492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»

В.И. Носов

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ

СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ТЕХНОЛОГИИ MIMO

И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ

ОБРАБОТКИ СИГНАЛА

Монография

Новосибирск 2014

621.396.43

Носов В.И. Методы повышения помехоустойчивости систем радиосвязи с использованием технологии MIMO и пространственно-временной обработки сигнала : Монография. –Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2014. –316 с.

Вмонографии излагаются:

обзор современных методов повышения помехоустойчивости приема, включая технологий OFDM, MIMO, пространственно-временного кодирования, используемых в различных стандартах;

ортогональное и квазиортогональное пространственно-временное кодирование с использованием разнесённой передачи;

критерий разноса при вещественном и комплексном ортогональном дизайне блочных кодов;

помехоустойчивость разнесенного приема в каналах с наличием корреляции между параметрами;

адаптивный разнесенный прием сигналов OFDM;

пространственно-временная корреляционная модель радиосистемы

с разносом передачи;

оценка помехоустойчивости радиосистем с разнесенной передачей

и приемом;

экспериментальное исследование на основе компьютерного моделирования.

Для студентов телекоммуникационных вузов и специалистов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией систем радиосвязи.

Кафедра систем радиосвязи

Ил. 124, табл. 33, список лит. 79 наимен.

Рецензенты: профессор В.П. Разинкин, профессор Ю.А. Пальчун

Утверждено редакционно-издательским советом ГОУ ВПО «СибГУТИ»

вкачестве монографии.

©ФГОБУ ВПО «Сибирский Государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………… 8

1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИЕМА………..…………………………... 10

1.1Технология MIMO………………….………………………………… 10

1.1.1Техника STP…………………..………………………………. 10

1.1.2Описание технологии MIMO………..……………………….. 13

1.1.2.1Способы повышения производительности обмена данными по радиолиниям………………….………………... 14

1.1.2.2«Множественные антенны», фазированные

1.2Техника OFDM и PBCC……………….……………………………... 24

1.2.1Модели пространственного взаимодействия……………….. 24

1.2.2Описание алгоритма………………………………………….. 26

1.2.3Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам…………………..…………………………………………. 26

1.2.4Технология OFDM в стандартах IEEE 802.11а

и HIPERLAN/2………………………………………………………. 28

1.2.5Стандарт HIPERLAN/2………………………………………... 40

1.2.6Стандарт IEEE 802.11а………………………………………… 45

1.2.7Стандарт WiMAX IEEE 802.16e……………………................ 46

1.2.8Стандарт IEEE 802.11g и PBCC……..………………………... 56

1.3Обзор публикаций по технологиям MIMO и STP…….……………. 65

3

2ОРТОГОНАЛЬНОСТЬ, НОРМИРОВАННЫЕ УРОВНИ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ МОДУЛИРОВАННЫХ

СИГНАЛОВ………..………….................................................................................... 84

2.1Расстояние между поднесущими частотами для ортогональной передачи OFDM сигналов..……………………...……………………….. 84

2.2Вероятность ошибки и уровни сигналов при многопозиционной модуляции……………………………………………………………….... 93

2.3 Вероятность ошибки при М-ФМ………..…………………………… 102

2.4 Вероятность ошибки при М-КАМ….……………………………….. 106

3 ФОРМИРОВАНИЕ OFDM СИГНАЛА…….……………………………. 119

3.1 Скремблирование цифрового потока…..…………………………… 119

3.2Кодер канала……………………………..…………………………… 121

3.3Перемежение цифрового сигнала…..……………………………….. 125

3.4Многопозиционная модуляция…..………………………………….. 129

3.4.1Формирование ортогональных поднесущих частот…..…….. 135

3.5Преобразование Фурье……..………………………………………… 143

3.5.1Дискретизация сигнала во времени, спектр дискретного сигнала………..……………………………………………………… 143

3.5.2Повторение сигнала во времени.

Дискретное преобразование Фурье……….……………………….. 146

4

3.8Формирование OFDM радиосигнала в I Q модуляторе……..……. 179

3.9Передатчик……………………………………………..……………... 185 4 ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ БЛОЧНЫЕ КОДЫ…….……….. 189

4.1Ортогональное пространственно-временное кодирование….…….. 189

4.1.1Классическая схема суммирования дифференциально-

взвешенных сигналов……………………..………………………… 192

4.1.2Схема разнесенной передачи……….………………………… 194

4.1.3 Оценка вероятности ошибки………….……………………… 200

4.1.4 Особенности применения схемы с разнесенной передачей на практике……………………………………..……………………. 201

4.2 Пространственно-временные блочные коды…….…………………. 205

4.2.1 Ортогональные пространственно-временные блочные коды……………………………………………..…………………… 207

4.2.2Критерий разноса……………………………………………... 208

4.2.3Вещественный ортогональный дизайн блочных кодов….…. 209

4.2.4Комплексный ортогональный дизайн блочных кодов…….... 210

4.3 Коды STBC высокого порядка………………………………….…… 210

4.4Квазиортогональные пространственно-временные блочные коды.. 213

4.5Помехоустойчивость разнесенного приема в каналах с наличием корреляции между параметрами………………………..……………….. 216

5

5.1.3 Коэффициент корреляции сигналов в двух соседних антеннах……………………………………………..………………. 222

5.2 Корреляция квазиортогонального пространственно-временного кода…………………………………………….………………...………... 228

5.2.1 Корреляция сигналов в схеме Аламоути…….……………… 229

5.2.2Коэффициент корреляции сигналов для четырехантенной системы……………………………………..………………………... 230

5.2.3Коэффициент корреляции сигналов для восьмиантенной системы………………………………………………………….…… 231

5.2.4Методика расчета обобщенной корреляционной модели

для N-антенных систем…………………..………………………….. 232

6.2Расчет вероятности ошибки для частных случаев………….………. 248

6.2.12-х антенная система…………………………………….……. 248

6.2.24-х антенная система…………………………………….……. 250

6.2.38-ми антенная система……………………..………………….. 253

6.3Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум

для систем с 2-я, 4-я и 8-ю передающими антеннами в условиях пространственной и кодовой корреляции………………….……………. 254

6.4Зависимость вероятности ошибки от SNR для систем SISO, MISO, SIMO…………………………………………………………………..…… 255

6.5Применение шумоподобных сигналов с нулевой зоной

корреляции в мобильных системах MIMO. Синтез алгоритмов……… 257

6

6.6 Применение шумоподобных сигналов с нулевой зоной

корреляции в мобильных системах MIMO. Анализ алгоритмов……… 267

6.7 Анализ помехоустойчивости разнесенного приема сигналов

OFDM…………………………………………………..…………….……. 277

6.7.1Разработка алгоритма приема……………………….……….. 277

6.7.2Помехоустойчивость приема………………….……………... 281

7.2.3 Модель канала связи с 8-ю передающими антеннами

ииспользованием квазиортогонального метода кодирования...... 399

7.3Особенности моделирования радиосистем, использующих

множественные антенны на передаче…………………………………… 301

7.4 Результаты исследования…………………………….………………. 302

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………..……………... 307

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………..……….. 310

7

ВВЕДЕНИЕ

Современное поколение беспроводных систем связи обеспечивает передачу различных видов информации на высоких скоростях, сохраняя при этом высокое качество. Повышение качества работы или уменьшение вероятности ошибок в системе радиосвязи при многолучевом распространении сигнала является наиболее сложной задачей. Требования, предъявляемые к современным системам беспроводной связи в области энергетической и частотной эффективности, налагают существенные ограничения на увеличение мощности передатчика и расширение занимаемой полосы частот с целью увеличения помехоустойчивости системы связи. В связи с этим, актуальность данной работы основана на исследовании современных технологий и методов повышения помехоустойчивости с помощью специальных техник кодирования сигнала, частотного разделения, и простран- ственно-временной обработки с использование нескольких передающих и приемных антенн.

В системах WiMAX, Wi-Fi, LTE и др. повышение скорости передачи достигается не только увеличением позиционности модуляции передаваемых сигналов, но и применением частотного уплотнения на основе технологии OFDM. Однако увеличение скорости передачи ограничено временем запаздывания лучей в многолучевых каналах. В таких системах ортогональная расстановка поднесущих частот в технологии OFDM требует когерентной обработки принимаемых сигналов для полного их разделения. Анализу помехоустойчивости адаптивного разнесённого приёма сигналов OFDM посвящены работы российских авторов: Вишневский В.М., Фалько А.И., Андронов И.С., Финк Л.М. и др.

В многолучевых каналах разнос антенн это практичная, эффективная, а следовательно, широко распространенная техника для уменьшения влияния замираний из-за многолучёвости. Классический подход – это использование нескольких антенн на приеме, по схеме «комбинирование» или «выбор и переключение» для улучшения качества принимаемого сигнала. Важнейшая проблема с использованием нескольких приемных антенн – это стоимость, размер и мощность удаленных устройств, поскольку их использование делает удаленные устройства больше и дороже. Ценный вклад в исследование техники разнесенного приема внесли такие ученые, как: Андронов И.С., Финк Л.М., Т. Раппопорт (T. Rappoport), Дж. Фошини (J. Foschini), чьи работы легли в основу теоретических исследований.

Наиболее актуальной на сегодняшний день является техника разноса передачи, которая сочетает в себе преимущества пространственного разнесения, временного кодирования и простоты обработки сигнала. Данная техника использует специальные пространственно-временные коды (STBC – Space Time Block Coding) для независимой обработки переотраженных декоррелированных сигна-

8

лов. В современной радиотехнике системы с множественными передающими и приемными антеннами MIMO – Multiple Input Multiple Output являются попу-

лярными и входят в современные отраслевые стандарты, такие как IEEE 802.16e (WiMAX), 802.11n (Wi-Fi) и др. Аспекты применения техники разноса передачи подробно исследованы в работах современных зарубежных ученых, таких как:

С.М. Аламоути (S.M. Alamouti), В. Тарох (V.Tarokh), Г. Джафархани (H. Jafarkhani), А.Р. Калдербанк (A.R.Calderbank), а также российских ученых:

Слюсар В., Шлома А.М., Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Фалько А.И, Носов В.И. Материалы публикаций и результаты исследований вышеуказанных авторов развиты в данной работе.

Проведенный анализ научных исследований, посвященных многолучевым средам, выявленные тенденции и подходы к решению задач современной радиосвязи, позволяют считать актуальным дальнейшее исследование техники разнесенной передачи. В частности, наиболее перспективными являются направления исследования, где публикации и исследования других ученых, в т.ч. и зарубежных, почти отсутствуют, а именно:

Помехоустойчивость систем с разнесенной передачей, использующих квазиортогональное пространственно-временное кодирование (QO-STBC) – для случаев с множеством передающих антенн (более 2-х).

Помехоустойчивость разнесенного приема OFDM сигнала по адаптивным алгоритмам c использованием пилотных сигналов, с учетом конечной скорости изменения параметров канала.

9

1.ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИЕМА

1.1 Технология MIMO

1.1.1 Техника STP

В последнее время в прессе все чаще встречается аббревиатура MIMO (Multiple Input Multiple Output). Использование этой технологии в беспроводных сетях обещает решить такие кардинальные проблемы, как постоянно увеличивающаяся интерференция, ограниченная полоса пропускания и недостаточный радиус действия. К ней присматривается рабочая группа IEEE 802.11n, изучающая предложения для WLAN следующей генерации со скоростью передачи, превышающей 100 Mбит/с. Ее активно поддерживает корпорация Intel, о чем свидетельствовало выступление старшего вице-президента Пата Гелсингера на IDF Fall 2003.

Беспроводные технологии находят все большее распространение в сфере вычислительных сетей и коммуникаций. Это обусловлено как координационными усилиями органов стандартизации, так и новыми разработками в данной области. Последние имеют место в целом ряде направлений: улучшаются антенные системы, схемы модуляции, радиотехнические компоненты, механизмы управления доступом к среде, безопасность. Сегодня стандартные радиоинтерфейсы обеспечивают пропускную способность до 54 Mбит/с, а разработчики беспроводного оборудования уже предпринимают попытки довести этот показатель до значения, превышающего 400 Mбит/с.

Вобласти WLAN-технологий существует ряд проблем, не встречающихся

впроводных сетях. Так, большинство беспроводных систем использует всенаправленную антенну, обеспечивающую хороший охват пространства, но не концентрирует электромагнитную энергию передатчика на целевого пользователя. Это также означает, что энергия сигнала отражается и рассеивается окружающими объектами, и его компоненты достигают приемника с разницей во времени, превышающей допустимую. Так как WLAN используют нелицензируемую полосу частот, в ней могут работать и другие устройства, что приводит к помехам. Таким образом, проблема заключается в том, чтобы создать высокопроизводительный и надежный канал передачи данных, который смог бы функционировать при требуемых ограничениях на мощность излучения, значительном затухании сигнала, вызванном многолучевым отражением, и помехах, создаваемых другими источниками радиоизлучения.

10