На правах рукописи

Бочечка Григорий Сергеевич

ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ МНОГОЛУЧЕВОГО

КАНАЛА В ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМАХ РАДИОДОСТУПА

Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2011

Работа выполнена на кафедре «Радиотехнические системы» Федерального Государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (ФГОБУ ВПО МТУСИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шинаков Юрий Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Смирнов Николай Исаакович кандидат технических наук, доцент Власов Василий Алексеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт радио (ФГУП НИИР)

Защита диссертации состоится «9» февраля 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.219.001.03 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики по адресу: 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, 8а, ауд. А-455.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан «_» г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д.219.001. к.т.н., доц. Ерохин С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Все большую популярность среди специалистов и потребителей услуг связи завоевывают технологии радиодоступа. Долгое время они находились в тени сотовой связи и воспринимались как второстепенные и вспомогательные, с помощью которых замещались традиционные проводные технологии. Однако в настоящее время технологии стремительно выходят на первый план благодаря новым способам формирования и обработки сигналов, новым сценариям предоставления услуг связи, снижению стоимости оборудования и упрощению его применения. Еще более серьезным аргументом «за» радиодоступ является постоянное увеличение пропускной способности, доступной абоненту. За период (1989-2011 гг.) увеличение составило сотни раз (с 1 до 300 Мбит/с) и неудержимо продолжается благодаря непрерывному внедрению новейших научных и технологических решений.

Удобство и высокое качество услуг связи, предоставляемых оборудованием радиодоступа, позволяют ему успешно конкурировать с проводными средствами связи. Дополнительным фактором, способствующим быстрому внедрению систем радиодоступа, является широкая полоса частот, доступная для применения в мире в целом, и в России, в частности. Существенно более высокий уровень спектральной эффективности, достигающий сегодня значений 6 бит/с/Гц, и ее постоянное увеличение обеспечивают дальнейший рост преимуществ оборудования радиодоступа по отношению к технологиям сотовой связи (спектральная эффективность которых менее 1 бит/с/Гц).

Одним из перспективных направлений в области создания цифровых систем радиодоступа, является использование технологии ортогонального частотного разделения с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM). Системы использующие данную технологию имеют высокую устойчивость по отношению к частотноселективным замираниям и узкополосным помехам. В системах с одним несущим колебанием, замирание на данной частоте или узкополосная помеха, попадающая на эту частоту, могут полностью прервать передачу данных. В многочастотных системах в аналогичных условиях оказываются подавленными лишь незначительная часть поднесущих колебаний.

Помехоустойчивое кодирование может обеспечить восстановление данных, потерянных на подавленных поднесущих.

При OFDM высокоскоростной поток данных разбивается на большое число низкоскоростных потоков, каждый из которых передается в своем частотном канале (на своей поднесущей частоте), т.е. в частотных каналах длительность канальных символов может быть выбрана достаточно большой, значительно превышающей время расширения задержки сигнала в канале.

Следовательно, межсимвольная интерференция (МСИ) в каждом частотном канале поражает лишь незначительную часть канального символа, которую можно исключить из последующей обработки в приемнике за счет введения временного защитного интервала (ЗИ) между соседними канальными символами при контролируемом снижении скорости передачи.

Высокая спектральная эффективность обеспечивается достаточно близким расположением частот соседних поднесущих колебаний, которые генерируются совместно так, чтобы сигналы всех поднесущих были ортогональны. Это достигается благодаря использованию дискретного преобразования Фурье (ДПФ), которое может быть эффективно выполнено с применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ). Следует отметить, что такое преобразование используется также и в приемнике данной системы передачи при демодуляции принимаемого сигнала. Благодаря этому абонентское оборудование оказывается сравнительно простым, поскольку исключается необходимость использования наборов генераторов гармонических поднесущих колебаний и когерентных демодуляторов, которые необходимы при обычном частотном разделении каналов.

Технология OFDM используется в беспроводных локальных и городских сетях передачи данных, в системах цифрового наземного телевидения.

С другой стороны, данной технологии присущи и некоторые недостатки - высокая чувствительность к смещению частоты и флюктуациям фазы принимаемого сигнала относительно опорного гармонического колебания приемника. Недостатки технологии составляют задачу для современных исследований. В частности существует актуальная научно-техническая проблема повышения эффективности использования технологии OFDM в системах радиодоступа путем оптимизации алгоритмов идентификации многолучевых каналов связи.

По данной задаче имеется большое количество как зарубежных, так и российских работ. В основе практически всех работ, посвященных оценке и компенсации коэффициента передачи многолучевого канала, лежит использование пилот-сигналов, по которым выполняется оценивание. Поиск наилучшего способа добавления пилот-сигналов для различных систем радиодоступа с различными моделями радиоканалов является актуальной задачей.

Оценке момента начала OFDM блока и оценке частотного сдвига OFDM сигнала также посвящено много работ, в которых рассмотрены различные обучающие сигналы и различные алгоритмы оценивания. Построение специализированных преамбул, обеспечивающих более высокую точность оценок момента начала OFDM блока и частотного сдвига OFDM блока, является задачей, требующей дополнительных исследований.

Практически все алгоритмы оценки общего фазового сдвига (ОФС), вызванного фазовым шумом системы передачи, основаны на теории фильтрации Калмана и имеют высокую вычислительную сложность. Важной технической задачей является понижение вычислительной сложности алгоритма при сохранении практически той же точности оценки.

Для исследований будем использовать систему стандарта IEEE 802.11а, так как она с одной стороны удобна для анализа, а с другой стороны имеет структуру OFDM блоков аналогичную современным стандартам беспроводных локальных сетей, таких как IEEE 802.11g и IEEE 802.11n.

Обучающие последовательности преамбул у этих стандартов одинаковы, и размещение пилотсигналов схоже. Результаты, полученные для системы стандарта IEEE 802.11а, могут быть использованы для беспроводных локальных сетей других стандартов.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования систем радиодоступа с технологией OFDM на основе использования более совершенных алгоритмов идентификации многолучевого канала. Критерием эффективности функционирования системы радиодоступа в данной работе будем считать требуемое отношение сигнал/шум канала связи для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки системы 10.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) анализ существующих алгоритмов оценивания параметров многолучевого канала в системах радиодоступа с технологией OFDM и свойств используемых пилот-сигналов, и обучающих последовательностей;

2) поиск новых обучающих последовательностей и пилот сигналов с более подходящими свойствами для рассматриваемых систем;

3) модификация алгоритмов оценивания параметров многолучевого канала при новых обучающих последовательностях и пилот-сигналах;

4) оценка эффективности применения новых обучающих последовательностей и пилот-сигналов в системах радиодоступа с технологией OFDM;

5) обоснование практических рекомендации по применению модифицированных алгоритмов;

6) разработка имитационной модели систем радиодоступа с технологией OFDM для экспериментальной оценки эффективности модифицированных алгоритмов.

Для решения поставленных задач исследования использовались положения теории случайных процессов, теории вероятностей и математической статистики, теории электрической связи и статистической радиотехники.

Научная новизна работы.

1) Предложена новая структура преамбулы OFDM блока, использующая многофазные последовательности Фрэнка и Задова-Чу.

2) Результаты исследования эффективности алгоритмов оценки частотного сдвига и момента начала OFDM блока, подтверждающие преимущество новой структуры преамбулы.

3) Результаты сравнения алгоритмов оценки коэффициента передачи канала, использующих блочные и распределенные пилот-сигналы, по различным показателям: качество оценки коэффициента передачи канала, необходимое количество пилот-символов, вычислительная сложность алгоритма оценки. Сформулированы рекомендации по размещению пилот-сигналов на плоскости частота-время.

4) Предложен алгоритм оценки общего фазового сдвига OFDM символа, имеющий меньшую вычислительную сложность по сравнению с используемыми алгоритмами, и обеспечивающий практически ту же точность оценивания.

5) Разработана имитационная модель системы радиодоступа с технологией OFDM, позволяющая экспериментально исследовать эффективность и практическую полезность предложенных технических решений.

Практическая значимость работы. Полученные в работе научные результаты позволяют предложить технические решения для систем радиодоступа с технологией OFDM, обеспечивающие повышение качества передачи информации и меньшую вычислительную сложность таких систем. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для систем радиодоступа как локальных, так и городских беспроводных вычислительных систем.

Внедрение результатов работы осуществлено:

в учебный процесс на кафедре радиотехнических систем МТУСИ, в виде лабораторной работы «Исследование способа формирования и обработки сигнала с ортогональным частотным разделением каналов и мультиплексированием с использованием программного пакета SIMULINK»;

в специальном программном обеспечении автоматизированного программно-аппаратного комплекса оценки электромагнитной обстановки и определения условий электромагнитной совместимости РЭС различного назначения в ЗАО «Национальное радиотехническое бюро».

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Вторая отраслевая научная конференция "Технологии информационного общества", МТУСИ, 2008;

Третья отраслевая научная конференция-форум "Технологии информационного общества", посвященная 150-летию со дня рождения А.С. Попова, МТУСИ, 2009;

Всероссийский научно-технический семинар «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», Воронеж, 2009;

Четвертая отраслевая научная конференция-форум "Технологии информационного общества", МТУСИ, 2010.

Публикации результатов. Основные результаты исследования опубликованы в печатных работах, в том числе 3 в журнале из списка высшей аттестационной комиссии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Работа изложена на 132 страницах, содержит 66 рисунков и таблиц, список использованных источников из 72 наименований.

Положения, выносимые на защиту:

1) Использование новой структуры преамбулы OFDM блока может обеспечить повышение точности оценок момента начала OFDM блока и частотного сдвига принимаемого OFDM сигнала.

2) Новые обучающие последовательности преамбулы OFDM блока могут быть составлены из идеальных многофазных последовательностей Фрэнка и Задова-Чу.

3) Уменьшение количества пилот-сигналов и повышение точности оценок коэффициента передачи канала возможны благодаря рациональному размещению пилот-сигналов внутри OFDM блока.

4) Снижение вычислительной сложности алгоритма оценки общего фазового сдвига принимаемых КАМ символов, вызванного фазовым шумом системы, при сохранении практически той же точности, возможно путем усреднения фазовых сдвигов пилот-сигналов без рекурсивной фильтрации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная и практическая ценность работы, указаны основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе рассмотрены искажения, которые вносит многолучевой канал в передаваемый сигнал, сформулированы задачи системы синхронизации:

1) временная (тактовая) синхронизация - выделение из принимаемого сигнала моментов начала отдельных OFDM символов;

2) частотная синхронизация оценка и устранение частотного сдвига поднесущих в принятом сигнале;

3) фазовая синхронизация - устранение разности фаз опорного генератора приемника и несущей частоты принимаемого сигнала.

Рассмотрено влияние неточности тактовой и частотной синхронизации, влияние неточности компенсации коэффициента передачи канала и влияние фазового шума опорного генератора приемника на принимаемый сигнал.

Произведено сравнение различных методов оценки момента начала OFDM блока и частотного сдвига. Рассмотрен алгоритм совместного оценивания начала OFDM блока и частотного сдвига, основанный на корреляционных свойствах преамбулы OFDM блока во временной области, который имеет высокую точность временной и частотной оценки. По передаваемым коротким обучающим символам (КОС) преамбулы вычисляется грубая оценка момента начала OFDM блока и грубая оценка частотного сдвига; затем вычисляется точная оценка частотного сдвига и точная оценка момента начала OFDM блока по передаваемым длинным обучающим символам (ДОС) преамбулы. Временные и частотные оценки, полученные в начале каждого OFDM блока, используются для коррекции всех OFDM символов блока.

Рекомендованные стандартом IEEE 802.11a обучающие последовательности задаются в частотной области, а для алгоритма оценивания важны их корреляционные свойства во временной области. Для более эффективного оценивания момента начала OFDM блока и частотного сдвига возможна оптимизация структуры обучающих последовательностей во временной области.

Произведен анализ различных методов оценки комплексного коэффициента передачи канала, при использовании представленных на рисунке 1 пилот-сигналов блочного и распределенного типа. При использовании блочных пилот-сигналов оценка коэффициента передачи канала вычисляется по данным одного OFDM символа и затем используется для коррекции всех OFDM символов блока. При использовании распределенных пилот-сигналов оценка коэффициента передачи канала вычисляется на пилот-поднесущих каждого OFDM символа, и полученные оценки интерполируются на информационные поднесущие этого символа.

В работе отмечается, что существует возможность выбора и использования пилот-сигналов, которые могут обеспечить более эффективную оценку коэффициента передачи канала, которые позволяют уменьшить вычислительную сложность системы синхронизации, и применение которых позволяет повысить скорость передачи данных.

Рассмотрены алгоритмы оценки общего фазового сдвига (ОФС) OFDM символа, вызванного фазовым шумом системы передачи. Обычно используемые алгоритмы основаны на фильтрации Калмана и имеют высокую точность оценки, но требуют вычисления корреляционных матриц шума состояния и шума наблюдения, вычисления весовой матрицы Калмана для каждого OFDM символа, и поэтому требует значительных вычислительных ресурсов. В работе обоснована возможность снижения вычислительной сложности таких алгоритмов оценивания.

Во второй главе дано математическое описание алгоритма совместного оценивания момента начала OFDM блока и частотного сдвига, использующего преамбулу, структура которой представлена на рисунке 2.

ЦП-циклический префикс Для грубой оценки начала OFDM блока будем использовать выражение:

где r () - комплексная огибающая принятого сигнала, N КОС - количество отсчетов в КОС, M=10 – число КОС, TC - длительность OFDM символа с ЦП. Для грубой оценки частотного сдвига Г будем использовать выражение:

где TКОС - длительность КОС.

Для точной оценки частотного сдвига будем использовать выражение:

где TДОС - длительность ДОС, N ДОС - количество отсчетов в ДОС, ( Г 160 32) начало символа на основе грубой оценки частотного сдвига.

Для точной оценки начала OFDM блока будем использовать выражение:

принятого сигнала, скорректированная на основе точной оценки частотного сдвига.

Описанные выше оценки получены на основе метода максимального правдоподобия, из выражений (1) - (4) следует, что для эффективной оценки такта начала OFDM блока и частотного сдвига поднесущих, короткие и длинные обучающие символы преамбулы должны иметь хорошие корреляционные свойства с ярко выраженным максимумом и минимальными боковыми пиками. В данной работе предлагается использовать в качестве обучающих последовательностей - идеальные многофазные последовательности Фрэнка и Задова-Чу.

Для повышения точности оценивания указанных выше алгоритмов важно иметь хорошие последовательностей Фрэнка и Задова-Чу будем рассматривать в качестве отсчетов комплексной огибающей КОС и ДОС. КОС и ДОС в частотной области могут быть получены с помощью прямого ДПФ от представления КОС и ДОС во временной области.

Элементы последовательности Фрэнка длиной N M 2 определяются равенством:

где M - натуральное число, n,k = 0,1,…,M-1.

Элементы последовательности Задова-Чу длиной N определяются выражением:

где N - натуральное число, u – целое число, взаимно простое с N, n=1,2,...,N.

Отношение пиковой к средней мощности (ОПСМ) OFDM сигнала определяется равенством:

математическое ожидание.

ОПСМ OFDM сигнала, передающего КОС стандарта 802.11a, равно 1.62, а ОПСМ OFDM сигнала, передающего КОС, составленный из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу, равны 1.

ОПСМ OFDM сигнала, передающего ДОС стандарта 802.11a, равно 2.1, а ОПСМ OFDM сигнала, передающего ДОС, составленный из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу, равны 1.29.

На рисунке 3 представлены модули нормированных периодических автокорреляционных функций стандартного КОС и КОС, составленного из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу.

Максимальные значения боковых лепестков модуля нормированной периодической автокорреляционной функции у стандартного КОС равны 0.3, а у КОС Фрэнка и Задова-Чу равны нулю.

На рисунке 4 представлены модули нормированных апериодических автокорреляционных функций стандартного ДОС и ДОС, составленного из последовательностей Фрэнка и Задова-Чу.

Максимальные значения боковых лепестков модуля нормированной апериодической автокорреляционной функции у стандартного ДОС равны 0.28, а у ДОС Фрэнка и Задова-Чу не превышает 0.07.

Лучшие корреляционные свойства последовательностей Фрэнка и Задова-Чу могут повысить точность оценивания момента начала OFDM блока и значение частотного сдвига.

Дано математическое описание алгоритмов оценки коэффициента передачи канала с использованием блочных и распределенных пилот сигналов. Проведено сравнение блочных и распределенных пилот-сигналов по различным показателям: качество оценки коэффициента передачи канала, необходимое количество пилот-символов, вычислительная сложность алгоритма оценки.

Будем считать максимальной скоростью движения МА 100 км/ч, что равно 28 м/c, частоту несущего колебания примем равной 5.2 ГГц. Тогда допплеровское расширение равно 871 мкс. При длительности OFDM символа 4 мкс (система IEEE 802.11a), характеристики канала существенно меняются через каждые 218 OFDM символов, т.е. для корректной компенсации коэффициента передачи канала в полосе когерентности его достаточно оценивать один раз на интервал времени, за который передается 200 OFDM символов. Таким образом, для оценивания изменяющегося из-за допплеровского расширения коэффициента передачи канала, вставка пилот-сигналов в каждый OFDM символ не нужна. Достаточно объединить несколько OFDM символов в OFDM блок и оценивать канал один раз для всего OFDM блока.

рассматриваемые модели имеют по восемнадцать лучей; коэффициент передачи такого канала может существенно изменяться в пределах полосы частот системы радиодоступа. На рисунках 5 и 6 показаны мгновенные амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики канала модели А, для примера взята самая простая модель канала. По виду АЧХ и ФЧХ канала можно однозначно сказать, что высокую точность аппроксимации коэффициента передачи канала по нескольким пилот-поднесущим, распределенным по полосе частот, достичь трудно. В таких случаях, для точного оценивания коэффициента передачи многолучевого канала необходима вставка пилот-сигналов во все поднесущие OFDM символов.

Рисунок 5 - Текущая АЧХ канала модели А Рисунок 6 - Текущая ФЧХ канала модели А Проведено сравнение количества пилот-символов необходимых для оценки коэффициента передачи канала одного OFDM блока, состоящего из 100 OFDM символов (система IEEE 802.11a), при использовании блочных и распределенных пилот-сигналов. При использовании блочных пилот-сигналов достаточно передать один OFDM символ, полностью состоящий из пилотных данных, т.е. 64 пилот-символа. При использовании распределенных пилот-сигналов необходимо передать в каждом OFDM символе как минимум 4 пилот-символа (предлагается стандартом IEEE 802.11a); таким образом, общее количество необходимых пилот-символов равно 400. Т.к. при использовании блочных пилот-сигналов необходимо меньшее количество пилот-символов, то средняя скорость передачи данных такой системы будет выше, чем при использовании распределенных пилот-сигналов.

Проведено сравнение вычислительной сложности алгоритмов оценки коэффициента передачи канала, полученных по методу наименьших квадратов (МНК), использующих пилотсигналы блочного и распределенного типа. Вычислительная сложность алгоритма, использующего блочные пилот-сигналы, для одного OFDM блока составляет 64 операции умножения (деление принятых пилот-символов на известные копии переданных пилот-символов). Вычислительная сложность алгоритма, использующего распределенные пилот-сигналы, для одного OFDM блока при использовании линейной интерполяции составляет 6800 операции умножения и операций сложения (деление принятых пилот-символов на известные копии переданных пилотсимволов и интерполяция оценок). С точки зрения вычислительной сложности, алгоритм оценки коэффициента передачи канала, использующий блочные пилот-сигналы значительно проще алгоритма использующего распределенные пилот-сигналы.

Дано математическое описание применяемого алгоритма оценки ОФС, использующего фильтрацию Калмана.

Предложен метод оценки ОФС OFDM символа без использования рекурсивной фильтрации; в соответствии с МНК оценка вычисляется путем усреднения фазовых сдвигов пилот-поднесущих одного OFDM символа где Am, p и Bm, p - комплексные значения передаваемого и принимаемого p-ого пилот-символа, N p - количество пилот-символов, m - номер OFDM символа внутри одного OFDM блока, -аргумент комплексного числа. Алгоритм имеет значительно меньшую вычислительную сложность, по сравнению с алгоритмом использующим рекурсивную фильтрацию, при той же точности оценки.

Вычислительная сложность алгоритма на один OFDM блок, использующего фильтрацию Калмана, составляет 4112 операций умножения и 1102 операций сложения, а вычислительная сложность предложенного алгоритма составляет 100 операций умножения и 700 операций сложения.

Средние квадратические ошибки оценки ОФС алгоритмов отличаются на величину меньшую 0.0001 радиан.

В третьей главе рассмотрены вопросы планирования имитационного статистического эксперимента, проведение которого обусловлено необходимостью экспериментальной проверки эффективности технических решений, предложенных в диссертации.

Обычно при выборе численных значений параметров системы с технологией OFDM приходится находить компромисс между различными, часто противоречивыми требованиями.

Однако всегда можно начинать с определения значений трех главных параметров системы:

ширины полосы частот F, скорости передачи R, и расширения задержки канала передачи.

Дано описание разработанной в системе Simulink и представленной на рисунке экспериментальной модели системы радиодоступа. Основные параметры модели системы радиодоступа представлены в таблице 1. Блок Modulator Bank выполняет функции сверточного кодирования, выкалывания, и сигнального кодирования. Скорость помехоустойчивого и вид сигнального кодирования выбираются в зависимости от текущего значения отношения сигнал/шум, согласно таблице 2. Пороговые значения отношения сигнал/шум, при превышении или снижении которых происходит переход на другую скорость передачи - 10 дБ, 11 дБ, 14 дБ, 18 дБ, 22 дБ, 26 дБ, 28 дБ. При С/Ш больше 28 дБ скорость передачи равна 54 Мбит/с, при С/Ш меньше 10 дБ скорость передачи равна 6 Мбит/с.

Рисунок 7 - Модель системы радиодоступа Блок IFFT выполняет функцию ОБПФ для вычисления значений комплексной огибающей OFDM символов, Блок Append Cyclic Prefix добавляет к сформированному в IFFT OFDM символу циклический префикс, блоки Demodulator Bank, FFT и Remove Cyclic Prefix выполняют функции обратные функциям блоков Modulator Bank, IFFT и Append Cyclic Prefix. Блоки Pilots и Training задают пилот-сигналы и обучающие последовательности, которые добавляются к информационным данным в блоке Assemble OFDM Frames.

Модель радиоканала задается с помощью блоков AWGN и Rayleigh Fading, имитирующих аддитивный белый гауссовский шум и многолучевой релеевский канал. В блоке Rayleigh Fading общая мощность всех лучей приводится к 0 дБ. Отношение сигнал/шум в канале определяется как отношение общей мгновенной мощности всех лучей к мощности шума. Частотный сдвиг задается с помощью блока Phase/Frequency Offset.

Оценку и компенсацию коэффициента передачи канала и частотного сдвига выполняют блоки Block Pilot Equalizer, Comb Pilot Equalizer и Frequency Offset Estimation.

Модель дает возможность исследовать форму сигнала и его спектр в различных точках передатчика и приемника, позволяет исследовать частотные и временные характеристики многолучевого канала, а также оценить вероятность битовой ошибки и среднюю скорость передачи. Для исследования алгоритмов оценки начала OFDM блока и оценки ОФС приемника дополнительно были разработаны программы на языке Matlab.

Описаны блок-схемы алгоритмов грубой и точной оценки момента начала OFDM блока, алгоритмов грубой и точной оценки частотного сдвига, традиционно используемого алгоритма оценки ОФС и предлагаемого алгоритма оценки ОФС. Описаны функциональные схемы блока оценки и компенсации частотного сдвига, блока оценки и компенсации коэффициента передачи канала, использующего пилот-сигналы блочного типа, блока оценки и компенсации коэффициента передачи канала, использующего пилот-сигналы распределенного типа, экспериментальной модели системы радиодоступа.

Экспериментальная система дает возможность количественно исследовать эффективность предложенных в диссертации алгоритмов.

В четвертой главе представлены результаты статистического моделирования алгоритмов оценки момента начала OFDM блока, частотного сдвига, коэффициента передачи канала, общего фазового сдвига, вызванного фазовым шумом приемника.

На рисунке 8 представлены зависимости вероятности битовой ошибки системы от отношения сигнал/шум в однолучевом канале с шумами для различных обучающих последовательностей, используемых в алгоритмах грубой и точной оценки момента начала OFDM блока. В эксперименте смещение сигнала во временной области производится на число отсчетов комплексной огибающей OFDM символа и варьируется в пределах от 1 до 200 отсчетов, что соответствует длительности 2.5 OFDM символов. OFDM блок содержит 100 информационных OFDM символов, используется сигнальное кодирование КАМ-16. Для вычисления вероятности битовой ошибки системы произведено 10 4 независимых испытаний, в каждом из которых выполнялась передача одного OFDM блока. Данные зависимости показывают, что применение последовательностей Фрэнка и Задова-Чу позволяет при заданной вероятности битовой ошибки системы снизить значение отношения сигнал/шум на 0.35 дБ.

Рисунок 8 - Грубая а) и грубая + точная б) оценка момента начала OFDM блока На рисунке 9 представлены зависимости вероятности битовой ошибки системы от отношения сигнал/шум в многолучевом канале с шумами для различных обучающих последовательностей. В эксперименте смещение сигнала во временной области производится на число отсчетов комплексной огибающей OFDM символа и варьируется в пределах от 1 до отсчетов, вводимый частотный сдвиг изменяется от 1 до 100 Гц. Для вычисления вероятности битовой ошибки системы произведено 10 4 независимых испытаний, в каждом из которых выполнялась передача одного OFDM блока. Из графика видно, что новые преамбулы позволяют повысить эффективность работы системы радиодоступа. Наименьшую вероятность битовой ошибки обеспечивает преамбула, составленная из последовательностей Фрэнка. При вероятности битовой ошибки равной 10 5 использование последовательности Задова-Чу дает выигрыш в отношении Сигнал/Шум около 1 дБ, а использование последовательности Фрэнка дает выигрыш в отношении Сигнал/Шум около 1.2 дБ.

Рисунок 9 - Оценка момента начала OFDM блока и частотного сдвига для многолучевого канала Сравнение алгоритмов оценки момента начала OFDM блока и частотного сдвига при использовании стандартных и новых обучающих последовательностей представлено в таблице 3.

Таблица Отношение сигнал/шум при грубой оценке начала ошибки системы 10 5, дБ Отношение сигнал/шум при последовательном применении грубой и точной оценки начала OFDM блока, обеспечивающее вероятность битовой ошибки системы 10 5, дБ Отношение сигнал/шум при оценке начала OFDM блока и частотного сдвига многолучевого канала, обеспечивающее вероятность битовой ошибки системы 10 5, дБ На рисунке 10 представлены зависимости вероятности битовой ошибки системы беспроводного доступа от отношения сигнал/шум в канале при использовании различных способов размещения пилот-сигналов, для оценки коэффициента передачи канала, и использовании различных моделей канала. Максимальное допплеровское смещение и скорость передачи данных, используемые в данном эксперименте, равны 100 Гц и 36Мбит/c соответственно. При моделировании алгоритма оценки коэффициента передачи канала с помощью распределенных пилот-сигналов, в каждый OFDM символов вставляется четыре пилот-символа и используется линейная интерполяция. В эксперименте предполагается идеальная тактовая и частотная синхронизация, а также отсутствие фазового шума. Для вычисления вероятности битовой ошибки системы произведено 10 4 независимых испытаний, в каждом из которых выполнялась передача одного OFDM блока, состоящего из 100 OFDM символов.

Рисунок 10 - Оценка блочными а) и распределенными б) пилот-сигналами Из рисунка 10б следует, что оценка коэффициента передачи канала распределенными пилот-сигналами для моделей канала A, B, C, D, E практически оказывается слишком грубой, вероятность битовой ошибки всегда больше 0.15. Это объясняется тем, что значения коэффициентов передачи канала на различных поднесущих одного OFDM символа существенно разные, так что интерполяция оказывается неэффективной. Использование распределенных пилотсигналов целесообразно только совместно с блочными при больших скоростях перемещения абонентов, более 100 км/ч.

распределенными пилот-сигналами представлено в таблице 4.

На рисунке 11 представлены зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум в канале для различных алгоритмов оценки фазового шума и различного вида сигнального кодирования. В ходе моделирования для каждого значения отношения сигнал/шум передавалось 10 4 OFDM блоков, по 100 OFDM символов каждый, вероятность ошибки считалась на выходе помехоустойчивого декодера. При моделировании дополнительно использовался алгоритм оценки и компенсации коэффициента передачи канала по блочным пилот-сигналам, предполагалась идеальная тактовая и частотная синхронизация.

Таблица коэффициента передачи канала для одного OFDM блока сигнал/шум в канале равном 15 дБ, для различных моделей каналов Из данных графиков видно, что вероятность битовой ошибки системы без фазового шума практически не отличается от вероятности битовой ошибки системы с оцененным фазовым шумом для обоих алгоритмов оценки. Вероятность битовой ошибки алгоритма оценки, основанного на фильтрации Калмана, практически не отличается от вероятности битовой ошибки алгоритма, основанного на усреднении оценок по пилот-сигналам. При использовании сигнального кодирования КАМ-16 система менее чувствительна к фазовому шуму, чем при использовании кодирования КАМ-64.

Сравнение традиционного и упрощенного алгоритмов оценки общего фазового сдвига OFDM символа представлено в таблице 5.

Таблица Отношение сигнал/шум для КАМ- (вероятность битовой ошибки = 10 5 ), дБ Отношение сигнал/шум для КАМ- (вероятность битовой ошибки = 10 5 ), дБ

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1) На основе анализа используемых в современном оборудовании алгоритмов оценки коэффициента передачи канала, оценки момента начала OFDM блока и частотного сдвига, оценки общего фазового сдвига, вызванного фазовым шумом приемника OFDM сигналов, выявлены дополнительные возможности совершенствования данных алгоритмов. Результаты, полученные для системы стандарта IEEE 802.11а, могут быть использованы в новых стандартах беспроводных локальных сетей и в беспроводных городских сетях.

2) Исследованы различные алгоритмы оценки коэффициента передачи канала, основанные на экспериментально подтверждена более высокая эффективность алгоритма, использующего пилот-сигналы блочного типа, по сравнению с алгоритмом оценки, основанном на встраиваемых пилот-сигналах распределенного типа. Использование блочных пилот-сигналов обеспечивает меньшее количество ошибочно принятых данных, и требует меньшее количество пилот-символов.

последовательности, составленные из идеальных многофазных последовательностей Фрэнка и Задова-Чу; благодаря хорошим корреляционным свойствам этих последовательностей новая Последовательность Фрэнка обеспечивает выигрыш в отношение сигнал/шум канала связи для вероятности битовой ошибки системы равной 10 на 1.2 дБ, а последовательность Задова-Чу на 1 дБ. Новая структура преамбулы позволяет также снизить значение пик-фактора преамбулы блока OFDM символов в 1.62 раза.

4) Предложен алгоритм оценки общего фазового сдвига OFDM символа без использования рекурсивной фильтрации, имеющий меньшую вычислительную сложность при практически той же эффективности оценивания. Данный алгоритм требует в 41 раз меньше операций умножения.

5) Разработана имитационная модель системы радиодоступа стандарта IEEE 802.11a, содержащая все основные функциональные блоки реальной системы, позволившая экспериментально оценить эффективность предложенных методов оценки коэффициента передачи канала и частотного сдвига; для исследования эффективности алгоритмов оценки начала OFDM блока и оценки общего фазового сдвига разработано также программное обеспечение для системы Matlab. Данные имитационные модели обеспечили возможность получения количественных оценок эффективности технических решений, предложенных в данной диссертационной работе, что подтвердило их практическую значимость.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Бочечка, Г.С. Методы оценки канала, основанные на встраиваемых пилот-сигналах в системах OFDM / Г.С. Бочечка // T-comm Телекоммуникации и транспорт. - М.: Медиа Паблишер, 2009, №3. - C. 38-42.

2 Бочечка, Г.С. Оценка начала OFDM-блока и частотного сдвига в системе IEEE 802.11a / Г.С.

Бочечка // T-comm Телекоммуникации и транспорт. - М.: Медиа Паблишер, 2009, №5. - C. 34Бочечка, Г.С. Подавление фазового шума системы OFDM с использованием фильтра Калмана / Г.С. Бочечка, Ю.С. Шинаков // T-comm Телекоммуникации и транспорт. - М.: Медиа Паблишер, 2010, № 4. - C. 26-29.

1 Бочечка, Г.С. Широкополосные обучающие последовательности в системах радиодоступа / Г.С. Бочечка. - М.: Труды Московского технического университета связи и информатики: М.: Медиа Паблишер, 2008. - Т1. - C. 318-323.

2 Бочечка, Г.С. Оценка канала в системах OFDM, основанная на встраиваемых пилот-сигналах / Г.С. Бочечка // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: тексты докладов всероссийского научно-технического семинара, под редакцией Шахгильдяна В.В. - М.: Инсвязьиздат, 2009. - С. 17-19.

3 Бочечка, Г.С. Синхронизация в широкополосных системах радиодоступа / Г.С. Бочечка// Спецвыпуск журнала "T-comm Телекоммуникации и транспорт" по итогам 3-й отраслевой научной конференции "Технологии информационного общества" - М.: Телекоммуникации и транспорт, 2009. Часть 1. - C. 113-115.

4 Бочечка, Г.С. Подавление фазового шума системы OFDM с использованием фильтра Калмана / Г.С. Бочечка // Спецвыпуск журнала "T-comm Телекоммуникации и транспорт" по итогам 4й отраслевой научной конференции "Технологии информационного общества" - М.: Медиа Паблишер, 2010, № 9. - C. 94-95.