492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

мощность сигнала на каждой приемной антенне одинакова. Далее, мы предполагаем, что приемник имеет начальные знания о канале.

Хотя сделанные предположения при симуляции могут показаться крайне нереалистичными, они обеспечивают соответствующие кривые для сравнения с помощью известных методов. Важный вопрос – является ли предложенная схема более чувствительной к реальным источникам уменьшения сигнала.

Как показано на рис. 4.4, эффективность новой схемы с двумя передатчиками и одним приемником на 3 дБ хуже, чем двухканальная MRRC. Проигрыш 3 дБ следуют из допущения, что каждая передающая антенна излучает половину энергии для обеспечения равной общей мощности излучения, как при одной антенне в схеме с MRRC, однако, эффективность систем одинаковая.

Другими словами, если BER будет оценен для среднего значения SNR для каждой передающей антенны, то график для новой схемы будет сдвинут влево на 3 дБ и перекроет кривую MRRC. Тем не менее, даже с допущением о равной общей мощности излучения, коэффициент усиления в схеме с одной приемной антенной при BER = 10-4 , будет около 15 дБ. Таким же образом, предполагая равную излучаемую мощность, коэффициент усиления новой схемы с двумя приемными антеннами на уровне BER = 10-4 , будет около 24 дБ, что на 3 дБ хуже, чем схема с MRRC с одной передающей антенной и четырьмя приемными.

Как указано выше, эти кривые помехоустойчивости приведены для наглядной иллюстрации. Важным выводом является, что новая схема обеспечивает такую же помехоустойчивость, как и схема MRRC, безотносительно к применяемому кодированию или модуляции. Множество публикаций приводят графики помехоустойчивости для различных схем кодирования и модуляции при использовании MRRC. Результаты из этих публикаций могут быть использованы для предсказания помехоустойчивости новой схемы с использованием кодирования и различных методов модуляции.

4.1.4 Особенности применения схемы с разнесенной передачей на практике

Выше было показано математически, что новая схема разнесенной передачи

сдвумя передающими и М приемными антеннами эквивалентна схеме MRRC

содной передающей и 2М приемными антеннами.

201

Рис. 4.4. Сравнение BER для когерентной BPSK с MRRC и двухканальной схемой разноса передачи при замираниях Релея

Однако с точки зрения практики, эти две системы разные. В этом параграфе рассматриваются некоторые аспекты отличия этих двух схем.

А. Требования к мощности

Новая схема требует одновременной передачи двух разных символов через две антенны. Если мощность излучения ограничена, то для того, чтобы иметь такую же общую мощность передачи через две антенны, энергия на каждый символ должна быть в два раза меньше. Это приводит к потерям 3 дБ в помехоустойчивости. Однако уменьшение на 3 дБ мощности в каждом передатчике приводит к удешевлению или уменьшению линейных усилителей. Снижение на 3 дБ в усилителях очень важный показатель, может быть востребовано в некоторых случаях. Очень часто дешевле (или предпочтительнее в плане межсимвольных искажений) применять два усилителя половинной мощности, чем один мощный усилитель. Более того, если ограничения связаны только с контролем мощности радиоизлучения (размеры усилителя, линейность и т.д.), то общая излучаемая мощность может быть увеличена в два раза без потери помехоустойчивости.

202

Б. Чувствительность к ошибкам оценки канала

Вданном разделе предполагается, что приемник имеет идеальное знание

оканале. Канальная информация может быть получена путем передачи пилотсигнала. Известные символы передаются периодически, а приемник извлекает и интерполирует их для получения оценки канала для каждого передаваемого полезного символа.

Существует несколько факторов, которые могут ухудшать эффективность оценки канала по пилот-сигналу, такие как ошибки в интерполяции коэффициентов и ошибки квантования. Однако важнейший источник ошибок оценки – это временные искажения в канале. Ошибка оценки канала минимизируется, когда частота пилот-сигнала больше или равна шагу дискретизации канала Найквиста, который в два раза больше максимальной Доплеровской частоты. Следовательно, поскольку канал дискретизирован на достаточном уровне, возникает небольшое ухудшение вследствие ошибки оценки канала. Для суммирующих схем разнесенного приема с М антеннами (MRRC), в заданный промежуток времени, известны М независимых дискретных уровней для М каналов. В случае с М передатчиков и одним приемником, однако, оценки М каналов должны быть получены из принимаемого сигнала. Таким образом, задача оценки канала различна для этих случаев. Для оценки канала от одной передающей антенны к приемной антенне, пилотсигнал должен быть передан только через соответствующую передающую антенну. Для оценки всех каналов, пилот-сигналы должны различаться по разным антеннам (ортогональные пилот-сигналы должны передаваться через антенны). В обоих случаях пилот-сигнал нужно передать М-раз. Это означает, что в двухканальной схеме с разнесенной передачей нужно передавать в два раза больше пилот-сигналов, чем в двухканальной схеме MRRC.

В. Эффект задержки

При N-канальном разносе передачи, если преобразованные копии сигналов передаются в N различных интервалах через все антенны, задержка декодирования составляет N символов. Для двухканальной разнесенной передачи, задержка составляет два символьных периода. Для систем с многими несущими, копии передаются одновременно на разных частотах, тогда задержка декодирования составляет один период символа.

Г. Конфигурации антенны

Для практических целей первоначальное требование для улучшения разноса заключается в том, чтобы передаваемые сигналы с разных антенн были достаточно декоррелированны (корреляция менее 0,7) и они должны иметь одинаковую среднюю мощность (менее 3 дБ разницы). Т.к. радио среда двухсторонняя, то требования к передающей антенне те же, что и для приемной. Например, было достаточно много измерений и экспериментальных результатов показывающих,

203

что если две приемные антенны обеспечивают разнос на базовой станции, то они должны быть удалены на десять длин волн друг от друга для обеспечения достаточной декорреляции. Таким же образом, измерения показывают, что для того, чтобы получить такое же улучшение разноса на удаленном устройстве, достаточно отделить антенны на три длины волны. Это происходит вследствие различной природы рассеивания вблизи базовой станции и удаленного устройства. Удаленные устройства обычно окружены близкими рассеивателями, в то время как базовые станции обычно помещаются на большой высоте, без каких-либо рассеивателей поблизости.

Теперь предположим, что две передающие антенны, используемые на базовой станции, должны обеспечить разнос для удаленного устройства на другом конце канала. Вопрос, как далеко должны находиться передающие антенны, для обеспечения должного разноса на удаленном приемнике. Ответ, что требования для разноса приема с одной стороны идентичны для разноса передачи с другой стороны. Это происходит из-за того, что среды распространения между передатчиком и приемником идентичны в обоих направлениях. Другими словами, для обеспечения достаточной декорреляции между передаваемыми сигналами через две антенны на базовой станции, мы должны обеспечить разнесение в десять длин волн. Эквивалентно этому, передающие антенны у удаленного устройства должны быть разнесены на три длины волны.

Это свойство позволяет использовать существующие приемные антенны на базовых станциях для разнесенной передачи. К тому же, там где возможно, две антенны могут быть использованы для передачи и приема на базовой станции и удаленном устройстве, тем самым обеспечивая порядок разноса «четыре» для обоих направлений.

Д. «Мягкий» отказ

Одно из преимуществ суммирующей схемы разнесенного приема (MRRC) это дополнительная надежность вследствие множества приемных цепей. В случае, если одна из приемных цепей выйдет из строя, а другие останутся в работе, то потеря эффективности будет соответствовать коэффициенту усиления при разнесенном приеме. Другими словами, сигнал может все еще быть детектирован, но с худшим качеством. Это в общем случае называется «мягким» отказом. Новейшие схемы разнесенной передачи подвержены такому же отказу. Для демонстрации этого случая, предположим, что цепь передачи для Антенны 1 на рис. 4.2 выключена, т.е. h1 = 0. Следовательно, принимаемый сигнал может быть описан,

как (4.11)

204

r0 h0s0 n0,

(4.21)

r1 h0s1 n1.

Сумматор, показанный на рис. 4.2, создаст следующие два суммированных сигнала, согласно (4.12)

s0 h0r0 h0 h0s0 n0 a02s0 h0*n0,

(4.22)

s1 h0r1* h0 h0*s1 n1* a02 h0n1*.

Эти суммированные сигналы точно такие же, как если бы не было разноса. Следовательно, коэффициент усиления потерян, но сигнал все еще может быть детектирован. Для схемы с двумя передающими и двумя приемными антеннами, обе (передающая и приемная) цепи защищены такой избыточной схемой.

Е. Влияние интерференции

Новая схема требует одновременной передачи сигнала через две антенны. Хотя половина мощности передается через каждую антенну, может показаться, что влияние интерференции удваивается, т.е. мы имеем двойное количество помех, каждая с половинной мощностью. Часто предполагается, что при присутствии множества интерференционных помех, общая интерференция распределена по закону Гаусса. В зависимости от применения, если это допущение верно, результаты интерференции при использовании новой схемы имеют одинаковое распределение и мощность интерференции в рамках данной системы. Для компенсации интерференции может быть применена специальная схема (техника векторной обработки), однако, она влияет на конструкцию системы. Это влияние может быть как позитивным, так и негативным. Использование схем с разнесенным приемом (для борьбы с замираниями) в связке с техникой векторной обработки для борьбы с интерференцией исследуются для пространственно-временных треллис-кодов. Подобные исследования проводятся для того, чтобы распространить эти технологии для новой схемы разнесенной передачи.

4.2Пространственно-временные блочные коды

Большое затухание сигнала в многоканальных беспроводных средах создает значительные сложности приемнику для определения переданного сигнала в случае отсутствия разнесения, т.е. в случае, если приемник не получает дополнительную копию сигнала.

205

Внекоторых случаях, единственный практический способ достижения разнесения – это применение множественных антенн на стороне передачи и/или на стороне приема. Однако абонентские устройства, как правило, имеют небольшой размер, поэтому практически довольно сложно использовать в них множественные антенны. Этот факт является стимулом для развития систем с разносом передающих антенн.

Всовременной научной литературе [3, 4, 5, 9, 37, 38, 39] именно разнос передачи исследуется как метод борьбы с влиянием замираний. С практической точки зрения, это обусловлено относительной простотой реализации и доступностью множества антенн на базовой станции. Более того, с экономической точки зрения, затраты на строительство множественных передающих антенн на базовой станции распределяются равномерно между множеством пользователей.

Для эффективного использования множества передающих антенн применяются пространственно-временные блочные коды (STBC – Space-Time Block Code). Одной из таких реализаций является код Треллиса.

Пространственно-временной код Треллиса [40] совмещает обработку сигнала на приемнике с техникой кодирования для множественных передающих антенн. Специальные Треллис-коды, разработаные для 2 4 передающих антенн, показывают хорошие характеристики в каналах с медленным замиранием (типичными для сред внутри помещений). Их характеристики близки к теоретическому максимуму эффективности кодирования, рассчитанному Телатаром (E. Telatar), а также Фошини (G.J. Foschini) и Гансом (M.J. Gans) [41]. Однако основной недостаток данного метода кодирования состоит в том, что когда число передающих антенн фиксировано, сложность декодирования Треллис-кода (измеряемая числом треллис состояний декодера) возрастает экспоненциально при возрастании скорости передачи.

Для решения проблемы сложности декодирования Аламоути [3] открыл простую схему передачи с использованием двух передающих антенн. Схема более простая, чем код Треллиса, однако, она проигрывает ему по производительности. Несмотря на недостатки производительности, схема Аламоути является более привлекательной для создания подобных систем для большего количества антенн.

Развитие пространственно-временных кодов основано на теории ортогонального дизайна (ТОД). ТОД – современная область математики, которая изучалась несколькими выдающимися теоретиками, включая Д. Радона и А. Гурвица (J.K. Radon and A. Hurwitz). Хорошим примером исследований в этой области является энциклопедическая работа А.В. Герамита и Д.Р. Себерри (A.V. Geramita and J.R. Serberry) [31]. Классическая теория в этой области выдвинута Радоном, который определил набор измерений для каждого ортогонального дизайна.

206

В литературе STBC обычно рассматривается как ортогональный код. Это означает, что STBC представлен так, что векторы, представляющие собой любую пару колонок из кодовой матрицы – ортогональны. В результате ортогональности, можно использовать простое линейное декодирование на приеме. Наиболее серьезным недостатком ортогональных кодов является то, что все, кроме одного кода (кода Аламоути), имеют неполную скорость кода.

Существуют также семейство квазиортогональных кодов STBC, которые допускают некоторую межсимвольную интерференцию, но могут достигать больших скоростей, и даже меньшего коэффициента ошибок в некоторых случаях.

4.2.2Критерий разноса

Структура кодов STBC основывается на так называемом критерии разноса, предложенным В. Тарохом [32]. Ортогональные коды STBC могут использовать данный критерий для достижения максимального разноса.

Согласно теории ортогонального дизайна [31], критерий максимального разноса описывается следующим образом:

Если кодовое слово обозначить, как

а последовательность искаженных значений обозначить, как

должна быть полного ранга для любой пары кодовых слов c и e для того, чтобы обеспечить максимально возможный порядок разноса Nt Nr. Если вместо

208

этого, B(c,e) имеет минимальный ранг b, тогда код STBC обеспечивает максимальный разнос bNt.

STBC обеспечивает только увеличение порядка разноса (по сравнению с одной антенной), а не увеличение эффективности кодирования. Избыточность данного кода в пространстве и во времени обеспечивает только разнос (различимость) сигналов. Это есть отличие от пространственно-временных кодов Треллиса, которые обеспечивают и разнос, и кодирование [43].

4.2.3Вещественный ортогональный дизайн блочных кодов

Продолжением общей теории ортогонального дизайна является вещественный ортогональный дизайн (ВОД) [32].

ВОД размера n это ортогональная матрица n×n с переменными элементами

±х1, ±х2,…, ±хn. Проблема ортогонального дизайна, известная как проблема Гурви- ца-Радона в литературе по математике [33], была полностью решена Радоном в начале ХХ века. Фактически, Радон определил, что вещественный ортогональный дизайн существует, только для n = 2, 4, 8.

Пример ортогонального дизайна для матрицы 2 2

Для матрицы 4 4

209