автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Алгоритмы оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM сигналов в радиосистемах связи

На правах рукописи

Вершинин Александр Сергеевич

АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ВРЕМЕНИ ПРИХОДА ПРОСТРАНСТВЕННО-КОДИРОВАННЫХ OFDM СИГНАЛОВ В РАДИОСИСТЕМАХ СВЯЗИ

05.12.04- Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

Томск 2013

005543263

005543263

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУ СУР).

Научный руководитель: к.т.н,, Ворошилин Евгений Павлович

Официальные оппоненты:

Мелихов Сергей Всеволодович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой средств радиосвязи федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники».

Брем Виктор Густавович, к.т.н., доцент кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет».

Ведущая организация:

ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей», Открытое акционерное общество «Лантан» (ОАО «Лантан»), г. Москва.

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу: г. Томск, пр-т Ленина, 40, ТУСУР, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУР по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ТУСУР, ученому секретарю диссертационного совета Д212.268.01 Филатову A.B.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор

Филатов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационного исследования. Настоящая работа посвящена разработке метода определения времени прихода пространственно-кодированных сигналов радиосистем связи для решения задач радиомониторинга. Известно, что востребованной задачей радиомониторинга является определение местоположения радиоэлектронных средств, в частности, мобильных станций (МС) в радиосистемах связи разностно-далъномерным методом путём измерения разности времени прихода в разнесённых пунктах наблюдения относительно единой шкалы времени системы синхронизации. Ошибка измерения координат МС связана с неточностью оценки времени прихода сигнала и может быть вызвана как влиянием канала распространения радиоволн, так и внутренними шумами приёмной аппаратуры.

В современных системах широкополосного беспроводного доступа (ШБД) высокая скорость передачи данных достигается путём увеличения количества передающих и приёмных антенн. Обычно в системах связи использовалась одна передающая и одна приемная антенна (SISO - Single Input Single Output), что зачастую ограничивало возможности системы. Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает одновременное излучение пространственно-разнесёнными антеннами сигналов, содержащих разные передаваемые сообщения в заданной полосе частот, и приём излученных сигналов таким же количеством антенн.

В последнее время широкое распространение получили сотовые системы ШБД, такие как WÏMAX и LTE, использующие OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) модуляцию и технологию MIMO.

Совместное использование технологии MIMO и модуляции OFDM определяют концепцию пространственного кодирования сигналов, которая описана в работах как отечественных авторов: В.Т. Ермолаев, А.Г. Флаксман, В.И. Слюсар, B.C. Сперанский и др., так и зарубежных: S. Alamouti, I.E.Telatar, G J. Foschini и др.

Пространственное кодирование сигналов и их излучение разнесёнными в пространстве антеннами обуславливает некорректность классического подхода определения времени прихода таких сигналов, поскольку антенны излучают различные сигналы одновременно. В результате применения известных методов определения времени прихода сигнала, описанных, например, в работах М.И. Сколника, В.И. Тихонова, А.П. Трифонова, имеется неопределённость относительно того, время прихода какого из сигналов следует определять, если пространственно-разнесёнными антеннами излучается их совокупность. Учитывая, что антенны излучают различные сигналы, соответствующие передаваемым

сообщениям, одновременно в заданной полосе частот, то при определении времени прихода одного из излучаемых сигналов, другие сигналы являются помехой, снижающей точность определения координат МС.

В настоящей работе предлагаются алгоритмы определения времени прихода совокупности OFDM-сигналов, излучаемых одновременно пространственно-разнесёнными антеннами, для определения координат МС современных систем радиосвязи с технологией MIMO. Время прихода OFDM-сигналов определяется вычислителем по цифровым отсчётам принятых сигналов, записанных в память ЭВМ за длительность двух OFDM-сигналов, относительно момента времени, соответствующего первому цифровому отсчёту принятых сигналов и совпадающего с меткой времени единой шкалы системы синхронизации пунктов наблюдений.

Цель диссертационной работы - разработать алгоритмы определения времени прихода OFDM-сигналов радиосистем связи с технологией MIMO для определения координат мобильных станций.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих задач:

1. Анализ методов обработки OFDM-сигналов и способов оценки передаточной функции канала распространения радиоволн (РРВ) в системах MIMO.

2. Разработка алгоритмов оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов в условиях многолучевого РРВ.

3. Теоретическая и экспериментальная проверка работы алгоритмов оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов и выработка рекомендаций по уменьшению среднеквадратического отклонения (СКО) оценки.

4. Создание экспериментальной базы данных по структуре пространственно-кодированных сигналов в многолучевом канале РРВ.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием имитационного моделирования, применением основ линейной алгебры и корреляционно-экстремальной теории.

Научная новизна работы:

1. Разработаны новые алгоритмы, повышающие точность оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов, прошедших многолучевой канал РРВ.

2. Впервые получены теоретические и экспериментальные результаты по зависимости СКО оценки времени прихода OFDM-сигналов от отношения сигнал/шум (ОСШ) в системах MIMO.

3. Экспериментально получена верхняя граница СКО оценки фазы элементов канальной матрицы, обеспечивающая увеличение

точности оценки времени прихода OFDM-сигналов в системах MIMO.

4. Получены новые экспериментальные результаты по структуре пространственно-кодированных сигналов в многолучевом приземном канале РРВ, создана база экспериментальных данных, которая может быть использована в НИОКР.

Результаты диссертационной работы защищены тремя патентами на полезную модель и одним патентом на изобретение.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты работы внедрены в реальную аппаратуру на предприятии ЗАО «Микран» (г. Томск), о чем свидетельствует акт внедрения. Результаты работы применяются в учебном процессе на кафедре телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУРа.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы были апробированы на международных и всероссийских конференциях:

- Научная сессия ТУСУР-2009, г. Томск, 2009 г.;

- XVI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация навигация связь», г. Воронеж, 2010 г.;

- International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings, Erlagol, Altai, 2011;

- Научная сессия ТУСУР-2011», г. Томск, 2011 г.;

- Научная сессия ТУСУР-2012», г. Томск, 2012 г.;

- Современные проблемы радиоэлектроники, г. Красноярск, 2013 г.

Личный вклад автора. Автором диссертационной работы

выполнена разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать радиосистемы связи с технологией MIMO. Им лично выполнена разработка алгоритмов определения времени прихода, а также их анализ путем моделирования и проведением эксперимента. Автор диссертационной работы участвовал в разработке экспериментального макета системы радиосвязи, а также в составлении программы и методики проведения экспериментов на городских и загородных трассах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Точность оценки времени прихода OFDM-сигналов MIMO, формируемая по одному из них, ограничивается системной помехой, которая растет с увеличением количества излучающих антенн.

2. Предложенный алгоритм обработки OFDM-сигналов радиосистемы связи с технологией MIMO с учётом их пространственно-временного кодирования и оценок передаточной функции канала распространения радиоволн позволяет уменьшить среднеквадратическое отклонение оценки времени прихода для систем MIMO 2x2 не менее чем в два раза по сравнению с одноантегагой системой.

3. Увеличение точности оценки времени прихода OFDM-

сигналов в радиосистемах связи, использующих технологию MIMO, достигается при среднеквадратичном отклонении оценки фазы коэффициентов передачи канала распространения радиоволн не хуже 0.1 радиан.

Публикации. По теме работы опубликовано 19 научных работ, из них б статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 публикаций в материалах конференций, 2 коллективных монографии, 4 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, двух приложений, списка литературы, включающего 105 источников. Основная часть работы изложена на 151 странице машинописного текста. Работа содержит 153 рисунка и 33 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено описание основных тенденций развития современных беспроводных радиосистем связи, рассмотрены применяемые сигналы, методы пространственного кодирования. Приводится аналитический обзор публикаций по тематике диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описана математическая модель OFDM-сигнала и канала распространения радиоволн (РРВ) MIMO. Выражение, описывающее OFDM-сигнал, имеет вид:

А/-! , , , .

S(r) = rect(t) 2 A, expOVJ ex$(j2xmbft), (1.1)

«-0

fl, 0<t<T,

где гес1(1) = \

[и, в остальных случаях:

Ат - амплитуда поднесущей с частотой /„; <рт - начальная фаза поднесущей с частотой /„; М - количество поднесущих в ОРОМ-сигнале;

Г=—- интервал определения ОБОМ-сигнала; Д/- расстояние между

У

поднесущими.

В дискретном виде, во временной области ОРОМ-сигнал записывается как:

= Я = {0,1,2.....Л'-1}, (1.2)

т-0 IV

Т п с учетом 1 = п— = —-,

у N NAf

где п - номер дискретного отсчета времени; 7/- число отсчетов сигнала на интервале времени Т.

В дискретном виде, в частотной области ОРОМ-сигнал записывается как:

Е5(и)ехр(-72,тк-?-), к = {0,1,2,...,ЛГ-1}, (1.3)

где д(к) - спектр ОРБМ-сигнала; к - номер поднесущей.

Подставляя выражение (1.2) в (1.3) получим развернутое представление ОРОМ-сигнала в частотной области:

(1.4)

?(*■) = I Z 4» expt/pjexpí -j2ir{m -к)^-

п-G ni-0 \ 2\

Интервал определения такого сигнала можно условно разделить на три части:

■ц-1

2 |Л„ехри<рт)ехр(у2ктД//), 0 < / < г,

г

2 [^техр(у^,)ехрО'2л'/яА//)'(1 + ехр(->/2ятА/г»]. r<í<7\

«=0 Y-I

X [4„ ехр(у^и) ехрО'2тшAft) • ехр(-jlnmbfx)], Т < t < Т + г,

(1-5)

где первое выражение соответствует сигналу прямой видимости, второе -сумме прямого и переотражённого сигналов, третье - только переотражённому сигналу.

Временная реализация и спектр ОРВМ-сигнала представлены на рисунке 1.

Сигнал OFDM

0 20 40 60 80 Время , мкс

5 10 15

частота, МГц

(а) (б)

Рисунок 1 - Временная реализация (а) и спектр (б) OFDM-сигнала

Известно, что для одноканальных систем основной причиной, снижающей скорость передачи данных, является влияние канала РРВ. Напротив, для систем MIMO характерно увеличение скорости передачи данных по линейному закону с ростом числа независимых каналов приема и передачи в условиях многолучевого распространения при широком угловом спектре принимаемых сигналов.

Обзор моделей канала РРВ для современных систем связи показывает, что для городских трасс в диапазоне частот 2-3 ГГц характерно многолучевое распространение с количеством лучей от 3 до 12. Иллюстрация процесса многолучевого распространения сигналов в

MIMO системах связи приведена на рисунке 2, из которого следует, что сигналы, излученные всеми антеннами передающего пункта, пройдут канал РРВ и будут приняты всеми антеннами приемного пункта. Поскольку все излученные сигналы находятся в одной полосе частот и излучаются одновременно, то необходимо решать задачу определения времени прихода такой совокупности сигналов.

Импульсная характеристика канала РРВ между q-ой передающей антенной и р-ой приемной в таком случае записывается в виде:

V> г>=-

где q - номер приемной антенны; р - номер передающей антенны; i -номер пути распространения радиоволн; у - коэффициент ослабления /-го пути в канале между р и q антеннами; S(i) - дельта-функция; Передаточная функция канала РРВ:

<(/.0 = FK(f-f» = 1 K«,T)exp(-j2xf r)dr.

где F{} - операция преобразования Фурье.

MIMO системах связи

В общем случае сигналы описываются в виде матриц, а каналы РРВ в виде канальной матрицы:

'Ч'У 'V. г) KÁW • ■ h„(t.rf

>R(0 = «2(0 ,Н(Г,Г) = М'.г) t'iA'^ • ■ h^t.T)

A« Л«, ДЛ'.г) b,2(t,r)

Канал связи между р-ой передающей антенной и ¿/-ой приемной представляется трансверсальным фильтром. Сигнал в дискретном виде на выходе фильтра описывается выражением:

У, £<л7>)-1

* р-1 1.0

где и - номер отсчета; ts - период дискретизации; n, - количество передающих антенн; l - количество лучей в канале РРВ, или в матричной форме:

R(«)=£H(r,/)S(ÍI-0 .

1=0

В работе рассмотрена беспроводная система связи, использующая технологию передачи данных MIMO. Использование антенн MIMO обеспечивает преимущества с точки зрения скорости передачи данных и дальности действия для систем связи, но создает трудности для существующих многопозиционных пассивных наземных систем радиомониторинга (МПСР) для оценки времени прихода MIMO-сигналов. Задачей МПСР является определение координат источника радиоизлучения (ПРИ) MIMO. В качестве ИРИ может выступать базовая станция (БС) системы широкополосного беспроводного доступа, либо мобильная станция (МС).

/ 1

пго

Рисунок 3 - Система ШБД и многопозиционная система радиомониторинга

Предположим, что МПСР определяет координаты ИРИ в системе ШБД разностно-дальномерным методом, поэтому для определения координат необходимо найти время прихода сигнала в каждом пункте наблюдения (ПН) МПСР относительно собственной системы синхронизации. В работе предполагается, что ошибка синхронизации бесконечно мала, способ кодирования сигналов известен. Система ШБД и многопозиционная система радиомониторинга приведены на рисунке 3. В

случае системы MIMO с двумя передающими и приемными антеннами, канал РРВ может быть описан как канал MIMO 2x2.

На рисунке 4а показаны излучаемые сигналы в частотно-временной плоскости. Принятые сигналы (рисунок 46) определяются: для первой антенны -

R,(0 = s,(г) О Л,, + (0 ® + и,(г), для второй антенны -

R2 (г) = i, (/) ® /;,, + í2 (г) ® h21 + и2 (О, где hn, h¡2, /?21, /г,, - импульсные характеристики между передающими и приемными антеннами, ® - операция свертки, и,(/),и,(г) - шум.

Излучаемые системой ШБД MIMO-сигналы

представляют собой два OFDM-сигнала (.S'i и 6'2), которые излучаются одновременно и содержат пилотные поднесущие и поднесущие данных. Пилот-поднесущие известны как передатчику, так и приемнику, и необходимы для оценки канала РРВ между всеми передающими и приемными антеннами. В системе ШБД, используя информацию о канале РРВ, сигналы Si и S2 разделяются путем совместной обработки принятых сигналов, что позволяет передавать разные данные на одной частоте. В случае использования только сигнала Si для оценки времени его прихода, второй сигнал S2 является системной помехой в той же полосе частот, что значительно ограничивает точность формируемой оценки времени прихода. С увеличением количества излучающих антенн в системе MIMO, влияние сигналов в заданной полосе будет увеличиваться, т.к. суммарная мощность сигналов-помех будет возрастать по отношению к мощности полезного сигнала.

В работе предложен способ оценки времени прихода MIMO-сигналов по максимуму взаимной корреляционной функции:

К(г) = | R, (г) • s, (f - r)dt = f(i, (0 ® hn + j2 (0 ® h2¡ + и, (I))■ s¡ (г - r)dt.

Рисунок 4 - Частотно-временное представление переданных (о) и принятых (б)сигналов

lo n Из формулы следует, что

сигнал R i состоит из суммы сигналов S¡ и прошедших

каналы с импульсными

характеристиками hu, Л,, соответственно. Поэтому слагаемые sx(t)®hn и s,(t-T) характеризуют пик корреляционной функции, а слагаемые s,(¡) ® /;,, + п,(г)

характеризуют появление

дополнительного шума (системной количества передающих антенн MIMO помехи). В предположении, что

мощность сигнала Si равна мощности сигнала S2, и мощностью

шума можно пренебречь:

P„«Psí = Psi>

отношение мощности полезного сигнала к мощности системной помехи:

Р Р

=-й±*0 дБ.

Ъ+Р* Рл

Если передающих сигналов будет больше, тогда отношение мощности полезного сигнала к мощности системной помехи будет снижаться. На рисунке 5 показана зависимость ОСШ на входе приемника от количества передающих антенн MIMO.

На основании первой главы можно сделать вывод, что в многоканальной системе MIMO необходимо разделять MIMO-сигналы, чтобы их влияние друг на друга было минимальным. В противном случае, с увеличением количества передающих антенн, ОСШ уменьшается при работе только по одному из сигналов. Поэтому целесообразно разделять принятые MIMO-сигналы и обрабатывать их совместно.

Во второй главе предложены алгоритмы оценки информативных параметров сигналов MIMO и приведены результаты моделирования.

В системах связи для оценки канала РРВ используются пилот-сигналы. В приемнике хранятся копии пилот-сигналов, поэтому взаимная корреляция между принятыми сигналами и имеющимися копиями позволяет извлечь информацию об импульсной характеристике каналов РРВ, пройденных сигналами. В системах с OFDM-сигналами, оценка канала РРВ MIMO производится в частотной области. В этом случае результатом оценки канала РРВ является канальная матрица, элементами которой являются передаточные функции каждого пути между передающими и приемными антеннами.

Рисунок 5 - Зависимость отношения сигнал/шум на входе приемника от

Предположим, что на вход приемника поступают два сигнала, время прихода которых нужно определить. Принятые сигналы являются одинаковой по мощности помехой друг для друга в заданной полосе частот, поэтому система должна обработать принятые сигналы таким образом, чтобы избавиться от их взаимного мешающего влияния. Для совместной обработки сигналов необходима информация об их параметрах, способе кодирования, расположения пилот сигналов в OFDM-сигнале. Используя эту информацию, можно получить:

- оценку канала РРВ MIMO;

- оценку переданного сообщения с заданной вероятностью битовой ошибки.

Время прихода сигнала предлагается определять корреляционно-экстремальным методом. Корреляционная функция является интегралом свертки принятого сигнала Rv(t) с опорным (пилотным) sm(r-r) сигналом:

K(r) = R,(0 -son{t-r)d,.

о

Вид корреляционной функции зависит от сиг-налов, поданных на входы коррелятора, поэтому решение задачи сводится к подбору этих сигналов. Для нахождения времени прихода MIMO-сигналов по максимуму корреляционной функции, разработано несколько алгоритмов совместной обработки сигналов, отличающихся друг от друга видами входного сигнала и опорной функции. Алгоритмы совместной обработки сигналов MIMO 2x2 представлены в таблице 1.

Для оценки переданного сигнала в системах связи используются алгоритмы эквалайзирования. В предположении, что в системе МПСР передаваемый сигнал восстановлен правильно, в качестве опорного сигнала используется один из передаваемых сигналов sx(t) или s2(t) ■

В качестве опорного используется сигнал, сформированный с учетом оценки канала РРВ и оценки переданного сообщения. На рисунке б показана структурная схема алгоритма оценки времени прихода MIMO-сигналов. На схеме показано, что для оценки времени прихода MIMO-сигналов, необходимо оценить канал РРВ по известным пилот-сигналам, оценить переданное сообщение путем эквалайзирования, сформировать опорный сигнал, используя оценку канала и переданный сигнал. Временные диаграммы при обработке MIMO-сигналов показаны на рисунке 7.

¡-й приемный пункт

Преобразователь ! частоты

| Преобразователь 1 частоты

АЦП

"■■•'*.........Г

Триггер запуска АЦП

АЦП

Триггер запуска АЦП

Антенна

Преобразователь частоты

АЦП

Тактовый генератор

| Триггер 1 [ .запуска АЦП [

^ импульсы тактирования АЦП

Антенна системы еинхронизаци

Блок синхроимцульсо в

синхросигналы запуска АЦП

Рисунок 6 - Обобщенная структурная схема алгоритма оценки времени прихода МГМО-сигналов в пункте наблюдения

Временные диаграммы определения времени прихода в одном пункте наблюдения

"сМ

Импульсы от системы синхронизации разнесённых пунктов наблюдения

4...

Реализация принятого сншала в первой антенне МШО 2x2

Реализация принятого сигнала во второй антенне М1МО 2x2

Результат совместной обработки: корреляционная функция

Время прихода соответствует временному положению максимума корреляционной функции, отсчитываемого от импульса системы синхронизации

Рисунок 7 - Временные диаграммы при обработке М1МО-сигналов

Таблица 1 - Алгоритмы совместной обработки MIMO-сигналов

№ Алгоритм soÁ0 -опорный известный сигнал Rnp(t) - принятый сигнал

1 По одному сигналу sm(f) = St(f)

2 По сумме принятых сигналов ^(0 = 5,(0 ^(0 = ^,(0+^(0

3 По сумме принятых сигналов и опорных сигналов

4 По сумме принятых сигналов и опорных сигналов с учетом канальной матрицы = A (0+^(0

5 По одному принятому и сумме опорных сигналов с учетом канальной матрицы

6 По усреднению оценок по двум корреляционным функциям *„(')=АС)

7 При исключении одного сигнала *„(') = s,(')*&„-ЗДЧ. V>=JW

8 По сумме опорных сигналов ^„« = 5,(0+^(0 л,„(0 = «,(')

В общем случае для системы MIMO пхт было получено выражение корреляционной функции:

ад=/ £ д. (о ■ £ s с - »■) ® Km со*.

где Л„(0 - принятые сигналы п антеннами; ¿„(г) - излученные сигналы т антеннами; /?„„ (/) - импульсные характеристики между передающими и приемными антеннами; ® - операция свертки.

Для моделирования всех предложенных алгоритмов были выбраны модели каналов РРВ, рекомендованные международным союзом электросвязи, примеры характеристик которых представлены на рисунках 8, 9. Результаты моделирования алгоритмов представлены на рисунках 10, 11, для каналов РРВ №1, №2, соответственно, к 0.8 £' 0.6 -I 0.4 ; 0.2 0

г?

LC -5

¡5

5 -10

п

?

< -15

-20

..* \

-ни

50 100 150 200 250

ЕЯ, НС

импульсная характеристика канала РРВ

"2980 2985 2990 2995 3000 Частота, МГц

передаточная функция канала РРВ

Рисунок 8 - Характеристика канала РРВ № 1 с медленными частотными

замираниями

0.8

го

П 6

£

0.4

<

0.2

0

О 50

2980 2985 2990 2995 3000 Частота. МГц

100 150 200 250 Время, не

импульсная характеристика канала РРВ передаточная функция канала РРВ Рисунок 9 - Характеристика канала РРВ №2 с быстрыми частотными замираниями

4

3.5

у 3

-f

* 2.5

и

О 2

О

«

и 1.5

i

0.5

'ч ...................4

Y-._______

Ч

10 20 30

Отношение снгнашшум. дБ

Рисунок 10 - Зависимость СКО оценки времени прихода от отношения сигнал/шум для случая MIMO 2x2. Модель канала РРВ №1

о 5 ю

Отношение сигнал/шум. дБ Рисунок 11 - Зависимость СКО оценки времени прихода от отношения сигнал/шум для случая MIMO 2x2. Модель канала РРВ №2

В результате было получено, что учет канала РРВ позволяет повысить точность оценки времени прихода MIMO-сигналов. Для устранения влияния канала на передаваемый сигнал разработано несколько алгоритмов оценки канала применительно к системам широкополосного доступа с OFDM-сигналами в различных режимах пространственного кодирования и мультиплексирования, которые внедрены в реальное оборудование. При использовании OFDM-сигнала, оценка канала РРВ MIMO производится в частотной области и сводится к интерполяции частотной характеристики. Зависимость СКО ошибки оценки прихода MIMO-сигналов от СКО ошибки оценки фазы при ОСШ = 10 дБ приведена на рисунке 12.

Во второй главе получено, что ошибка оценки фазы элементов канальной матрицы вносит погрешность в оценку времени прихода

сигнала. Уже при ошибке оценки фазы элементов канальной матрицы в 0.1 радиан, точность оценки времени прихода становится такой же, как в случае работа с одной приемной антенной. Также ошибку в оценку времени прихода MIMO-сигнала вносит погрешность оценки канала РРВ.

В третьей главе описана структура и формирование MIMO-сштилов для

экспериментальных исследований, приведены

методики проведения и результаты эксперимента. Структурная схема макета MIMO 2x2, с помощью которого проверялась работа алгоритмов, показана на рисунке 13.

Рисунок 13 - Структурная схема макета MIMO 2x2

По результатам моделирования процесса работы алгоритмов оценки времени прихода М1МО-сигналов можно сделать вывод, что лучшим алгоритмом (по критерию скорость вычислений и точность) является алгоритм «По сумме принятых сигналов и опорных сигналов с учетом канальной матрицы». Поэтому именно этот алгоритм использован в дальнейшем для обработки экспериментальных данных. Зависимость СКО оценки времени прихода М1МО-сигналов 2x2 от ОСШ, полученная по результатам моделирования и эксперимента представлена на рисунке 14.

.....''.....SI -MI .....•.....MI зо МО 2x2 с ошибкой фазы МО 2x2

/ / -л О- <;

0.5 ¡----------

0 0 02 0 04 0 06 0.08 01 0.12 0 14 0.16 OIS 0 2

СКО оценки фазы, рад

Рисунок 12 — Зависимость СКО ошибки опенки времени прихода сигнала от СКО ошибки оценки фазы при ОСШ =10 дБ

■ Эксперимент • Моделирование

Из рисунка экспериментальные

О 5 10 15

Отношение еш натшум. дБ

Рисунок 14 - Зависимость СКО оценки времени прихода М1МО-ситналов 2x2 от отношения сигнал/шум

14 видно, что результаты

отличаются от результатов

моделирования не более чем на 10 %, на основании чего можно сделать вывод о состоятельности результатов моделирования.

Незначительное систематическое превышение СКО оценки для экспериментальных данных над результатами моделирования

объясняется дополнительными

погрешностями, вызванными

передающей и измерительной аппаратурой, приведены: описание экспериментального

В четвертой главе

исследования, методики эксперимента на реальных трассах РРВ, описание оборудования и классификация экспериментальных трас. Целью эксперимента является получение экспериментальных данных о пространственно-кодированных сигналах, прошедших приземный канал РРВ, включающих:

- оценку импульсных характеристик, передаточных функций канала РРВ;

- оценку времени прихода MIMO-сигналов, прошедших канал РРВ;

- исследование процесса передачи данных MIMO для беспроводных систем радиосвязи.

На рисунке 15 показана структурная схема экспериментальной установки MIMO.

Генератор Rohdc&Sehwar/.

Y Антенна

Тх I

Г Í 'оператор | _Agilent

JVM

уАитенна I Тх 2

Антенна Rx I

Антенна Rx

МШУ]—»j см i—JvilMj-

jr —

Т_|мшу|

Г"!

У114

iU

Осциллограф LeCroy

^Опорный i Успер^торГ

Рисунок 15 - Структурная схема экспериментальной установки MIMO 2x2

Для получения наиболее полных сведений о канале РРВ, эксперимент проводился в различных условиях и на разных трассах. Классификация исследуемых трасс производилась по протяженности, по расположению. Таким образом, было выбрано б трасс. Примеры расположения трасс приведены на рисунке 16.

В результате проведен™ экспериментальных исследований были получены массивы экспериментальных данных, которые содержат записи квадратурных составляющих принимаемого сигнала, прошедшего приземный канал РРВ и зарегистрированных с помощью осциллографа. Данные об экспериментальных измерениях, с указанием имени файла данных, параметров излучаемого сигнала и способе кодирования были объединены в единую базу данных. Общий объем экспериментальных данных составляет 8 ГБ. Результаты обработки экспериментально полученных М1МО-сигналов сведены в таблицу 2.

Трасса «Д» Трасса «Е»

Рисунок 16 - Схема расположения передающего и приемного пунктов на трассах

«Д» и «Е»

Таблица 2 - СКО оценки времени прихода ШМО-сигналов

№ алгоритма/ параметр Трасса А Трасса Б Трасса В Трасса Г Трасса д Трасса Е

Вероятность битовой ошибки 10'6 ю-5 410° 6-10" 10'4 10"'

Отношение сигнал шум, дБ 18 16 13 14 10 13

Алгоритм Xsl, СКО, не 3.5 3.4 3.8 3.8 4.2 4.0

Алгоритм Х°2, СКО, не 3.3 3.3 3.4 З.б 4.2 4.1

Алгоритм Х°3, СКО, не 3.3 3.4 3.5 3.4 4.5 4.4

Алгоритм Х»4, СКО, не 2.8 2.6 3.1 3.0 2.9 3.0

Алгоритм Х°5, СКО, не 2.9 2.8 3.0 3.2 4.3 4.1

Алгоритм Х°6, СКО, не 2.9 3.0 3.1 3.1 4.7 4.5

Алгоритм Х°7, СКО, не 3.0 2.9 3.2 З.б 4.7 4.6

Алгоритм Х°8, СКО, не 3.0 2.9 3.2 3.6 4.9 5.0

Сравнивая результаты, занесенные в таблицу 2, с результатами моделирования, приведенными на рисунках 10, 11, видно, что результаты, полученные экспериментальным путем, согласуются с результатами моделирования. Незначительные отличия результатов между экспериментом и моделированием обусловлены ошибкой оценки канальной матрицы и ошибкой оценки переданного сообщения.

В заключении сведены основные выводы по работе.

1. На основе математического моделирования показано, что каждая дополнительная антенна системы MIMO увеличивает системную помеху на 3-6 дБ.

2. Моделирование канала MIMO показало, предлагаемые алгоритмы позволяют уменьшить СКО оценки времени прихода OFDM-сигналов в системе MIMO 2><2 в два раза по сравнению с системой SISO при ОСШ 10 дБ.

3. Фазовые ошибки в оценке элементов канальной матрицы вносят существенный вклад в ошибку оценки времени прихода OFDM-сигналов в системах MIMO и значение СКО оценки фазы 0.1 рад является верхней границей, при которой точность определения времени прихода OFDM сигналов такая же, как и для систем SISO.

4. Предложенный алгоритм обработки MIMO-сигналов дает выигрыш в оценке времени прихода по сравнению с одноканальным случаем (SISO). Для реализации предложенного алгоритма необходимо иметь информацию о параметрах сигнала, таких как несущая частота, полоса и длительность OFDM-сигнала, количество поднесущих, место расположения пилотных поднесущих. Предварительно должны быть сделаны операции по оценке канала РРВ MIMO (оценка канальной матрицы), оценка переданного сообщения с заданной вероятностью битовой ошибки (эквалайзирование), сформированы опорный и суммарный принятый сигналы.

Таким образом, выполненная работа заключается в разработке новых алгоритмов и методов оценки времени прихода OFDM-сигналов MIMO, прошедших приземную трассу распространения радиоволн и принимаемых многоканальной радиосистемой при известном методе кодирования сигналов, которые позволили решить задачу, имеющую важное народнохозяйственное значение для страны, по разработке и созданию многопозиционных систем радиомониторинга.

Список опубликованных работ по теме диссертации: В журналах, включеппых в перечепь ВАК:

1. Вершинин A.C., Ворошилин Е.П., Денисов В.П. Экспериментальная оценка увеличения точности измерения задержки сигнала в наземных системах радиомониторинга при многоканальном приеме // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2010, с. 32-35.

2. Вершинин A.C., Короткое Д.А., Ворошилин Е.П. Модель физического уровня системы широкополосного беспроводного доступа с пространственно-временным кодированием //Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2011, с. 78-85.

3. Вершинин А. С., Ворошилин Е. П., Денисов В. П. Зона действия многоканальных пассивных наземных систем радиотехнической разведки //Доклады ТУСУРа. - 2011. - Т. 23. - №. 1, с. 10-17.

4. Короткое Д.А., Вершинин A.C., Ворошилин Е.П. Алгоритм управления мощностью для системы широкополосного беспроводного доступа стандарта WiMAX IEEE 802.16е //Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2011, с. 93-98.

5. Ворошилин Е.П., Рогожников Е.В., Вершинин A.C. Метод повышения точности оценки передаточной функции канала распространения радиоволн //Известия Томского политехнического университета. — 2011, с. 133-137.

6. Абенов P.P., Вершинин A.C., Ворошилин Е.П., Рогожников Е.В. Исследование методов эквалайзирования для систем связи с использованием OFDM сигналов //Вестник СибГУТИ. - 2013, с 50-56.

Патенты:

7. Патент на изобретение №2450448 Устройство для оценки времени прихода радиосигнала. Приоритет изобретения 1 апреля 2011г. Вершинин A.C., Рогожников Е.В., Ворошилин Е.П., Коротков Д.А., Майков Д.Ю.

8. Патент на полезную модель Устройство для оценки времени приема сигналов системы со множеством входов и множеством выходов. Приоритет полезной модели 01 ноября 2012 г. Вершинин A.C., Рогожников Е.В., Ворошилин Е.П., Абенов P.P.

9. Патент на полезную модель № 111371 Устройство для оценки времени приема радиосигнала, прошедшего приземный канал распространения радиоволн. Приоритет полезной модели 1 марта 2011г. Вершинин A.C., Рогожников Е.В., Ворошилин Е.П., Коротков Д.А., Майков Д.Ю.

10. Патент на полезную модель № 115591 Устройство для оценки передаточной функции канала распространения радиоволн. Приоритет полезной модели 28 ноября 2011т. Вершинин A.C., Рогожников Е.В., Ворошилин Е.П., Короткое Д.А., Майков Д.Ю.

Монографии:

11. Ворошилин Е. П., Рогожников Е.В., Вершинин A.C. Демидов А.Я., Каратаева H.A., Коротков Д.А., Лобанов H.A., Майков Д.Ю., Абенов P.P., Алгоритмы обработки и преобразования сигналов в системе «Мобильный WiMax», Томск: В - Спектр, 2012 г. 216 с.

12. Е.П. Ворошилин, Е.В. Рогожников, A.C. Вершинин, В.А. Чигринец, Д.А. Долгих Цифровая обработка сигналов в беспроводных широкополосных системах, Томск: В - Спектр, 2012 г. 154 с.

В сборниках всероссийских и международных конференций:

13. Вершинин A.C., Метод оценки момента прихода сигнала в системах связи, использующих технологию MIMO. Научная сессия ТУСУР- 2012 Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2012», посвященной 50-летию ТУСУРа, 16-18 мая 2012 г., г. Томск, Ч. 2 с. 89-92.

14. Vershinin A.S., Voroshilin Е.Р., Rogozhnikov E.V., Maikov D.Y. Estimation of RF propagation channel transfer function with consideration about its priori structure. Winternational Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings, 2011, p. 173-178.

15. Vershinin A.S., Voroshilin E.P., Rogozhnikov E.V., Korotkov D.A., Maikov D.Y. Experimental estimation of accuracy enhancement of TOA measurement by communication system in case of multichannel processing. \\ International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings, 2011, p. 173-178.

16. Вершинин A.C., Мещеряков A.A. Экспериментальная оценка точности создания шкалы единого времени с помощью стандартов частоты, подстраиваемых сигналами СРНС. Научная сессия ТУСУР-2009 Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 2009 г., Томск : B-Спектр. - Ч. 1. - С. 61-63.

17. Вершинин A.C., Манохин Г.О., Эрдынеев Ж.Т. Оценка вероятности битовой ошибки передачи данных технологии MIMO. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011», 4-6 мая г. Томск, 2011 г., В шести частях Часть 6, с. 269-271.

18. Вершинин A.C., Ворошилин Е.П., Рогожников Е.В. Алгоритм пространственно-временного помехоустойчивого кодирования. Современное образование: проблемы обеспечения качества подготовки

специалистов в условиях перехода к многоуровневой системе высшего образования 2-3 февраля 2012 года, ТУСУР Томск 2012, с. 177-179.

19. Вершинин A.C., Эрдынеев Ж.Т. Методы оценки моментов прихода сигналов для систем беспроводного широкополосного доступа. Научная сессия ТУСУР- 2012 Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2012», посвященной 50-летию ТУСУРа, 16-18 мая 2012 г., г. Томск, Ч. 2 с. 64-66.

Тираж 100. Заказ 1120. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ВРЕМЕНИ ПРИХОДА ПРОСТРАНСТВЕННО-КОДИРОВАННЫХ OFDM СИГНАЛОВ В РАДИОСИСТЕМАХ СВЯЗИ

Специальность:

05.12.04— Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Вершинин Александр Сергеевич

Научный руководитель -к.т.н. Ворошилин Е.П.

Томск 2013

Оглавление

Введение............................................................................................................................4

1 Математическая модель сигналов и канала распространения радиоволн............11

1.1 Математическая модель сигнала OFDM........................................................11

1.1.1 Параметры сигналов систем беспроводного широкополосного доступа четвертого поколения......................................................................................16

1.2 Математическая модель сигналов MIMO......................................................19

1.2.1 Пространственное кодирование сигналов в системах MIMO. Код Аламоути ........................................................................................................................19

1.2.2 Пространственное мультиплексирование сигналов MIMO....................22

1.3 Математическая модель канала распространения радиоволн для систем связи с пространственным кодированием сигналов......................................24

1.3.1 Обзор характеристик каналов передачи сигналов в системах связи MIMO ........................................................................................................................27

1.3.2 Импульсная характеристика широкополосного и узкополосного каналов SISO...................................................................................................................29

1.3.3 Импульсная характеристика канала передачи системы MISO...............33

1.3.4 Импульсная характеристика канала передачи системы SIMO...............35

1.3.5 Импульсная характеристика канала передачи системы MIMO..............36

1.4 Постановка задачи............................................................................................39

1.5 Выводы..............................................................................................................43

2 Алгоритмы оценки информативных параметров сигнала......................................45

2.1 Алгоритм оценки времени прихода сигналов MIMO...................................45

2.2 Моделирование оценки времени прихода сигнала от источника радиоизлучения MIMO...................................................................................................50

2.3 Влияние ошибки оценки фазы элементов канальной матрицы на оценку времени прихода сигнала..................................................................................52

2.4 Моделирование оценки времени прихода сигнала от источника радиоизлучения MIMO в многолучевом канале..........................................................54

2.5 Алгоритмы оценки канальной матрицы по пилот-сигналам.......................57

2.6 Моделирование методов оценки канальной матрицы..................................59

2.7 Влияние расстояния между пилотными поднесущими на точность оценки канальной матрицы............................................................................................67

2.8 Линейные алгоритмы обработки пространственно мультиплексированных сигналов.................................................................................74

2.8.1 Алгоритм Zero Forcing.................................................................................74

2.8.2 Алгоритм минимальной среднеквадратической ошибки (MMSE -Minimum Mean Square Error).........................................................................................76

2.9 Нелинейные алгоритмы обработки пространственно мультиплексированных сигналов.................................................................................77

2.9.1 Упорядоченное последовательное исключение интерференции (OSIC - Ordered Successive Interference Cancellation).................................................77

2.9.2 Алгоритм максимального правдоподобия (ML - Maximum Likelihood)........................................................................................................................79

2.10 Моделирование алгоритмов пространственного мультиплексирования ...80

2.11 Алгоритм оценки смещения частоты.............................................................84

2.12 Моделирование алгоритма оценки частотного смещения сигнала.............87

2.13 Выводы..............................................................................................................88

3 Описание экспериментальных исследований..........................................................90

3.1 Структура и формирование сигнала OFDM..................................................90

3.1.1 Распределение поднесущих с применением нескольких антенн (MIMO) ........................................................................................................................91

3.2 Формирование сигналов MIMO......................................................................92

3.3 Формирование сигналов для оценки сдвига частоты...................................93

3.4 Методика эксперимента MIMO 2x2 в лабораторных условиях..................94

3.5 Обработка экспериментальных сигналов MIMO........................................101

3.5.1 Экспериментальная оценка смещения частоты......................................101

3.5.2 Экспериментальная оценка вероятности битовой ошибки для пространственного кодирования сигналов................................................................106

3.5.3 Экспериментальная оценка вероятности битовой ошибки для пространственного мультиплексирования сигналов................................................109

3.5.4 Экспериментальная оценка СКО времени прихода сигналов MIMO .. 113

3.6 Выводы............................................................................................................114

4 Описание экспериментальных исследований на реальных трассах РРВ...........115

4.1 Цель эксперимента.........................................................................................115

4.2 Измерения MIMO режима STC и SM...........................................................116

4.3 Описание приемного и передающего оборудования..................................120

4.4 Классификация исследуемых трасс..............................................................123

4.5 Методика эксперимента MIMO 2x2 на трассах...........................................128

4.6 База экспериментальных данных..................................................................132

4.7 Экспериментальная оценка импульсной характеристики канала РРВ.....132

4.8 Экспериментальная оценка времени прихода сигналов MIMO................133

Заключение....................................................................................................................135

Список литературы.......................................................................................................138

Приложение А...............................................................................................................147

Введение

Развитие систем беспроводной радиосвязи связано с увеличением их пропускной способности при обеспечении высокого качества предоставляемых услуг. Обычно в системах связи использовалась одна передающая и одна приемная антенна, что зачастую ограничивало возможности системы, поскольку в условиях многолучевого распространения при перемещении абонента в пространстве, наблюдаются замирания (в том числе и частотно селективные) уровня сигнала, которые приводят к ухудшению качества связи. Одним из способов увеличения эффективности использования радиочастотного спектра в настоящее время является применение технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1]. В основе технологии MIMO лежит математический аппарат цифровой обработки сигналов, который позволяет учитывать пространственную, временную и поляризационную структуру электромагнитного поля. Особенностью MIMO систем является увеличение скорости передачи информации за счет использования эффекта многолучевого распространения и пространственного разнесения антенн [1, 2]. В классических системах связи многолучевое распространение являлось одной из причин снижения скорости передачи данных.

Современные сотовые системы широкополосного беспроводного доступа, такие как WiMAX и LTE, используют тип сигнала OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [3] и технологию MIMO [4]. В MIMO системах с целью увеличения дальности действия используют пространственно-временное кодирование сигналов [5, 6], а для повышения скорости передачи информации - пространственное мультиплексирование [6].

Другой областью использования технологии MIMO является радиолокация. Одна из основных тенденций развития радиолокационных систем (PJIC) связана с увеличением количества приемных каналов с целью повышения объема и качества радиолокационной информации. В последние годы наметилось новое направление развития многопозиционных многоканальных PJIC с разнесением антенных элементов на величины существенно большие, чем длина волны (так называемые «MIMO PJIC») [7].

Актуальность диссертационного исследования. В связи с активным внедрением технологии MIMO в радиотехнические системы (системы связи, радиомониторинга, радиолокации, и др.) одной из новых актуальных задач, требующих решение, является задача определения времени прихода сигналов с пространственно-временным кодированием и мультиплексированием (MIMO сигналов). Использование новых сигналов открывает перед радиотехническими системами новые возможности для повышения точности оценки времени прихода MIMO сигналов, но требует более трудоёмкую процедуру обработки подобных сигналов. Сложность обработки сигналов MIMO обусловлена тем, что сигналы существуют в одном временном интервале и полосе частот, а передающие антенны расположены близко друг к другу в пространстве (порядка нескольких длин волн).

Недостатком существующих радиотехнических систем является не способность разделить сигналы MIMO между собой в отсутствии информации о способе кодирования сигналов. Таким образом, сигналы являются помехой друг для друга. Как известно, точность определения времени прихода сигнала ограничена отношением сигнал/шум (ОСШ) [8, 9], поэтому оценивание времени прихода MIMO сигнала отдельно по каждой его составляющей ограничивает точность формируемой оценки, т.к. другие сигналы являются аналогом шума (помехой) в этой полосе частот такой же мощности.

В системах сотовой связи время задержки радиосигнала, обусловленное временем распространения, содержит информацию о расстоянии от базовой станции до абонента. Эта информация используется для определения местоположения абонента. Если мобильная станция получает сигнал одновременно от нескольких базовых станций, то, зная их географические координаты, оценка местоположения сводится к решению соответствующей геометрической задачи. В системах радиомониторинга подобная задача осложняется тем, что то для определения координат необходима информация о типе кодирования сигналов. Используя эту информацию, можно разделить сигналы MIMO и совместно обработать их таким образом, чтобы в процессе оценивания информативных параметров их взаимное шумовое влияние было

5

минимизировано. Использование технологии MIMO в системах синхронизации позволяет достичь более точной оценки времени прихода сигнала.

Настоящая работа посвящена разработке метода определения времени прихода пространственно-кодированных сигналов радиосистем связи для решения задач радиомониторинга. Известно, что востребованной задачей радиомониторинга является определение местоположения радиоэлектронных средств, в частности, мобильных станций (МС) в радиосистемах связи разностно-дальномерным методом путём измерения разности времени прихода в разнесённых пунктах наблюдения относительно единой шкалы времени системы синхронизации. Ошибка измерения координат МС связана с неточностью оценки времени прихода сигнала и может быть вызвана как влиянием канала распространения радиоволн, так и внутренними шумами приёмной аппаратуры.

Совместное использование технологии MIMO и модуляции OFDM определяют концепцию пространственного кодирования сигналов, которая описана в работах как отечественных авторов [10-14]: В.Т. Ермолаев, А.Г. Флаксман, В.И. Слюсар, и др., так и зарубежных [15-23]: S. Alamouti, I.E.Telatar, G.J. Foschini и др.

Пространственное кодирование сигналов и их излучение разнесёнными в пространстве антеннами обуславливает некорректность классического подхода определения времени прихода таких сигналов, поскольку антенны излучают различные сигналы одновременно. В результате применения известных методов определения времени прихода сигнала, описанных, например, в работах [24-33] М.И. Сколника, В.И. Тихонова, А.П. Трифонова, имеется неопределённость относительно того, время прихода какого из сигналов следует определять, если пространственно-разнесёнными антеннами излучается их совокупность. Учитывая, что антенны излучают различные сигналы, соответствующие передаваемым сообщениям, одновременно в заданной полосе частот, то при определении времени прихода одного из излучаемых сигналов, другие сигналы являются помехой, снижающей точность определения координат МС.

В настоящей работе предлагаются алгоритмы определения времени прихода совокупности OFDM-сигналов, излучаемых одновременно пространственно-разнесёнными антеннами, для определения координат МС современных систем радиосвязи с технологией MIMO. Время прихода OFDM-сигналов определяется вычислителем по цифровым отсчётам принятых сигналов, записанных в память ЭВМ за длительность двух OFDM-сигналов, относительно момента времени, соответствующего первому цифровому отсчёту принятых сигналов и совпадающего с меткой времени единой шкалы системы синхронизации пунктов наблюдений.

Цель диссертационной работы - разработать алгоритмы определения времени прихода OFDM-сигналов радиосистем связи с технологией MIMO для определения координат мобильных станций.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих задач:

1. Анализ методов обработки OFDM-сигналов и способов оценки передаточной функции канала распространения радиоволн (РРВ) в системах MIMO.

2. Разработка алгоритмов оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов в условиях многолучевого РРВ.

3. Теоретическая и экспериментальная проверка работы алгоритмов оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов и выработка рекомендаций по уменьшению среднеквадратического отклонения (СКО) оценки.

4. Создание экспериментальной базы данных по структуре пространственно-кодированных сигналов в многолучевом канале РРВ.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием имитационного моделирования, применением основ линейной алгебры и корреляционно-экстремальной теории.

Научная новизна работы:

1. Разработаны новые алгоритмы, повышающие точность оценки времени прихода пространственно-кодированных OFDM-сигналов, прошедших

7

многолучевой канал РРВ.

2. Впервые получены теоретические и экспериментальные результаты по зависимости СКО оценки времени прихода OFDM-сигналов от отношения сигнал/шум (ОСШ) в системах MIMO.

3. Экспериментально получена верхняя граница СКО оценки фазы элементов канальной матрицы, обеспечивающая увеличение точности оценки времени прихода OFDM-сигналов в системах MIMO.

4. Получены новые экспериментальные результаты по структуре пространственно-кодированных сигналов в многолучевом приземном канале РРВ, создана база экспериментальных данных, которая может быть использована в НИОКР.

Результаты диссертационной работы защищены тремя патентами на полезную модель и одним патентом на изобретение.

Научная значимость диссертационной работы состоит в алгоритмах определения времени прихода сигналов MIMO для радиотехнических систем различного назначения, создание базы экспериментальных данных, которая использовалась для подтверждения результатов моделирования, и может служить основанием для проведения дальнейших исследований.

Практическая значимость полученных результатов. Внедрение результатов работы осуществлено на предприятии ЗАО «Микран» (г. Томск), о чем свидетельствует акт внедрения. Результаты данной работы применяются в учебном процессе на кафедре телекоммуникаций и основ радиотехники ТУСУРа и на специализированных курсах, что подтверждается соответствующим актом внедрения в учебный процесс.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы были апробированы на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах:

- Научная сессия ТУСУР-2009, г. Томск, 2009 г.;

- XVI Международная научно-техническая конференция Радиолокация навигация связь, г. Воронеж, 2010 г.;

- International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and

8

Electron Devices Proceedings, Erlagol, Altai, 2011;

- Научная сессия ТУСУР-2011», г. Томск, 2011 г.;

- Научная сессия ТУСУР-2012», г. Томск, 2012 г.

- Современные проблемы радиоэлектроники, г. Красноярск, 2013 г.

Личный вклад автора. Автором диссертационной работы выполнена

разработка программного обеспечения, позволяющего моделировать радиосистемы связи с технологией MIMO. Им лично выполнена разработка алгоритмов определения времени прихода, а также их анализ путем моделирования и проведением эксперимента. Автор диссертационной работы участвовал в разработке экспериментального макета системы радиосвязи, а также в составлении программы и методики проведения экспериментов на городских и загородных трассах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Точность оценки времени прихода OFDM-сигналов MIMO, формируемая по одному из них, ограничивается системной помехой, которая растет с увеличением количества излучающих антенн.

2. Предложенный алгоритм обработки OFDM-сигналов радиосистемы связи с технологией MIMO с учётом их пространственно-временного кодирования и оценок передаточной функции канала распространения радиоволн позволяет уменьшить средн�