданнями є створення й дослідження моделі системи радіодоступу MIMO, а також розробка методів зменшення імовірності бітових помилок систем радіодоступу MIMO у специфічних для цих ліній умовах функціонування.

Об'єктом досліджень є процеси функціонування систем радіодоступу MIMO.

Предметом досліджень є моделі й методи передачі інформації в системах радіодоступу MIMO.

Методи досліджень базуються на основних положеннях радіофізики, теорії електрозв'язку, системного аналізу, математичної статистики, теорії імовірностей, теорії частотно-часового вейвлет аналізу, теорії оптимізації, теорії оцінювання й управління, математичного моделювання, імітаційного й натурного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано новий метод зменшення імовірності бітових помилок у системах радіодоступу MIMO з адаптивним до сигнально-завадової обстановки перерозподілом потужності в каналах передавача, за рахунок передбачення значень матриці каналу на основі вейвлет аналізу функцій, що складають матрицю.

2. Вперше запропоновано адаптивний до сигнально-завадової обстановки метод цифрової обробки сигналів на основі вейвлет перетворень у приймальних каналах систем радіодоступу MIMO в умовах завад для зменшення імовірності бітових помилок.

3. Вперше запропоновано використання в каналах систем радіодоступу MIMO замість ортогонального частотного мультиплексування OFDM ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування, що забезпечує зменшення бітових помилок в умовах взаємного впливу систем безпроводового зв'язку, а також економію частотного ресурсу й сприяє поліпшенню ЕМС.

4. Запропоновано новий метод адаптивного придушення як вузькосмугових так і широкосмугових (періодичних імпульсних) завад у системах радіодоступу MIMO з ортогональним пакетним вейвлет мультиплексуванням на основі побудови оптимальних вейвлет дерев.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Використання методу управління потужністю по зворотному каналу із передбаченням матриці каналу на основі вейвлет аналізу в системах радіодоступу MIMO дає можливість зменшити імовірність бітових помилок від 1,2 до 3,5 раз, що має особливе значення для мобільних систем, у яких спостерігається зростання помилок при збільшенні швидкості руху.

2. Застосування розроблених методів цифрової обробки з використанням вейвлет перетворень у системах радіодоступу MIMO дозволяє в порівнянні з Фур'є методами зменшити імовірність бітових помилок на три порядки для співвідношення Eb/N0 = 10 дБ та майже на порядок для Eb/N0 = 7 дБ.

3. Використання ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування в каналах систем радіодоступу MIMO дає можливість звузити займану системою смугу частот у порівнянні з ортогональним частотним мультиплексуванням в 1,5 - 2 рази й знизити рівень випромінювання за межами робочого діапазону частот на 40 дБ, що знизило рівень помилок як у самій системі, так й у сусідніх по частотному діапазону системах за рахунок зменшення взаємних впливів. Запропонований метод адаптивного придушення завад дозволив знизити вплив на систему не тільки зосереджених на одній частоті завад, але й періодично повторюваних імпульсних завад, що займають всю робочу смугу частот.

Запропоновані розробки рекомендовані для використання в задачах Міністерства з надзвичайних ситуацій і Міністерства внутрішніх справ. Ряд наукових результатів дисертації впроваджено в НДР ХНУРЕ, ХДРНТЦ ТЗІ і у навчальному процесі на кафедрі телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, що підтверджується актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано самостійно і опубліковано в спеціалізованих фахових виданнях. Зокрема, у роботі [1] досліджена можливість застосування штучних відбивачів електромагнітних хвиль з вбудованими регенераторами сигналів, що підвищують достовірність передачі інформації системою радіодоступу; у роботі [2] досліджено можливості придушення перехресних завад у системах радіодоступу MIMO; у роботі [3] запропоновано імітаційну програмну модель системи радіодоступу MIMO з просторово-часовими кодами і на її основі досліджено можливості підвищення достовірності передачі інформації в таких системах; у роботі [4] запропоновано адаптивний до сигнально-завадової обстановки метод цифрової обробки сигналів на основі вейвлет перетворень в приймальних каналах систем радіодоступу MIMO для зменшення помилок і наведені результати досліджень достовірності передачі інформації; у роботі [5] запропоновано метод управління перерозподілом потужностей між антенами на передавальній стороні по зворотному каналу у системах радіодоступу MIMO з використанням передбачення матриці радіоканалу для підвищення достовірності передачі інформації; у роботі [6] запропоновано використання ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування у системах радіодоступу MIMO для зменшення рівня бітових помилок в умовах взаємного впливу систем зв'язку та метод придушення завад на основі побудови оптимальних вейвлет дерев.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на 5-ти науково-технічних конференціях міжнародного рівня: 2-й Міжнародній науковій конференції „Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку” (Харків, 2007), 12-ому Міжнародному молодіжному форумі „Радіоелектроніка й молодь у ХХ1 ст.” (Харків, 2008), 3-ому Міжнародному радіоелектронному форумі „Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, 2008), 13-ому Міжнародному молодіжному форумі „Радіоелектроніка й молодь у ХХ1 ст.” (Харків, 2009), 5-й Міжнародній молодіжній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми радіотехніки й телекомунікацій” (Севастополь, 2009).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 робіт в спеціалізованих виданнях ВАК України [1-6]. Усі роботи за темою дисертації. Крім того, ці матеріали були опубліковані в тезах доповідей на конференціях [7-13].

Структура й обсяг роботи. Робота складається із вступу, 5-ти розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації 149 стор., 98 рисунків, 93 бібліографічних джерела.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень та визначено місце роботи у розв'язанні задач, що виникають при розробці систем радіодоступу MIMO.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан систем радіодоступу MIMO, розглянуті різні методи розділення просторових каналів і методи підвищення достовірності передачі інформації в таких системах.

У системах радіодоступу MIMO з декількома власними просторовими каналами в багатопроменевому каналі можуть використовуватися методи збільшення пропускної здатності на основі перерозподілу потужності в передавальних антенах, що управляються по зворотному каналу, однак у них не передбачені механізми поліпшення показників по імовірності помилок.

Сигнали, передані системою радіодоступу MIMO визначаються рішенням системи з лінійних рівнянь з невідомими. У матричній формі рішення має вигляд

,

де - матриця стовпець сигналів передавачів, - матриця стовпець сигналів приймачів і - матриця багатопроменевого каналу

, , .

В якості моделей радіоканалу MIMO, як правило, використовуються статистичні моделі матриці радіоканалу, які дають усереднені в часі значення матриці каналу, що не відповідають реальному стану оточуючого середовища, а це відбивається на рішенні задачі по прийому сигналів.

У системах радіодоступу MIMO для зменшення рівня бітових помилок можуть застосовуватися методи просторово-часового блочного STBC і решітчатого кодування STTC; просторово-частотного кодування на основі модернізованої для MIMO технології OFDM-CDMA; методи на основі модернізації для MIMO технології розширення спектру з псевдовипадковими кодовими послідовностями DSSS і фазовою модуляцією з поліфазною комплементарною кодовою послідовністю CCK, а також методи на основі інших ортогональних кодів. Досить широке поширення в системах MIMO одержало кодування по Аламоуті, що є окремим випадком STBC. Розробка ортогональних просторово-часових поляризаційних кодів OSTPBC для систем MIMO з багатополяризаційними антенними системами дозволила знизити рівень бітових помилок в порівнянні зі схемою Аламоуті. Застосування цих кодів у системах MISO значно ефективніше класичної схеми Аламоуті по імовірності бітових помилок.

Виграш від використання в системах MIMO кодів STBC - в підвищенні надійності зв'язку в умовах завмирань при низькій складності декодування, а кодів STTC - у забезпеченні ще більшої завадостійкості, але при істотному ускладненні обробки на приймальному кінці. Системи MIMO з кодами STBC і STTC поступаються системам на основі методу BLAST по пропускній здатності, але мають кращі показники по завадостійкості.

Однак, методи кодування не дозволяють вирішити усі задачі по зменшенню бітових помилок у системах радіодоступу MIMO. Окрім них використовуються різні методи цифрової обробки сигналів в таких системах. Методи, які забезпечують поліпшення прийому на фоні шумів і завад засновані, в основному, на Фур'є методах. Для боротьби із завмираннями в радіоканалі й збільшення достовірності передачі інформації в таких системах використовується мультиплексування OFDM у власних каналах системи MIMO. Використання OFDM технології супроводжується збільшенням займаної системою смуги частот.

У сучасних одноканальних системах радіозв'язку SISO набувають все більшого розповсюдження більш ефективні (у порівнянні з методами Фур'є) методи, що засновані на вейвлет перетвореннях. Очевидно, що впровадження цих методів у системах радіодоступу MIMO є актуальною задачею. Слід зазначити, що ці методи потребують подальшого розвитку для систем радіодоступу MIMO.

На підставі проведеного аналізу сформульована задача дисертаційних досліджень: розробка моделі системи радіодоступу MIMO і її дослідження з метою розробки методів на основі вейвлет перетворень для підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO, які працюють в умовах сигнально-завадової обстановки, що змінюється.

У другому розділі запропонований новий метод зменшення імовірності бітових помилок у системах радіодоступу MIMO з адаптивним до сигнально-завадової обстановки перерозподілом потужності в каналах на передавальній стороні за рахунок введення передбачення значень матриці каналу на основі вейвлет аналізу значень функцій, що складають матрицю.

Метод відрізняється від інших тим, що:

? Елементи матриці каналу представляються не у вигляді усереднених статистично значень, а за результатами рішення в приймальному пристрої системи рівнянь по прийнятим пілотним (тестовим) сигналам, які періодично передаються передавачами системи зв'язку. За час однієї передачі пілотних сигналів вони по черзі посилаються кожною з передавальних антен. Число таких сигналів дорівнює числу передавальних антен. Після передачі кожної серії пілотних сигналів, по прийнятому на приймальній стороні рішенню про значення матриці Н, на передавальну сторону системи MIMO передаються значення елементів матриці каналу. Ці значення використовуються для рішення задачі перерозподілу потужності, випромінюваної антенами, з метою оптимізації пропускної здатності й імовірності бітових помилок. Групи символів корисної інформації передаються в часових інтервалах між сусідніми посилками пілотних сигналів.

? Вводиться механізм передбачення наступного значення матриці Н. Замість заморожування матриці на час передачі групи символів користувача, елементи матриці змінюються від вимірюваного значення до того, що передбачується з використанням лінійної апроксимації. Після чергової серії пілотних сигналів визначається нове значення матриці Н, яке включається в базу данних для передбачення наступного значення матриці Н.

? Для скорочення обсягу даних, що передаються по зворотному каналу пропонується передавати замість значень елементів матриці їх різницю.

? Передбачення наступних значень елементів матриці радіоканалу засновано на вейвлет аналізі попередніх значень функцій, що складають матрицю каналу.

Позитивною особливістю вейвлет аналізу для рішення задачі передбачення є наявність кратно - масштабного аналізу. Процес аналізується в різних часових масштабах. Використання механізмів аналізу процесу в різних часових масштабах дозволяє виявити швидкі й повільні складові поводження функції і у такий спосіб на основі цих даних більш точно й на більший період передбачити значення функції.

Рівняння мультимасштабної авторегрессії з використанням вейвлет розкладання

,

де множина - вейвлет розкладання . Тобто,

Для рішення задачі передбачення можна використовувати всі вейвлет коефіцієнти. Досить хороші результати можна одержати при проріджуванні коефіцієнтів. Використання методу проріджування відліків вейвлет коефіцієнтів за часом дає економію обсягів обчислень при цифровій обробці. Крім того, за рахунок проріджування коефіцієнтів видаляються складові, властиві шуму й передбаченню піддається сигнал частково очищений від шумів. Це дозволило одержати додатковий виграш у точності передбачення.

У роботі досліджений вплив точності передбачення на імовірність бітових помилок у системах радіодоступу MIMO і розрахований рівень бітових помилок для системи з повним знанням каналу, що визначає мінімальний рівень помилок для "ідеального" передбачення.

Для випадку, коли кореляція завмирань присутня не тільки на передавальній, але й на приймальній стороні, значення імовірності символьних помилок для системи з повним знанням каналу дорівнює

,

де і діагональні елементи матриці власних значень розкладан-ня , , , - порядок QAM модуляції.

У випадку відсутності кореляції на передачі, матриця кореляції , а і формула спрощується

.

У третьому розділі проведене дослідження можливості використання вейвлет-перетворень для виявлення сигналів на фоні шумів і завад у системах радіодоступу MIMO.

Розроблено математичну модель процесу вейвлет фільтрації.

Проведені дослідження відношення енергії біта корисного сигналу до спектральної щільності шуму Eb/N0 після вейвлет фільтрації від рівнів вейвлет декомпозиції для різних алгоритмів обробки вейвлет коефіцієнтів і відношення Eb/N0 до фільтрації. Використовувався м'який і жорсткий поріг обробки.

Результати розрахунків для модуляції QAM - 16 і двох значень Eb/N0 до фільтрації рівних 0 і 10 дБ представлені на рис. 1 а,б.

Вперше запропоновано адаптивний до сигнально-завадової обстановки метод цифрової обробки сигналів на основі вейвлет перетворень у приймальних каналах систем радіодоступу MIMO в умовах завад для зменшення імовірності бітових помилок.



Рис. 1 Залежності Eb/N0 після вейвлет фільтрації від рівня декомпозиції

Прийнятий пілотний сигнал (рис.2) подається на вимірювач відношення сигнал/шум В ВСШ, у якому зберігається копія вихідного пілотного сигналу. Значення ВСШ подається на програмний вирішальний пристрій ВП. У програмі ВП зберігаються набори оптимальних параметрів вейвлет фільтрації для різних значень ВСШ, розраховані заздалегідь. Вимірюване значення ВСШ порівнюється з базою даних параметрів оптимальної вейвлет фільтрації для різних значень ВСШ і з неї зчитується набір оптимальних значень рівнів декомпозиції, виду порога і алгоритму обробки вейвлет коефіцієнтів. Значення рівня декомпозиції подається на комутатор КМ, що включає задане число рівнів програмної вейвлет декомпозиції за схемою рис.2, а інші параметри вейвлет фільтрації подаються на програмний фільтр вейвлет коефіцієнтів ФК для включення програми оптимального алгоритму обробки вейвлет коефіцієнтів, що надходять на вхідні порти ФК.

Декомпозиція вхідного сигналу Uвх на часовому інтервалі між пілотними сигналами виконується програмно по деревоподібному алгоритму. Блоки ЗГ виконують операцію згортки відліків функції вхідного сигналу і відліків імпульсної характеристики високочастотного ІХ ВЧФ і низькочастотного ІХ НЧФ фільтрів для обраного типу вейвлет функції. У випадку прямокутних імпульсів вибирається вейвлет Хаара.

Операція згортки для відліків сигналу S з імпульсною характеристикою q фільтра

,

де 2n - число відліків імпульсної характеристики q фільтра.

Значення відліків імпульсних характеристик розраховуються заздалегідь і зберігаються в пам'яті обчислювача.

На виході фільтрів будуть ВЧ і НЧ компоненти сигналу

.



Рис. 2 Схема адаптивної вейвлет фільтрації

Фільтри пропускають тільки половину всіх частотних компонентів сигналу і складові, що не потрапили в смугу прозорості, видаляються за рахунок децимації 2v, тобто виконується проріджування. Дециматори відкидають кожний другий відлік. Після виконання фільтрації вейвлет коефіцієнтів у блоці ФК, відліки коефіціентів відновлюються за рахунок операції 2^ вставки нулів з подальшою згорткою з відліками імпульсних характеристик фільтрів.



На рис.3 представлені результати розрахунків BER при використанні адаптивної вейвлет обробки, що забезпечує оптимальну фільтрацію шумів і розрахунковий графік імовірності бітових помилок BER без вейвлет фільтрації для системи MIMO з модуляцією QAM-16.

Ефективність вейвлет фільтрації зростає при зростанні відношення сигнал/шум. При більших рівнях сигналу виграш по зменшенню бітових помилок BER за рахунок фільтрації значно більше, ніж при малих рівнях.

У четвертому розділі запропоновано в каналах систем радіодоступу MIMO замість ортогонального частотного мультиплексування OFDM застосовувати ортогональне пакетне вейвлет мультиплексування.

Головна властивість вейвлет функцій - їх ортогональність дає можливість побудувати систему подібну традиційній OFDM, але на вейвлетах. Є публікації про такі системи. Однак у системах MIMO вони не застосовувалися.

Цифрові потоки в кожному з каналів на передавальній стороні перетворюються на N паралельних потоків і подаються на блок вейвлет реконструкції сигналів, у якому виконується зворотне вейвлет перетворення. Сигнал з виходу блоку реконструкції подається на одну з антен системи MIMO. Такі операції виконуються у всіх каналах системи MIMO. На приймальній стороні в кожному з каналів системи MIMO здійснюється пряме вейвлет перетворення в блоках вейвлет декомпозиції сигналів з наступним перетворенням паралельних цифрових потоків - у послідовні.

У загальному випадку реконструкція сигналу на рівні може бути записана у вигляді

,

де - коефіцієнти апроксимації, а - деталізуючі коефіцієнти.

Апроксимуючі і деталізуючі коефіцієнти, у формулі реконструкції мають вид

і ,

.

Заміна OFDM у системах MIMO на ортогональне пакетне вейвлет мультиплексування ОПВМ при однаковій смузі займаних частот приводить до зростання пропускної здатності системи зв'язку MIMO від 1,5 до 2 разів. Однак, зменшення в порівнянні з OFDM величини розносу частот між піднесучими сусідніх каналів у системах з ОПВМ знижує ефективність боротьби із завмираннями.

Важливою характеристикою ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування ОПВМ в MIMO є значно меньший у порівнянні з OFDM рівень випромінювання бічних частот за межами основної смуги. ОПВМ має рівень бічних у випадку використання вейвлет функції Добеші db16 на 40 дБ більш низький, чим OFDM. Крім того, АЧХ ОПВМ має круті схили на обох краях робочого діапазону частот. Це спрощує забезпечення електромагнітної сумісності системи MIMO ОПВМ з іншими системами. ОПВМ системи практично не створюють завад за межами робочої смуги. Такі системи можна рекомендувати використовувати як системи зв'язку з динамічним використанням частотного діапазону Cognitive Radio - кілька систем зв'язку в одному діапазоні.

Зниження рівня взаємних впливів систем радіодоступу MIMO з ОПВМ приводить до зменшення бітових помилок у кожній із систем.



Рис. 4 Алгоритм пошуку оптимального вейвлет дерева

Запропоновано новий метод адаптивного придушення як вузькосмугових, так і широкосмугових (періодичних імпульсних) завад у системах радіодоступу MIMO з ортогональним пакетним вейвлет мультиплексуванням на основі побудови оптимальних вейвлет дерев. Алгоритм пошуку оптимального вейвлет дерева для заданих параметрів завад показаний на рис. 4.

У п'ятому розділі для підтвердження отриманих теоретичних результатів про можливості підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO виконано імітаційне моделювання і експериментальне дослідження системи MIMO.

Розроблено програмну імітаційну модель системи радіодоступу MIMO. Модулі програми реалізують системи радіодоступу MIMO: з вейвлет передбаченням матриці радіоканалу; з вейвлет фільтрацією сигналів для різних видів модуляції в каналах системи; з ортогональним пакетним вейвлет мультиплексуванням в кожному з каналів системи MIMO.

Розроблені імітаційні моделі дозволяють досліджувати мобільні системи радіодоступу MIMO з різними швидкостями переміщення терміналів.

В програмах закладено можливість змінювати параметри вейвлет передбачення, вейвлет фільтрації та ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування, включаючи вид базової вейвлет функції.

За допомогою програмної імітаційної моделі були проведені дослідження залежності BER від відношення енергії сигналу на один біт до спектральної щільності потужності шуму при різних швидкостях руху термінала абонента. Для від 0 до 15 дБ результати моделювання наведені на рис. 5, а для від 20 до 30 дБ - на рис. 6.



Рис. 5 BER від для слабких сигналів

Рис. 6 BER від для сильних сигналів

З аналізу залежностей BER від випливає, що при малих значеннях відношення величина помилок BER дуже велика і тільки при значеннях понад 15 дБ зменшується до 2,35·10-4 для швидкості 3,6 км/год. При подальшому зростанні до 30 дБ можна одержати рівень помилок майже 10-6.

Використання вейвлет передбачення дозволило зменшити BER від 1,2 до 3,5 разів.

Окрім імітаційного моделювання були проведені експериментальні дослідження можливості покращення технічних характеристик систем радіодоступу MIMO за рахунок розроблених методів зменшення імовірності бітових помилок BER. Впровадження запропонованих методів дає можливість скомпенсувати зниження рівня сигналу на прийомі в системі при погіршенні сигнально-завадової обстановки. В реальних системах радіодоступу MIMO підтримується гарантоване значення рівня помилок BER. Тому виграш у збільшенні відношення сигнал/шум забезпечує збільшення швидкості передачі інформації або збільшення дальності зв'язку без зміни швидкості передачі інформації.

Експериментальна установка складалася з безпроводового маршру-тизатору D-link DIR - 655, персонального комп'ютера з адаптером D-link DWA - 547 і відбивного об'єкту зі змінними параметрами.

Вимірювання відношення сигнал/шум на прийомі в системі зв'язку виконані за допомогою програми Ekahau RTLS, а пропускної здатності системи - за допомогою програми генераціїї та аналізу тестових послідовностей IxChariot.

Змінення рівня сигналу на прийомі в системі забезпечувалось за допомогою металевих відбивних листів різних розмірів, що розміщалися у просторі між антенами безпроводового маршрутизатора і адаптера.

Була складена таблиця значень відношення сигнал/шум у точці прийому і відповідних їм значень пропускної здатності випробуваної системи радіодоступу MIMO. За рахунок розроблених методів підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO є можливість збереження їх пропускної здатності при погіршенні сигнально-завадової обстановки.

ВИСНОВКИ

У роботі сформульоване та вирішене актуальне наукове завдання підвищення достовірності передачі інформації в системах радіодоступу MIMO за рахунок запропонованих методів вейвлет передбачення матриці радіоканалу і управління потужністю по зворотному каналу в антенах на передавальній стороні, адаптивної до сигнально-завадової обстановки вейвлет фільтрації сигналів та використання ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування в каналах.

1. Запропоновано новий метод зменшення імовірності бітових помилок системи радіодоступу MIMO за рахунок перерозподілу потужності в каналах на передавальній стороні, що управляється по зворотному каналу на основі передбачення матриці каналу з використанням вейвлет аналізу значень функцій, що складають матрицю. Зменшення імовірності помилок на біт становить від 1,2 до 3,5 разів.

2. Вперше запропоновано адаптивний алгоритм вейвлет фільтрації шумів у системах радіодоступу MIMO. Цифрова вейвлет обробка сигналів знижує рівень бітових помилок при високому рівні шуму Eb/N0 = 7дБ з 1,7 10--2 до 2,42 10--4 , а при зниженні рівня шуму Eb/N0 = 10 дБ - з 1,7 10---3до 2,4 10--7 у порівнянні з системами без фільтрації.

3. Порівняння результатів вейвлет фільтрації з Фур'є фільтрацією показало перевагу вейвлет фільтрації. Так при Eb/N0 = 10 дБ імовірність бітових помилок при вейвлет фільтрації знижується до 2,4 10-7 з 1,8 10-4, а при Eb/N0 = 7 дБ знижується до 2,42 10-4 з 3,7 10-3.

4. У роботі одержав подальший розвиток метод ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування ОПВМ. Він вперше застосований у каналах систем радіодоступу MIMO. Використання ОПВМ замість ортогонального частотного мультиплексування OFDM дозволило заощадити частотний ресурс за рахунок скорочення смуги займаних системою частот у 1,5 - 2 рази.

5. Заміна OFDM у системах MIMO на ортогональне пакетне вейвлет мультиплексування ОПВМ при однаковій смузі займаних частот збільшило пропускну здатность системи зв'язку MIMO до 2 разів. Однак, зменшення величини розносу частот між піднесучими сусідніх каналів у системах з ОПВМ, у порівнянні з OFDM, знижує ефективність боротьби із завмираннями.

6. Важливою характеристикою ортогонального пакетного вейвлет мультиплексування ОПВМ в MIMO є значно більш низький у порівнянні c OFDM рівень випромінювання бічних частот за межами основної смуги. ОПВМ має рівень бічних у випадку використання вейвлет функції Добеші db16, що на 40 дБ менше ніж для OFDM. Крім того, основна смуга АЧХ ОПВМ має круті схили на обох краях робочого діапазону частот.

7. Застосування ортогональних вейвлет функцій у каналах ОПВМ MIMO забезпечує більш низький рівень міжканальної інтерференції ICI у порівнянні з OFDM MIMO.

8. Показано, що можна знизити кількість символьних помилок у системі ОПВМ MIMO в умовах впливу «тонових» (вузькосмугових) і періодично повторюваних імпульсних завад малої тривалості (значно менших часового інтервалу передачі блоку символів) за рахунок зміни структури вейвлет дерева ОПВМ.

9. Запропоновано новий адаптивний метод придушення завад в системах радіодоступу MIMO з ортогональним пакетним вейвлет мультиплексуванням за рахунок побудови оптимальних вейвлет дерев, що дозволило знизити вплив на систему не тільки зосереджених на одній частоті завад, але й періодично повторюваних імпульсних завад, які займають всю робочу смугу частот.

10. Розроблено імітаційну програмну модель телекомунікаційної системи з технологією MIMO і просторово-часовим кодуванням, що включає змінні програмні модулі середовища передачі, модулятори, демодулятори, просторово-часові кодери й декодери, модулі OFDM і ОПВМ, моделі вейвлет фільтрів та вейвлет передбачення матриці каналу. Модель дає можливість: імітувати процес передачі інформації і пілотних сигналів у телекомунікаційних системах MIMO з різним числом приймальних і передавальних антен, у тому числі і для мобільних абонентів. Результати моделювання підтвердили результати проведених теоретичних досліджень.

11. Результати моделювання телекомунікаційної системи MISO із просторово-часовим кодуванням по Аламоуті підтвердили сильну залежність рівня бітових помилок ВЕR від відношення . При збільшенні до 20 дБ і вище рівень ВЕR стає меншим 10-5.

? Для мобільних абонентів, що рухаються з малою швидкістю до 6 км/год збільшення ВЕR не істотне.

? Для мобільних абонентів, що рухаються з більшими швидкостями зневажати впливом мобільності абонентів на рівень ВЕR навіть при високих не можна. Так при зміні швидкості від 3,6 до 72 км/год рівень ВЕR зростає з 5,37·10-6 до 2 10-2 ( = 20 дБ). При більших швидкостях руху абонента в телекомунікаційній системі доцільно застосовувати крім просторово-часового кодування Аламоуті додаткові заходи по зменшенню BER.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Поповский В.В., Марчук А.В. Влияние методов резервирования на живучесть двухполюсных сетей радиодоступа различной топологии // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2007. Вып. 148. С.124 - 127.

2. Марчук А.В. Влияние перекрестных помех на пропускную способность MIMO систем радиодоступа // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2007. Вып. 151. С.198 - 203.

3. Марчук А. В. Имитационная программная модель телеком-муникационной системы с технологией MIMO и пространственно-временным кодированием // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2009. Вып. 156. С.112 - 117.

4. Марчук А.В. Адаптивный к сигнально-помеховой обстановке метод цифровой обработки сигналов на основе вейвлет преобразований в приемных каналах систем радиодоступа MIMO // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2010, № 1/5 (43). С. 25 - 28.

5. Марчук А.В., Вадиа Зияд. Использование линейного предсказания матрицы радиоканала для уменьшения вероятности битовых ошибок в системах связи MIMO // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2009. Вып. 159. С.288 - 293.

6. Марчук А.В. Исследование возможностей использования ортогонального пакетного вейвлет мультиплексирования в системах радиодоступа MIMO // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2010, № 2/9 (44). С. 13 - 19.

7. Поповский В.В., Марчук А.В. Повышение пропускной способности MIMO систем за счет снижения уровня перекрестных помех // 2-а міжнародна наукова конференція „Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку”. Зб. матеріалів конференції. - Харків: ХНУРЕ, 2007. - С. 97 - 98.

8. Марчук А.В. Устройства формирования лучей с повышенной разрешающей способностью в беспроводных системах доступа MIMO // 12-й міжнародний молодіжний форум „Радіоелектроніка і молодь в ХХ1 ст.” Зб. матеріалів ХНУРЕ. - Харків: ХНУРЕ, 2008. С. 120.

9. Марчук А.В. Экспериментальные исследования влияния среды передачи на пропускную способность систем радиодоступа с технологией MIMO // 3-й Международный радиоэлектронный форум „Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”. МРФ - 2008. Сборник научных трудов. Том 11. Международная конференция „Телеком-муникационные системы и технологии”. - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. 2008. С. 153 - 155.

10. Марчук А.В. Исследование влияния частоты следования и длительности пилотных сигналов на пропускную способность мобильных MIMO систем радиодоступа // 13-й міжнародний молодіжний форум „Радіоелектроніка і молодь в ХХ1 ст.” Зб. матеріалів ХНУРЕ. - Харків: ХНУРЕ, 2009. С. 146.

11. Марчук А.В., Вадиа Зияд. Влияние мобильности абонента на пропускную способность MIMO систем радиодоступа // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ - 2009) - материалы 5-й междунар. молодежной научн. техн. конф. - Севастополь: Вебер, 2009. С. 129.

12. Марчук А.В. Экспериментальная установка для измерений параметров сложных составных сетей содержащих спутниковый сегмент // 13-й міжнародний молодіжний форум „Радіоелектроніка і молодь в ХХ1 ст.” Зб. матеріалів ХНУРЕ. - Харків: ХНУРЕ, 2009. С. 145.

13. Марчук А.В. Выбор оптимальной структуры вейвлет деревьев для подавления помех в системах радиодоступа MIMO // 14 -й международный молодежный форум „Радиоэлектроника и молодежь в ХХ1 веке.” Сб. материалов форума. Ч.1. -Харьков, ХНУРЭ, 2010. С. 157.

Размещено на Allbest.ru

...