Методи підвищення завадостійкості систем безпроводового доступу WIМAX

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

На правах рукопису

Спеціальність: 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

УДК 654.16:621.391.82

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ЗАВАДОСТІЙКОСТІ СИСТЕМ БЕЗПРОВОДОВОГО ДОСТУПУ WI-МAX

Ахмед Джаміль

Муслім

Харків-2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Коляденко Юлія Юріївна, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри телекомунікаційних систем

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Горобець Микола Миколайович, Харківський національний університет, завідувач кафедри прикладної електродинаміки;

кандидат технічних наук, доцент Макаров Сегрій Анатолійович, Науковий центр Повітряних сил Харківського університету Повітряних сил, начальник науково-дослідного відділу.

Захист відбудеться “___“ ___________ 2011 р. о ____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.09 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м.Харків, пр.Леніна 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166 м.Харків, пр.Леніна. 14.

Автореферат розісланий “_____” _____________ 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Дуравкін Є.В.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТИ

Актуальність теми. На даний час стрімкими темпами відбувається розвиток сучасних телекомунікаційних мереж. Це особливо помітно по активним процесам міжнародної стандартизації, виробництва та розгортання безпроводових мереж. Серед них все більшого поширення набувають, наприклад, такі технології як персональні мережі IEEE 802.15 (Bluetooth), локальні мережі IEEE 802.11 (Wi-Fi), стандарт універсальних міських мереж IEEE 802.16 (WІMAX), в яких безпроводовий широкосмуговий доступ використовується дуже широким спектром додатків - від традиційної передачі мови до сучасних мультимедійних додатків.

Всі згадані технології використовують відповідні протоколи взаємодії вузлів мережі для управління передачею пакетів по загальному каналу зв'язку. Наявність спільного каналу зв'язку, який колективно використовується абонентами (часто дуже великою кількістю користувачів), є спільною рисою сучасних і перспективних безпроводових телекомунікаційних систем. Значний інтерес становлять дослідження централізованих телекомунікаційних систем, в яких є центральна станція, яка координує роботу абонентських станцій. Саме така мережева архітектура є основною в стандарті IEEE 802.16. Відмінними особливостями цього стандарту є висока складність протоколу підрівня управління доступом до середовища, яка відповідає, зокрема, за організацію доступу абонентів до загального каналу зв'язку, а також наявність великого числа невизначених (vendor-dependent) частин, в яких стандартизовані лише деякі механізми мережевої взаємодії. Ці особливості технології WІMAX, а також її новизна, призводять до необхідності розробки методів підвищення електромагнітної сумісності та розробки рекомендацій щодо підвищення завадостійкості при множинному радіодоступі абонентів.

Можна виділити ряд відмінних структурних та функціональних особливостей, що характеризують електромагнітну обстановку (ЕМО) в мережах WІMAX:

- обмежена енергетика і достатньо велика протяжність радіоліній, множинний випадковий характер міжелементних взаємодій і механізмів цих взаємодій, що впливають на те, що поточна ЕМО важко піддається обліку і контролю;

- топологія мережі WiMAX особливо для мобільних абонентів характеризується явно вираженою динамікою і нестаціонарністю, а також короткочасністю роботи в ефірі;

- канали радіозв'язку є багатопроменевими, з випадковою нестаціонарною зміною всіх фізичних параметрів;

- необхідність виконання високих вимог щодо якості обслуговування при передачі мультимедійної інформації;

- висока густина стаціонарного завантаження виділених діапазонів частот при випадковому положенні та розміщенні груп абонентських станцій в просторі.

На сьогодні можна зробити висновок про те, що частотно-часовий та енергетичний ресурс для радіоелектронних засобів (РЕЗ) практично вичерпаний і виникає необхідність освоєння нових фізичних просторово-поляризаційних ресурсів, які до цього активно не використовувалися. Тому актуальною науковою задачею даної дисертаційної роботи є забезпечення завадостійкості WІMAX з використанням просторово-часової обробки сигналів (ПЧОС) і просторово-часового кодування при впливі динамічних множинних електромагнітних взаємодій і розробка методик і методів забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) в угрупованнях РЕЗ WІMAX.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з положеннями „Концепції національної інформаційної політики”, „Концепції Національної програми інформатизації”, „Основних засад розвитку інформаційного суспільства в Україні на 2007-2015 роки” и „Концепції конвергенції телефонних мереж та мереж з пакетною комутацією в Україні”. Дисертаційна робота є продовженням і подальшим розвитком наступних науково-дослідних робіт (НДР): НДР № 213-1 "Методика дослідження аналізу електромагнітної сумісності в мобільних системах зв'язку" (ДР № 0107U001568) яка виконувалася в Харківському національному університеті радіоелектроніки (ХНУРЕ); НДР "Концепція обробки, аналізу і передачі даних в ІАС НАКУ" ("Моніторинг-С"), яка виконувалася в Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації.

Мета та задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення завадостійкості передачі цифрової інформації по радіолініях зв'язку та забезпечення електромагнітної сумісності на рівні радіодоступу систем WІMAX. Для досягнення цієї мети в роботі вирішені такі задачі:

- аналіз завадостійкості радіоелектронних засобів WIMAX;

- розробка методу оцінювання матриці каналу MIMO-системи;

- удосконалення неортогональних просторово-часових кодів з поліпшеною енергетичною ефективністю в порівнянні з існуючими кодами;

- розробка просторово-часових методів, що забезпечують підвищення завадостійкості РЕЗ WIMAX;

- розробка практичних пропозицій щодо створення мережі бездротового доступу за технологією WIМАХ.

Об'єкт дослідження. Процеси функціонування систем радіодоступу WIМАХ.

Предмет дослідження. Моделі електромагнітних взаємодій радіоелектронних засобів та методи забезпечення умов електромагнітної сумісності й завадостійкості систем WIМАХ з використанням просторово-часових методів обробки сигналів.

Методи досліджень базуються на основних положеннях радіофізики, теорії електрозв'язку, системного аналізу, математичної статистики, теорії ймовірностей, теорії оптимізації, теорії оцінювання та управління, методах просторово-часової обробки сигналів, управління в адаптивних антенних решітках, математичного моделювання, імітаційного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше для оцінювання матриці каналу запропонована оптимальна в гаусівському і лінійному наближеннях процедура Калмана-Б'юсі. Проведені дослідження показали, що запропонована процедура оцінки матриці каналу за допомогою процедури Калмана-Б'юсі дозволяє на порядок зменшити помилку оцінювання.

2. Удосконалено неортогональні просторово-часові коди з поліпшеною енергетичною ефективністю. Запропоновано удосконалені алгоритми демодуляції з паралельним винятком демодульованих компонент. Виграш у завадостійкості при використанні нових методів обробки сигналів з просторово-часовим кодуванням в порівнянні з традиційними методами становить 1 - 2,5 дБ при ймовірності помилки Рпом=10-5 .

3. Вперше для раціонального використання багатоантенної техніки запропонована модифікація режиму МІМО-технології для систем WIMAX в умовах впливу зосереджених за спектром завад. Модифікація режиму МІМО-технології для систем WIMAX дає виграш в завадостійкості від 20 до 25 дБ в залежності від кількості антенних елементів на приймальній стороні.

Практичне значення отриманих результатів

1. Запропоновано методику вирішення задачі оцінки кластерної структури побудови телекомунікаційної мережі з використанням технології WІMAX і необхідного для цього частотного ресурсу. Методика враховує технічні характеристики базових станцій технології WІMAX і типові види трафіку потенційних користувачів телекомунікаційних послуг. Запропонована методика дозволяє на початковому етапі проектування WІMAX мережі виконати оцінку необхідного частотного ресурсу, кількості базових станцій, кластерної структури мережі з урахуванням передбачуваного трафіку користувачів, що дозволяє дати попередню оцінку прогнозованих витрат на побудову мережі.

2. Виконано аналіз впливу енергетичного балансу радіоканалу на радіопокриття в стільниковій мережі за наступними показниками: відносне збільшення радіуса осередку та площі радіопокриття базової станції при збільшенні енергетичного балансу. Збільшення енергетичного балансу радіоканалу на 0,5 - 2,5 дБ призводить до збільшення площі радіопокриття базової станції на 7 - 39%, що дозволяє скоротити кількість базових станцій для обслуговування території заданої площі на 6 - 28%.

Результати дисертаційних досліджень реалізовані в:

Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації при побудові телекомунікаційної мережі з використанням технології WIMAX (акт реалізації від 15.04.2011);

навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки при вивченні дисципліни «Теорія електричного зв'язку» (акт реалізації від 19.04.2011).

Особистий внесок здобувача у спільних публікаціях. У роботі [1] автору належить розробка методу розв'язання задач електромагнітної сумісності систем, що використовують WIMAX-технології. У роботі [2] автору належить проведення аналізу ефективності використання MIMO технології в WIMAX системах в умовах завад. У роботі [3] автору належить розробка методики розрахунку кластерної структури і необхідного частотного ресурсу для створення мережі безпроводового доступу за технологією WІМАХ. У роботі [4] автору належить проведення аналізу ефективності алгоритмів адаптивних антенних решіток. У роботі [5] автору належить проведення аналізу пропускної здатності МIМО-системи при неточно відомих параметрах каналу. У роботі [6] автору належить розробка методу оцінки матриці каналу. У роботі [7] автору належить розробка математичної моделі каналу і дослідження пропускної здатності МIМО-системи. У роботі [8] автору належить розробка математичної моделі взаємодій в угрупованнях радіоелектронних засобів. У роботі [11] автору належить проведення аналізу пропускної здатності МIМО-системи. У роботі [12] автору належить розробка модифікованого режиму МІМО-системи. У роботі [13] автору належить розробка ітераційних алгоритмів демодуляції сигналів з ??просторово-часовим кодуванням. У роботі [14] автору належить проведення аналізу ефективності методів просторово-часового кодування, що застосовуються в системах WІМАХ. У роботі [15] автору належить вдосконалення просторово-часового коду для систем WIMAX.

Апробація результатів дисертації: Результати доповідалися на наукових семінарах кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ, а також на 8-ми Міжнародних конференціях [8-15]. Всі виступи за темою дисертації.

Публікації: за темою дисертації представлено 7 статей, які опубліковані в спеціалізованих виданнях, включених до переліку ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, який складає 69 найменувань. Загальний обсяг роботи 155 сторінок, зокрема: 39 рисунків, 12 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, наведені інші необхідні характеристики дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз багаторівневої моделі взаємодії між елементами мережі WІMAX, аналіз ЕМО в діапазоні частот, виділеному для даної технології, розглянуті методи, які застосовуються для підвищення завадостійкості даних систем. З проведеного аналізу технології WIMAX випливає, що на практиці повсюдно виникають умови для існування як внутрішньосистемних, так і міжсистемних завад. Методи ж, які використовуються для підвищення завадостійкості радіоліній базуються в основному на частотно-часових, кодових і енергетичних відмінностях сигналів і завад. Аналіз показав, що ресурс цих методів завадостійкості вже вичерпується, він може бути лише перерозподілений. Все це є аргументом на користь того, щоб розширити вектор використовуваних ресурсів, підключивши ресурс просторово-поляризаційних параметрів сигналів для їх активного застосування. Використовувані в WIMAX стандарті методи модуляції і просторово-часового кодування спрямовані в основному на підвищення швидкості передачі інформації.

У цьому розділі показано, що для вирішення задач завадостійкості та електромагнітної сумісності на рівні радіодоступу необхідне рішення ряду питань: аналіз завадостійкості РЕЗ WIMAX з урахуванням особливостей цих систем, удосконалення неортогональних просторово-часових кодів з поліпшеною енергетичною ефективністю в порівнянні з існуючими кодами; розробка просторово-часових методів, що забезпечують підвищення завадостійкості РЕЗ WIMAX; розробка практичних пропозицій щодо підвищення завадостійкості мережі WIMAX.

У другому розділі проведено аналіз завадостійкості РЕЗ WIMAX з урахуванням особливостей цих систем.

Проведено аналіз завадостійкості системи WIMAX з різними видами модуляції. Аналіз показав, що при модуляції OFDM-256 відношення сигнал/завада+шум (ВСЗШ) на вході демодулятора повинне становити не менше 25 дБ, для КAM-64 це значення становить не менше 20 дБ, для КAM-16 має бути не менше 15 дБ і для КАМ-4 має бути не менше 10 дБ. У таких ненадійних каналах як радіоканал дані значення рідко досяжні, що потребує розробки додаткових методів завадостійкості.

Проведено аналіз пропускної здатності МIМО з використанням неортогональних кодів. Проведені дослідження показали, що пропускна здатність зростає із збільшенням числа антен. Пропускна здатність МIМО при ==( - кількість передавальних антен, - кількість прийомних антен) наближено в раз більше від пропускної здатності SISО (для великих значень ). Аналіз також показав, що зі збільшенням кількості передавальних антен збільшується ймовірність помилки, особливо при низьких значеннях відношення сигнал/шум . Зі збільшенням кількості прийомних антен в порівнянні з передавальними, ймовірність помилки зменшується. Так при =10 дБ і більше при переході від =2 до =4 ймовірність помилки знижується на пів порядку, а при переході від =2 до =8 ймовірність помилки знижується на два порядки.

Проведено аналіз впливу похибок вимірювання параметрів радіоканалу в приймачі на ефективність роботи алгоритму просторового декодування. Аналіз показав, що зі збільшенням похибки вимірювання матриці каналу ймовірність помилки зростає. Особливо це зростання помітне для випадку з однаковою кількістю передавальних і прийомних антен. У випадку ж, коли прийомних антен більше з'являється можливість додаткової оцінки вектора сигналів.

У даному розділі для оцінки матриці каналу запропонована оптимальна в гаусівському і лінійному наближеннях процедура Калмана-Б'юсі:

,

де - процес, що спостерігається; - похибки оцінки матриці ; - оцінка елементу матриці каналу на -му кроці; - коефіцієнт стану, , - інтервал кореляції, - крок; - коефіцієнт, що забезпечує стійкість і оптимальну швидкість збіжності алгоритму до сталого стану, визначається виразом

,

де - спектральна густина потужності шуму спостереження; - апостеріорна дисперсія помилки оцінки підлягає рекурсивному обчисленню на кожному кроці згідно алгоритму:

,

де - спектральна густина потужності шуму, що породжує;

- коефіцієнт збудження; - дисперсія процесу : - апріорна дисперсія помилки оцінки:

.

В якості критерію ефективності в роботі використовується значення для отримання вибіркової оцінки апостеріорної дисперсії

,

де n - обсяг вибірки.

За допомогою математичного моделювання проведено аналіз ефективності процедури оцінки (1). На рис. 1 представлено залежності апостеріорної дисперсії помилки оцінки від значення похибки матриці. Крива 1 відповідає вибірковій апостеріорній дисперсії помилки оцінки (5). Крива 2 відповідає апостеріорній дисперсії помилки оцінки (3) в сталому режимі. З наведених залежностей видно, що при значенні =0,1 теоретично помилка знижується до 0,02 (тобто на порядок), вибіркова помилка становить 0,09. При =0,5, що відповідає рівності дисперсій помилки і самій дисперсії матриці каналу, теоретично помилка знижується до 0,08, вибіркова ж помилка становить 0,16. При =1 теоретично помилка знижується до 0,16, вибіркова ж помилка становить 0,215. Проведені дослідження показали, що запропонована процедура оцінки матриці каналу за допомогою процедури Калмана-Б'юсі дозволяє на порядок зменшити ймовірність помилки.

У третьому розділі удосконалено неортогональні просторово-часові коди з поліпшеною енергетичною ефективністю.

Для систем WІMАХ стандартом IEEE 802.16e рекомендується код «C»:

,

де .

В якості неортогональних просторово-часових кодів з поліпшеною енергетичною ефективністю, які потребують меншого ВСЗШ для їх демодуляції на приймальній стороні в порівнянні з існуючими кодами пропонується формувати коди з символьною швидкістю 2 як комбінації ортогонального коду Аламоуті і неортогонального коду «С»:

1) Код Аламоуті-С (код АС):

,

де ,

.

2) код С-Аламоуті (код СА):

,

де , , , .

Символьна швидкість кодів АС та СА збігається зі швидкістю подвійного коду Аламоуті, який рекомендується стандартами IEEE 802.16.e для систем з 4 передавальними антенами.

Відомо, що вірність передачі залежить і від способу прийому. Для обчислення оцінок переданих символів можуть використовуватися різні методи: метод обнулення (ZF), метод мінімуму середньоквадратичної помилки (МСКП), метод послідовного виключення демодульованого компонент (SIC - Successive Interference Cancellation), метод максимальної правдоподібності (МП). За допомогою математичного моделювання проведено аналіз характеристик методів декодування. Аналіз показав, що найкращі характеристики серед відомих методі демодуляції має метод МП.

На рис. 2 наведено результати статистичного моделювання для кодів АС і СА для системи такої конфігурації: 4 передавальні, 2 прийомні антени (система 4х2), модуляція КАМ-4, демодуляція за методом МП. Крива 1 на рис. 2 відповідає «подвійному» Аламоуті, крива 2 - коду АС, крива 3 - коду СА. Запропоновані коди, АС та СА, перевершують за характеристиками подвійний код Аламоуті і дозволяють отримати виграш 0,5 і 0,6 дБ при Рпом = 10-2, відповідно, а при Рпом = 10-3 виграш досягає 1 і 1,2 дБ, відповідно. Серед двох запропонованих кодів кращі характеристики має код СА.

Пропонується формувати код з символьною швидкістю 4, як комбінацію блоків С: радіоелектронний мережа код бездротовий

Символьна швидкість коду Сd збігається зі швидкістю коду V-BLAST, який рекомендується стандартом IEEE 802.16.e для базових станцій WІMАХ з 4 передавальними антенами. Для порівняння характеристик пропонованого коду з кодом V-BLAST було проведено статистичне моделювання в середовищі MATLAB. На рис. 3 надано залежності Pпом від ВСЗШ при використанні демодуляції за методом МП для сигналів з ??модуляцією КАМ-4 в системі MIMO 4х4. Крива 1 відповідає коду V-BLAST, а крива 2 - коду Сd. Запропонований код Сd перевершує за характеристиками код V-BLAST і дозволяє отримати виграш 0,9 дБ при Pпом =10-2 і 1,7 дБ при Pпом = 10-3.

Реалізувати алгоритм демодуляції МП в реальному часі для системи V-BLAST досить проблематично, так як на інтервалі тривалості одного інформаційного символу необхідно здійснити перебір досить великого числа комбінацій символів. У даному розділі запропоновані ітераційні алгоритми демодуляції сигналів з ??паралельним винятком демодульованих компонент. Оцінки символів вектора обчислюються блоками по компонент. В якості початкових умов алгоритму використовуються м'які оцінки, обчислені за методом МСКП. Точність початкової оцінки визначається кореляційною матрицею помилок оцінювання :

.

Вектор оцінюваних інформаційних символів розбивається на блоків, і рівняння спостереження можна представити у вигляді:

,

де - вектор переданих інформаційних символів розмірності ; - блочний стовпець матриці розмірності . Оцінка вектора , отримана на -й ітерації, характеризується помилкою оцінювання :

.

Для обчислення -ї компоненти з вектора прийнятих сигналів віднімаються оцінки решти блоків інформаційних символів:

,

де - вектор інформаційних символів розмірністю після викреслювання -го блоку з оцінки , - матриця розміром після викреслювання -го блочного стовпця з матриці .

З урахуванням неточності оцінювання символів на попередніх кроках можна записати:

,

де - гаусівський вектор з кореляційною матрицею

,

де - кореляційна матриця помилок оцінювання інформаційних символів на попередній ітерації після викреслювання з неї -го блочного стовпця і -го блочного рядка, що має розмір .

Байєсова оцінка -го блоку інформаційних символів на -й ітерації:

,

де - множина значень, що може приймати вектор символів КАМ, що складається з елементів, .

Кореляційна матриця помилки оцінювання блоку :

.

Для обчислення наступних блокових компонент на -й ітерації необхідно оновити кореляційну матрицю , тобто замінити її діагональний блок на обчислений .

На рис. 4 наведено характеристики демодуляції для системи V-LAST 8х8 з модуляцією КАМ-4. Крива 1 відповідає оцінці компонент за методом МСКП, крива 2 - SIC, крива 3 - запропонованим алгоритмом при =1 (3 ітерації), крива 4 - =2 (3 ітерації), крива 5 - =/2=4 (3 ітерації), крива 6 - МП. Як видно з рис. 4 характеристики алгоритму при =/2=4 найбільш близькі до характеристик алгоритму МП.

У традиційній системі WІMАХ зі схемою V-BLAST, здійснюється послідовне завадостійке кодування з наступним демультиплексуванням на потоків і модуляцією. У роботі показано, що поліпшити характеристики завадостійкості системи WІMАХ можна, об'єднавши в одному циклі виконання процедур демодуляції V-BLAST і завадостійкого декодування. Для цього запропоновано здійснювати завадостійке кодування після демультиплексування. На передавальній стороні при паралельному завадостійкому кодуванню, бінарний потік демультиплексується на бінарних потоків . Потім у кожній з передавальних гілок здійснюються наступні операції: двійкові інформаційні символи об'єднуються в кадри довжиною і кодуються. На виході кодера формується кадр символів довжиною , які послідовно піддаються квадратурній амплітудній модуляції, після чого символи випромінюються через передавальну антену за часових інтервалів.

Обробка сигналів на приймальній стороні здійснюється наступним чином.

Крок 1. Прийнятий вектор демодулюється за методом МСКП, тобто обчислюється оцінка , потім для обчисленої оцінки визначається відповідний вектор символів (виконується операція поелементного відображення комплексних символів КАМ на двійкові символи). За часових інтервалів на кожній ітерації сформовані кадри довжини підлягають декодуванню, в результаті виходить кадр довжиною (, на першій ітерації ). Крім того, для кожного кадру визначається наявність помилок. Якщо синдром кадру на -й ітерації дорівнює 0, то приймається рішення про прийом кадру без помилок, якщо = 1, то вважається, що кадр прийнятий з помилками.

Крок 2. Перевіряються синдроми декодованих на -й ітерації кадрів. Якщо для деякої кількості приймальних гілок синдроми відновлених кадрів дорівнюють 0, то здійснюється перехід до кроку 3. Якщо всі дорівнюють 1 або 0, то здійснюється перехід до кроку 4.

Крок 3. Правильно декодовані на -й ітерації кадри в кожній гілці підлягають операціям кодування і модуляції, аналогічні тим, які виконувалися на передавальній стороні. У результаті в кожній гілці отримують - кадр відновлених на -й ітерації комплексних символів, переданих через антену з номером . Формуються повідомлення правильно декодованих символів , де - -й стовпець матриці . Коригуються вектори прийнятих комплексних відліків на тривалості одного кадру:

,

де - скоригований вектор прийнятих сигналів на -й ітерації; - множина номерів приймальних гілок, для яких = 0.

На подальшій ітерації демодуляція і декодування виконуються для всіх потоків , за винятком правильно декодованих потоків.

Крок 4. Після закінчення всіх ітерацій, декодовані кадри всіх бінарних потоків побітно мультиплексуються в один бінарний потік .

Для системи WІMАХ зі схемою V-BLAST 8х8 з модуляцією КАМ-4 з використанням циклічного коду було проведено статистичне моделювання. Результати моделювання наведено на рис.5. Крива 2 відповідає традиційним методом на базі МСКО, крива 4 відповідає методу на базі МП, крива 1 - пропонованому методу з однією ітерацією, крива 3 - пропонованому методу з двома ітераціями, крива 5 - пропонованому методу з трьома ітераціями.

Проведені дослідження показали, що пропонований метод спільної демодуляції і декодування на базі МСКО дозволяє поліпшити завадостійкість системи, при =10-5 досягти виграшу 2 дБ.

У четвертому розділі проведено аналіз ефективності алгоритмів адаптивних антенних решіток (ААР). Розглянуто алгоритми ААР, синтезовані за критерієм максимуму відношення сигнал/завада, за критерієм мінімуму середньоквадратичного відхилення і за критерієм мінімуму вихідної потужності. В роботі показано, що при наявності точної інформації про сигнал і за умови стаціонарності сигнально-завадової обстановки (СЗО) ці алгоритми забезпечують приблизно однакову ефективність придушення завад. Разом з тим для динамічної СЗО після досягнення максимально можливого ВСЗШ на виході ААР на кожному кроці роботи алгоритму ВСЗШ плавно знижується.

У роботі запропоновано алгоритм ААР, синтезований для динамічної СЗО. При нестаціонарній СЗО відбуваються просторово-часові зміни параметрів сигналу і завади. Ці зміни можуть відбуватися через впливи середовища поширення радіохвиль, переміщення приймача або передавача завади та за інших причин. Для такої СЗО рівняння стану вектора вагових коефіцієнтів (ВВК) буде мати загальний вигляд:

,

де і - відповідно матриці стану та інтенсивностей змін параметрів сигналів і завад; - вектор білого гаусівського шуму зі спектральною густиною потужності .

Для нестаціонарної СЗО процедура визначення ВВК має вид:

,

де - опорний сигнал, - матриця вхідних сигналів, - діагональна матриця спектральної густини потужності шумів спостереження, - матриця значень апостеріорної дисперсії оцінки :

.

Для дискретного випадку процедура (20) набуде виду

,

де - дискретний час; - одинична матриця.

За допомогою імітаційного моделювання проведено аналіз швидкості збіжності та ефективності алгоритму (20) при нестаціонарній СЗО. В якості вихідних даних були взяті такі значення: початкові кути приходу сигналу о, завади о, при зміні кута приходу сигналу на кожному кроці роботи алгоритму на =0.0667о. При цьому зміна кута приходу сигналу за 300 кроків роботи алгоритму досягає 20о і становить о.

На рис.6 надано криві ВСЗШ на виході ААР на кожному кроці роботи алгоритму при різній кількості прийомних антен. Крива 1 відповідає випадку використання прийомних антен, крива 2 - прийомних антен, і крива 3 - прийомних антен. З наведених графіків видно, що при досягненні свого потенційного значення ВСЗШ залишається незмінним.

У роботі проведено аналіз ефективності даного алгоритму від кількості АЕ. Аналіз ААР малої і великої розмірності показує, що із зростанням числа антенних елементів, ефективність придушення завад спочатку різко зростає, потім це зростання знижується і стає пропорційним числу АЕ. В роботі рекомендується для систем WІMAX використовувати алгоритм (20) з кількістю антенних елементів =4 ... 8.

Розроблена структурна схема модифікованої MIMO системи (рис.7) з -елементною ААР для оцінки потоків.

Відповідно до даної схеми у пристрої управління ВВК генерується опорний сигнал відповідно до апріорної інформацією про напрямок приходу сигналу і формується ВВК згідно з процедурою (20). Далі зважений сигнал надходить на суматор, де реалізується процедура підсумовування зважених сигналів і далі в просторово-часовий декодер.

У п'ятому розділі запропоновано методику розв'язання задачі оцінки кластерної структури побудови телекомунікаційної мережі з використанням технології WІMAX і необхідного для цього частотного ресурсу. Методика враховує технічні характеристики базових станцій технології WІMAX і типові види трафіку потенційних користувачів телекомунікаційних послуг. Запропонована методика дозволяє на початковому етапі проектування WІMAX мережі виконати оцінку необхідного частотного ресурсу, кількості базових станцій, кластерної структури мережі з урахуванням передбачуваного трафіку користувачів, що дозволяє дати попередню оцінку прогнозованих витрат на побудову мережі.

Виконано аналіз впливу енергетичного балансу радіоканалу на радіопокриття в стільниковій мережі за наступними показниками: відносне збільшення радіуса осередку та площі радіопокриття базової станції при збільшенні енергетичного балансу.

Розраховано збільшення дальності зв'язку , збільшення площі радіопокриття осередку і скорочення кількості базових станцій для обслуговування заданої території при поліпшенні енергетичного балансу лінії зв'язку на 0,5 - 2,5 дБ. Результати обчислень представлені на рис.8. З даних графіків видно, що збільшення енергетичного балансу радіоканалу на 0,5 - 2,5 дБ призводить до збільшення площі радіопокриття базової станції на 7 - 39%, що дозволяє скоротити кількість базових станцій для обслуговування території заданої площі на 6 - 28%.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

У процесі вирішення поставленої наукової задачі розроблені методи підвищення завадостійкості систем безпроводового доступу WIMAX. При цьому отримані наступні результати:

1. З проведеного аналізу технології WIMAX випливає, що на практиці повсюдно виникають умови для існування як внутрішньосистемних, так і міжсистемних завад. Методи ж, які використовуються для підвищення завадостійкості радіоліній базуються в основному на частотно-часових, кодових і енергетичних відмінностях сигналів і завад.

2. Для вирішення завдання завадостійкості та електромагнітної сумісності на рівні радіодоступу необхідне рішення ряду питань: аналіз завадостійкості радіоелектронних засобів WIMAX; розробка методу оцінювання матриці каналу MIMO-системи; удосконалення неортогональних просторово-часових кодів з поліпшеною енергетичною ефективністю в порівнянні з існуючими кодами; розробка просторово-часових методів, що забезпечують підвищення завадостійкості РЕЗ WIMAX; розробка практичних пропозицій щодо створення мережі бездротового доступу за технологією WIМАХ.

3. Проведено аналіз завадостійкості системи WIMAX з різними видами модуляції. Аналіз показав, що для модуляції OFDM-256 відношення сигнал/завада+шум на вході демодулятора повинне становити не менше 25 дБ, для КAM-64 це значення становить не менше 20 дБ, для КAM-16 повинне бути не менше 15 дБ і для КАМ-4 повинне бути не менше 10 дБ. У таких ненадійних каналах як радіоканал дані значення рідко досяжні, що потребує розробки додаткових методів завадостійкості.

4. Проведено аналіз ефективності МIМО-систем. Дослідження показали, що при використанні MIMO технології в системах WІMAX необхідно наявність каналів зі?? значенням відношення сигнал/завада+шум більше 10 дБ.

5. Проведено аналіз впливу похибок вимірювання параметрів радіоканалу в приймачі на ефективність роботи алгоритму просторового декодування. Аналіз показав, що зі збільшенням похибки вимірювання ймовірність помилки зростає. Особливо це зростання помітне для випадку з однаковою кількістю передавальних і приймальних антен.

6. Для оцінки матриці каналу запропонована оптимальна в гаусівському і лінійному наближеннях процедура Калмана-Б'юсі. Проведені дослідження показали, що запропонована процедура оцінки матриці каналу за допомогою процедури Калмана-Б'юсі дозволяє на порядок зменшити помилку оцінювання.

7. Запропоновано ефективні неортогональні просторово-часові коди, що перевершують за характеристиками завадостійкості коди, що рекомендуються для використання в стандартах WІMAX. Енергетичний виграш від застосування удосконаленого коду з символьною швидкістю 2 досягає 0,6 дБ, а для коду зі швидкістю 4 виграш становить 0,9 дБ при ймовірності помилки Рпоп = 10-2.

8. Запропоновано удосконалення алгоритму демодуляції з паралельним винятком демодульованих компонент. Досліджено характеристики завадостійкості та обчислювальної складності запропонованих алгоритмів. Енергетичний виграш досягає 2,5 дБ при Рпом = 10-2 в порівнянні з алгоритмом SIC.

9. Запропоновано алгоритм спільної демодуляції і декодування на базі МСКП, що перевершує за завадостійкістю і має меншу обчислювальну складність в порівнянні з традиційною схемою послідовної демодуляції і декодування на базі демодулятора МП. Запропонований алгоритм дозволяє значно поліпшити завадостійкість системи і досягти виграшу 2 дБ при Рпом = 10-5 в порівнянні з традиційною схемою.

10. Для раціонального використання багатоантенної техніки запропоновано модифікований режим роботи MIMO. Модифікація режиму МІМО-технології для систем WIMAX дає виграш в завадостійкості від 20 до 25 дБ в залежності від кількості антенних елементів на приймальній стороні.

11. Проведено аналіз алгоритмів ААР. Розглянуто алгоритми ААР, синтезовані за критерієм максимуму відношення сигнал/завада, за критерієм мінімуму середньоквадратичного відхилення і за критерієм мінімум вихідний потужності. Проведені дослідження показали, що при нестаціонарній СЗО дані алгоритми мають приблизно однакову швидкість збіжності та ефективність придушення завад. Швидкість збіжності даних алгоритмів становить близько 50-ти кроків. Однак, після досягнення максимального значення ВСЗШ плавно знижується.

12. У роботі запропоновано алгоритм ААР, синтезований для динамічної СЗО та проведено аналіз його ефективності. Аналіз показав, при досягненні свого потенційного значення ВСЗШ на виході ААР залишається незмінним.

13. Запропоновано методику розв'язання задачі оцінки кластерної структури побудови телекомунікаційної мережі з використанням технології WІMAX і необхідного для цього частотного ресурсу. Запропонована методика дозволяє на початковому етапі проектування WІMAX мережі виконати оцінку необхідного частотного ресурсу, кількості базових станцій, кластерної структури мережі з урахуванням передбачуваного трафіку користувачів.

14. Виконано аналіз впливу енергетичного балансу радіоканалу на радіопокриття в стільниковій мережі за наступними показниками: відносне збільшення радіуса осередку та площі радіопокриття базової станції при збільшенні енергетичного балансу. Збільшення енергетичного балансу радіоканалу на 0,5-2,5 дБ призводить до збільшення площі радіопокриття базової станції на 7-39%, що дозволяє скоротити кількість базових станцій для обслуговування території заданої площі на 6-28%.

СПИСОК ОПУБЛІКЛВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коляденко Ю.Ю. Методы решения задач электромагнитной совместимости систем абонентского радиодоступа, использующих WIMAX-технологии / Ю.Ю. Коляденко, А.Д. Муслим // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2008. - Вып. 155.- с.209-219.

2. Коляденко Ю.Ю. Анализ эффективности использования MIMO технологии в WIMAX системах в условиях помех / Ю.Ю. Коляденко, А.Д. Муслим // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2009. - Вып. 159.- с.110-116.

3. Коляденко Ю.Ю. Методика расчета кластерной структуры и необходимого частотного ресурса для создания сети беспроводного доступа по технологии WiМАХ / Ю.Ю. Коляденко, Д.Л. Чечеткин, А.Д. Муслим // Радіоелектронні і комп'ютернв системи. - 2010. - № 2 (43).- с. 92 - 96.

4. Kolyadenko J.J. WiMAX-Technology for Broadband Wireless Access. Beamforming or AAS Technogies / J.J. Kolyadenko, A.J. Muslim // Східно-Європейський журнал передових технологій: - 2010. - №3/5 (45).- с.22-25.

5. Коляденко Ю.Ю. Анализ и исследование пропускной способности МIМО-системы при неточно известных параметрах канала / Ю.Ю. Коляденко, А.Д. Муслим // Радіоелектроніка і Телекомунікації Національного університету «Львівська політехніка». - 2010. - №680 (40).

6. Коляденко Ю.Ю. Метод оценки матрицы канала систем беспроводного радиодоступа WiМАХ / Ю.Ю. Коляденко, А.В. Коляденко, А.Д.Муслим // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2010. - Вып. 163.- с.108-111.

7. Коляденко Ю.Ю. Исследование пропускной способности МIМО-системы / Ю.Ю. Коляденко, А.Д. Муслим // Проблеми телекомунікацій. - 2010. - No.1 (1). - с. 76-82. - Режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/prtel/2010_1/10kyysms.pdf

8. Поповский В.В. Методы пространственно-временного доступа в задачах повышения электромагнитной совместимости систем подвижной связи / В.В. Поповский, Ю.Ю. Коляденко, А.Д. Муслим // Материалы семинара МСЭ "Радиочастотный мониторинг сегодня и завтра. Задачи, проблемы и решения" ГП "Украинский государственный центр радиочастот". - Киев.- 2009.

9. Муслим А.Д. Методы анализа электромагнитной совместимости систем WIMAX / Муслим А.Д. // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XIII Международный молодежный форум. - Харьков.- 2009.- с.150.

10. Муслим А.Д. Математическая модель взаимодействий радиоэлектронных средств локальных и городских беспроводных сетей / А.Д. Муслим // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XIV Международный молодежный форум. - Харьков, 2010 с.160.

11. Коляденко Ю.Ю. Анализ пропускной способности МIМО-системы / Ю.Ю. Коляденко А.Д. Муслим // Проблеми телекомунікацій: Четверта міжнародна науково-технічна конференція. - Київ 20-23 квітня 2010.- с. 51.

12. Коляденко Ю.Ю. Модификация режима МІМО системы в условиях воздействия сосредоточенных помех / Ю.Ю. Коляденко, Л.А.Токарь, А.Д. Муслим // Актуальні питання регулювання у сфері телекомунікацій та користування радіочастотним ресурсом: Міжнародна науково-практична конференція. - Київ 18-20 травня 2010.- с. 68-69.

13. Коляденко Ю.Ю. Итерационные алгоритмы демодуляции сигналов с пространственно-временным кодированием для систем WiМАХ/ Ю.Ю.Коляденко, А.Д.Муслим, А.В. Коляденко, А.А. Бадеев // Наука и социальные проблемы общества: информатизация и информационные технологии: VI-я Международная научно-практическая конференция. - Харьков 24-25 мая 2011.- с.373-374.

14. Муслим А.Д. Сравнительная эффективность методов пространственно-временного кодирования, применяемых в системах WiМАХ / А.Д. Муслим, А.В. Коляденко // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XV Международный молодежный форум. - Харьков, 2011. с. 58-59.

15. Муслим А.Д. Усовершенствование пространственно-временных кодов для систем WIMAX / А.Д. Муслим, А.В. Коляденко // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XV Международный молодежный форум. - Харьков, 2011.- с. 60-61.

АНОТАЦІЇ

Муслим А.Д. Методы повышения помехоустойчивости систем беспроводного доступа WIМAX. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. Харьковский национальный университет радиоэлектроники. Харьков. 2011.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной задачи повышения помехоустойчивости систем беспроводного доступа WIМAX с использованием пространственно-временной обработки сигналов.

Проведенный анализ технологии WIMAX показал, что на практике повсеместно возникают условия для существования помех. Используемые же для повышения помехоустойчивости радиолиний методы базируются в основном на частотно-временных, кодовых и энергетических различиях сигналов и помех. Проведенный анализ помехоустойчивости системы WIMAX показал, что для данных систем необходимо наличие каналов с достаточно высоким значением отношения сигнал/шум (ОСПШ) порядка 10 дБ и более, что на практике не всегда достижимо.

Для оценки матрицы канала предложена оптимальная в гауссовом и линейном приближениях процедура Калмана-Бьюси. Проведенные исследования показали, что процедура оценки матрицы канала с помощью процедуры Калмана-Бьюси позволит на порядок снизить ошибку оценивания.

Предложены эффективные неортогональные пространственно-временные коды, превосходящие по характеристикам помехоустойчивости коды, рекомендуемые для использования в стандартах WІMAX. Предложены усовершенствованые алгоритмы демодуляции с параллельным исключением демодулированных компонент. Предложен алгоритм совместной демодуляции и декодирования на базе МСКО, превосходящий по помехоустойчивости и обладающий меньшей вычислительной сложностью по сравнению с традиционной схемой последовательной демодуляции и декодирования на базе демодулятора МП.

Для рационального использования многоантенной техники предложено модифицировать режим работы MIMO. При значениях ОСПШ более 10 дБ используется обычный режим работы MIMO системы с получением предельно возможной пропускной способности. При низком ОСПШ режим работы переключается на использование приемной многоантенной системы как адаптивной антенной решетки (ААР) с последующим пространственно-временным декодированием. В работе предложен алгоритм ААР, синтезированный для динамической СПО и проведен анализ его эффективности.

Предложена методика решения задачи оценки кластерной структуры построения телекоммуникационной сети с использованием технологии WІMAX и необходимого для этого частотного ресурса.

Выполнен анализ влияния энергетического баланса радиоканала на радиопокрытие в сотовой сети. Увеличение энергетического баланса радиоканала на 0,5 - 2,5 дБ приводит к увеличению площади радиопокрытия базовой станции на 7 - 39 %, что позволяет сократить количество базовых станций для обслуживания территории заданной площади на 6 - 28 %.

Ключевые слова: технология WIМAX, помехоустойчивость, электромагнитная совместимость, электромагнитная обстановка, группировка радиоэлектронных средств, пространственно-временная обработка сигналов.

Муслім А.Д. Методи підвищення завадостійкості систем безпроводового доступу WIМAX. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. Харківський національний університет радиоелектроніки. Харків. 2011.

Дисертаційна робота присвячена рішенню актуальної наукової задачі підвищення завадостійкості систем безпроводового доступу WIМAX з використанням просторово-часової обробки сигналів.

Проведений аналіз завадостійкості системи WIMAX показав, що для даних систем необхідна наявність каналів зі значенням відношення сигнал/шум більше 10 дБ. Для оцінювання матриці каналу запропонована процедура Калмана-Б'юсі, що дозволить на порядок підовищити точність вимірювань. Запропоновано неортогональні просторово-часові коди. Запропоновано удосконалені алгоритми демодуляції. Запропоновано алгоритм сумісної демодуляції та декодування. Для раціонального використання багатоантенної техніки запропоновано модифікувати режим работи MIMO.

Запропонована методика рішення задачі оцінки кластерної структури побудови мережі WІMAX і необхідного частотного ресурсу. Виконано аналіз впливу енергетичного балансу радіоканалу на радіопокриття в стільниковій мережі.

Ключові слова: технологія WIМAX, завадостійкість, електромагнітна сумісність, електромагнітна обстановка, угрупування радіоелектронних засобів, просторово-часова обробка сигналів.

Muslim A.J. Methods to improve noise immunity WIMAX wireless access systems. - Manuscript. Thesis for nominate researcher for candidate degree technical sciences, specialty 05.12.02 - Telecommunication Systems and Networks. Kharkov National University of Radio Electronics. Kharkov. 2011.

Dissertation is devoted to solving actual scientific tasks enhance noise immunity of wireless access systems WIMAX - using space-time signal processing.

The above analysis about noise immunity systems WIMAX showed that for these systems must have channels with a sufficiently high value of SINR more than 10 db. To estimate the channel matrix suggested procedure Kalman-Bucy, which allows an order to increase the accuracy of measurements. Suggested non-orthogonal space-time codes, better characteristics of noise immunity codes, recommended for WІMAX. Propose enhanced algorithms for demodulation. Suggested an algorithm joint demodulation and decoding. For rational use multi-antenna techniques, suggested modification mode of MIMO. Suggested method, solves the problem of estimating cluster structure of built network WІMAX and required frequency resources. Achieved analysis, influence on the energy balance of radio channel on the radio coverage over cellular network.

Keywords: technology WIМAX, noise-immunity, electromagnetic compatibility, electromagnetic environment, grouping of radio electronic equipments, space-time signal processing.

Размещено на Allbest.ru

...