автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и повышение эффективности применения многоантенных систем передачи информации в режиме пространственного мультиплексирования

На правах рукописи

Мухин Илья Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГО АНТЕННЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РЕЖИМЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ

Специальность 05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

МОСКВА-2013

005540266

005540266

Работа выполнена на кафедре «Радиотехнических систем» Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» (ФГОБУ

ВПО МТУСИ)

Научный руководитель: Немировский Михаил Семенович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Скородумов Андрей Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Системы и сети радиосвязи и телерадиовещания». Московский технический университет связи и информатики

Маврычев Евгений Александрович кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные радиосистемы», Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева

Ведущая организация:

ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 219.001.03 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ФГОБУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики» по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-448. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ. Автореферат разе

ff 2013 г.

Учёный секретарь диссер-к.т.н., доц.

Ерохин С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постановка проблемы и её актуальность

В последние десятилетия по всему миру наблюдается повышенный интерес к беспроводным системам связи и, как следствие, бурное развитие данного направления телекоммуникационной отрасли. Беспроводные технологии проникают практически во все сферы человеческой жизни и являются неотъемлемой её частью. Все больше людей не могут представить свою жизнь без мобильного телефона. Очевидно, что темп роста числа пользователей беспроводными системами связи будет только расти. Поэтому перед разработчиками телекоммуникационного оборудования и учеными в области беспроводных технологий стоят крайне сложные, но интересные задачи. Основной из них является повышение спектральной и энергетической эффективности систем радиодоступа с той целью, чтобы новое телекоммуникационное оборудование могло бы удовлетворить постоянно растущие требования пользователей.

Традиционные пути решения данной проблемы, связанные с расширением частотной полосы или с увеличением излучаемой мощности для поддержания заданного уровня вероятности ошибок при данном типе модуляции, постепенно исчерпывают себя. Одним из основных альтернативных направлений, которое было выбрано разработчиками новейших стандартов связи (таких как Институт инженеров по электротехнике и электронике (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers - ШЕЕ) и Международный союз электросвязи - МСЭ (англ. International Telecommunication Union - ITU)) как перспективное, является использование многоантенных систем (MAC) передачи информации, так называемых Multiple Input Multiple Output (MIMO) систем, для повышения спектральной и энергетической эффективности систем радиосвязи.

Особый интерес вызывает технология пространственного мультиплексирования (ПМ), которая позволяет организовать многоканальную передачу за счет использования многоантенной структуры без расширения используемой полосы частот. Суть его заключается в том, что через каждую передающую антенну (ПРДА) транслируются свои цифровые сообщения, совпадающие, однако, по такту, способу манипуляции и параметрам несущей. При этом, если число приемных антенн (ПРМА) как минимум не меньше числа ПРДА, то все параллельно транслируемые сообщения могут быть выделены на приеме. Для этого на приемной стороне могут быть использо-

ваны различные методы обработки, различающиеся по эффективности и вычислительной сложности. Исследование существующих методов приема пространственно мультиплексируемых сигналов, а также разработка новых, являются актуальными задачами, стоящими перед разработчиками систем связи. Данному направлению посвящены исследования В.Б. Крейнделина, JI.A. Варукиной, А.М. Шломы, Е.В. Ермолаева, А.Г. Флаксмана, Е.А. Маврычева и т.д.

Теоретически, пропускная способность системы с ПМ может расти пропорционально числу приемопередающих антенных пар. При этом передающие антенны могут принадлежать не только одному пользователю, но и нескольким. Такая технология получила название многопользовательских MAC (МП-МАС) или MU-MIMO (Multiuser Multiple Input - Multiple Output). Она является сравнительно новой, поэтому изучение теоретических и практических аспектов применения данной технологии является востребованным на сегодняшний день.

Таким образом, один и тот же связной ресурс используется для передачи нескольких сообщений вместо одного, или для увеличения скорости передачи без расширения используемой полосы рабочих частот. Хотя этот факт и может показаться неожиданным, однако он ни в коей мере не нарушает общих законов техники связи. Известно, что спектральную эффективность передачи информации можно повысить за счет увеличения мощности сигнала (снижения энергетической эффективности). Ясно, что если в рассматриваемой системе сосредоточить все мощности на передаче сигналов одного канала, вместо их распыления по нескольким, то отношение сигнал/шум в этом канале было бы значительно повышено, что позволило бы увеличить его пропускную способность без расширения полосы частот. Тем не менее, изучение каждого нового варианта обмена энергетической эффективности на спектральную представляет большой практический интерес.

Кроме того, эффективность ПМ доказана для MAC из нескольких приемных и нескольких передающих антенн только для случая независимых трасс распространения. Трассой распространения будем называть радиоканал между каждой передающей и каждой приемной антенной. Также известно, что если трассы распространения коррелированны между собой, то ПМ теряет свою эффективность. Весьма актуальными оказываются исследования, направленные на определение эффективности различных конфигураций ПМ в реальных радиоканалах, а также условий рационального

использования данной технологии с практической точки зрения. Данному вопросу посвящены работы Л.И. Пономарева, А.И. Скородумова.

Среди отечественных исследователей MAC, которые также внесли существенный вклад в данной области, хотелось бы выделить М.А. Быховского, A.A. Мальцева, P.O. Масленникова, A.B. Давыдова. Цель настоящей работы

Целью данной работы является исследование эффективности применения MAC в режиме ПМ, сравнительный анализ существующих алгоритмов, применяемых в совокупности с ПМ, а также разработка новых методов повышения эффективности данной технологии. Решаемые задачи

Для достижения цели в настоящей работе необходимо было решить следующие теоретические, экспериментальные и прикладные задачи:

1. Разработка адекватного компьютерного симулятора канального уровня многоантенной системы с пространственным мультиплексированием;

2. Исследование существующих моделей и создание новой адекватной математической модели реального радиоканала для использования совместно с симулятором модели MAC при статистическом моделировании;

3. Исследование влияния свойств реальных радиоканалов на эффективность ПМ путем экспериментальной оценки помехоустойчивости;

4. Анализ и выделение характерных зависимостей эффективности ПМ от свойств радиоканала и матрицы системы (MC), точности оценки параметров MC, применения сопутствующих алгоритмов обработки;

5. Сравнительный анализ существующих алгоритмов обработки на приемной стороне и разработка нового метода коллективной демодуляции;

6. Сравнительный анализ существующих алгоритмов группировки пользователей в системе МП-МАС (MU-MLMO) и разработка нового на основе проделанных исследований (см. п.4).

Методы научного исследования

Основные результаты работы были получены на основе применения статистической радиотехники; теории цифровой связи; теории вероятностей; теории связи с подвижными объектами; теории информации; теории оптимизации; высшей алгебры;

векторного анализа; теории матриц; математической статистики и статистического

моделирования; имитационного компьютерного моделирования.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана новая физическая стохастическая модель реального радиоканала, которая, с одной стороны, достаточно компактна, для того чтобы проводить моделирование трасс с набором статистики весьма большого объема, а с другой стороны отражает основные реальные характеристики каналов MIMO для часто встречающихся на практике трасс распространения радиоволн;

2. На основе этой модели предложен способ классификации трасс распространения в зависимости от дальности связи и уровня многолучевости, базирующийся на обусловленности канальных матриц. Для трасс каждого типа получены обширные статистические данные об эффективности функционирования пространственного мультиплексирования, позволяющие определить целесообразные области использования этого метода мультиплексирования;

3. Предложен новый способ группировки пользователей на канальном уровне в системе МП-МАС. На основе данного метода был разработан алгоритм, который совпадает по эффективности с наилучшим из предложенных ранее, поэтому может рассматриваться как альтернативный подход для достижения наилучшей помехоустойчивости. Кроме того, преимуществом предложенного алгоритма является его слабая чувствительность к группировке пользователей с различными значениями отношения сигнал/шум;

4. Предложен новый метод коллективной демодуляции с использованием теории выпуклой оптимизации, который в некоторых случаях оказывается более эффективным других упрощенных методов (линейных и итерационных), приближаясь по эффективности к демодулятору максимального правдоподобия.

Практическая ценность результатов диссертации

Практическая ценность диссертации состоит в следующем:

1. Разработанная модель реального радиоканала может использоваться при моделировании реальных систем связи во время их разработки;

2. В диссертационной работе приводятся рекомендации по рациональному применению MAC в режиме ПМ;

3. Предложенный метод коллективной демодуляции, основанный на численных методах выпуклой оптимизации, может быть эффективно применен в системах связи с использованием MIMO;

4. Предложенный способ группировки пользователей в системе МП-МАС может применяться для достижения максимальной помехоустойчивости.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы по части разработки модели беспроводного канала связи, исследований методов коллективной демодуляции, эффективности ПМ в реальных радиоканалах, алгоритмов группировки пользователей в системе МП-МАС были использованы при разработке приемного устройства базовой станции системы беспроводной связи LTE, что подтверждено соответствующим актом о внедрении.

Результаты исследований MAC в рамках данной диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры радиотехнических систем (РТС) федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (ФГО-БУ ВПО МТУ СИ) в виде трех лабораторных работ, что подтверждено соответствующим актом о внедрении. Апробация диссертации

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили высокую оценку на следующих научных конференциях: научно-техническая конференция «Цифровые технологии радиосвязи и телерадиовещания» 27 апреля — 29 апреля 2010 года в рамках молодежного форума «Телекоммуникации и Информационные технологии», г. Москва, Московский Технический Университет Связи и Информатики; 6-ая отраслевая научная конференция «Технологии информационного общества» 14 февраля - 15 февраля 2012 года, г. Москва, Московский Технический Университет Связи и Информатики; 5-й международный форум информационных технологий «ITFO-RUM 2020» 18 апреля - 20 апреля 2012 года, г. Нижний Новгород; Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2012» 3 декабря - 7 декабря 2012 года, г. Москва, Московский Государственный Технический Университет Радиотехники, Электроники

и Автоматики (доклад получил высокую оценку жюри и был отмечен дипломом данной конференции). Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России (3 работы), в материалах международных и отраслевых конференций (4 работы). Опубликованы лабораторные работы для кафедры радиотехнических систем ФГОБУ ВПО МТУ СИ по тематике диссертационных исследований (3 работы). Всего опубликовано 10 работ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Многоантенные системы с пространственным мультиплексированием действительно позволяют повысить спектральную эффективность, однако реальный радиоканал оказывает существенное влияние на эффективность применения данного способа уплотнения, поэтому ПМ требует рационального подхода к практическому применению;

2. Разработан метод коллективной демодуляции на основе численных методов выпуклой оптимизации, который превосходит по эффективности большинство других упрощенных методов;

3. Разработан способ группировки пользователей в системе МП-МАС, основанный на минимизации обусловленности канальных матриц формируемых сочетаний пользователей. Построенный на его основе алгоритм совпадает по эффективности с наилучшим из предложенных ранее, поэтому может рассматриваться как альтернативный подход для достижения наилучшей помехоустойчивости.

Личный вклад автора

Диссертант принимал непосредственное участие, как в постановке задач, так и в расчетах, построении аналитических моделей, реализации компьютерного моделирования, обсуждениях и физической интерпретации результатов. Объем диссертации

Диссертация состоит из списка сокращений, введения, четырех глав, заключения и списка литературы, а также одного приложения. Общий объем диссертации составляет 137 страниц, включая 53 рисунка и 12 таблиц. Список литературы состоит из 103 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, кратко излагается содержание диссертации, а также приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается хроника исследований и развития многоантенных систем (MAC). Рассматриваются всевозможные варианты построения MAC, на основе которых могут быть реализованы техники, позволяющие улучшить эффективность беспроводной системы связи. Одной из таковых является пространственное мультиплексирование (ГТМ), при котором каждое сообщение излучается со своей передающей антенны, используя один и тот же частотно-временной ресурс (Рисунок 1). Теоретически, пропускная способность канала связи с ПМ может расти пропорционально числу приемопередающих антенных пар. Проведен качественный анализ данной технологии с целью определения возможных путей и задач исследования.

1 h„ 1 г

^ \v''4./7 L

Передаваемое сообщение

МД

д

ПРД

ПРД

/ХАХ\ ' з /_ХД

V Ч/Ял

i пвд

УД L

4

ПРД

Г

р М

у у

л л

п ь

О т

в и

О п

и л

е

п к

р с

М о

Р

с ДМ

Принятое

сооьщение

Рисунок 1 Упрощенная структурная схема системы связи 4x4 с использованием пространственного мультиплексирования

Уравнение МГМО-системы в комплексно-матричной форме выглядит следующим образом,

У = НХ + ТУ (1)

где У - комплексный вектор принятых сигналов, Я - комплексная матрица системы (МС), X — комплексный вектор переданных сигналов, N - комплексный вектор шумов. Матричное уравнение (1) не что иное, как система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), в которой число неизвестных меньше или равно числу уравнений.

Для того чтобы данная система имела осмысленное решение, МС должна быть невырожденной. Встает вопрос о том, какие МС характерны для реальных радиоканалов.

Основной акцент в данной главе сделан на рассмотрение структуры и характеристик матрицы системы Н, которая отражает условия распространения радиоволн в канале связи. МС представляет собой матрицу размерностью NnpvaxN„pda и состоит из коэффициентов передачи hj,- между /-ой передающей и j-ой приемной антеннами. В случае MAC 4x4, приведенном на рисунке, МС будет состоять из 16 коэффициентов. Из теории известно, что погрешность решения СЛАУ при зашумленных входных данных будет тем больше, чем больше число обусловленности (2) матрицы-оператора Н.

^(Я)=||Я||2-||Я-112 (2)

Важным выводом данной главы является тот факт, что характеристики МС, а следовательно и радиоканала, могут оказывать существенное влияние на эффективность ПМ. Подтверждение данного факта приведено в следующей главе на основе статистического моделирования реальных трасс распространения.

Вторая глава посвящена анализу эффективности ПМ при различных условиях распространения радиоволн, характерных для широкого спектра реальных радиоканалов. Исследования проводились на основе симулятора MAC канального уровня и предложенной модели многолучевого радиоканала. Данная модель достаточно компактна для набора больших объемов статистики, но в тоже время отражает основные аспекты распространения радиоволн. В качестве её основы была взята отражательная модель распространения радиоволн. Предложенная модель является физической и объединяет в себе детерминистический и стохастический подходы. Особенностью данной модели математический аппарат формирования MLMO-канала. Для каждого интервала передачи формировалось случайное расположение заданного числа отра-жающе-поглащающих объектов, попадающих в зону существенную для распространения радиоволн. Коэффициенты передачи рассчитывались, исходя из законов геометрической оптики для каждой трассы распространения, и объединялись в матрицу MIMO-системы.

В рамках работы предложен новый метод классификации MIMO-радиоканалов, основанный на оценке обусловленности формируемых МС. Каждый класс радиоканала с определенной протяженностью и степенью многолучевости описывается стати-

10

этическими характеристиками чисел обусловленности формируемых МС, которые рассматриваются как случайные величины. На основе статистического анализа чисел обусловленности формируемых МС дается описание каждого класса радиоканалов. Рассмотрены MAC с двумя (2x2) и четырьмя подканалами (4x4). Проведено обширное статистическое исследование зависимости помехоустойчивости системы связи с пространственным мультиплексированием от свойств реальных радиоканалов. Показано, что эффективное функционирование ПМ возможно лишь в ограниченной группе многолучевых радиоканалов, имеющих небольшую протяженность. Обусловленность МС таких радиоканалов минимальна по сравнению с остальными классами.

При исследовании эффективности MIMO нельзя обойти стороной методы приема пространственно-мультиплексируемых сигналов. В симулятор были встроены несколько способов обработки на приемной стороне, включая алгоритм на основе решения максимального правдоподобия (РМП), приемник с декорреляцией (ПСД), алгоритм на основе минимума средней квадратичной ошибки (МСКО), итерационные алгоритмы с оптимальным упорядочением (ИП), а также класс релаксационных приемников (РП). Суть последних заключается в том, что, рассматривая более строгую задачу, некоторые из условий опускаются. Первый метод носит название алгоритм полуопределенной релаксации (англ. semidefinite relaxation), который был реализован, базируясь на существующих статьях в отечественных и зарубежных изданиях. Второй релаксационный приемник, основанный на применении численных методов и теории выпуклой оптимизации, предложен в рамках данной диссертационной работы (алгоритм «АРК»), Базируясь на эквивалентном (1) матричном уравнении.

где 5 - вещественный вектор принятых сигналов, С — вещественная преобразованная канальная матрица, В - бинарный вектор переданных сигналов (разрешенные значения элементов вектора X линейным и взаимно-однозначным образом кодируются бинарным вектором В), £ - вещественный вектор шумов, решение максимального правдоподобия будет выглядеть следующим образом,

где г - индекс перебора всех возможных комбинаций В,. Из теории известно, что квадратичная функция потерь является выпуклой. Так как множество решений, со-

S=GB+£

(3)

(4)

стоящее из -1 и +1 является невыпуклым, то в начале, как и при тривиальном подходе, отказываемся от того ограничения, что решения принадлежат некоторому дискретному пространству. В предложенном подходе определяется как минимум квадратичной функции потерь /(В) на пространстве -1 < В: < 1, 1 < г < 2кЫ . где к -параметр используемой модуляции, К„рди - число передающих антенн, 2Шпрда - число переданных бит. Данное множество является выпуклым, поэтому возможно применение эффективных численных методов выпуклой оптимизации. Предложенный алгоритм, хотя и уступает в помехоустойчивости алгоритмам максимального правдоподобия (алгоритм «РМП») и полуопределенной релаксации (алгоритм «АПОР»), является более эффективным, чем другие упрощенные методы (Рисунок 2).

дБ

Рисунок 2 Помехоустойчивость передачи сообщений КАМ4 в системе ПМ 4x4 с использованием различных приемников в случайном некоррелированном

М1МО-канале

Предложенный релаксационный приемник может рассматриваться в качестве компромиссного варианта между эффективными, но вычислительно сложными алгоритмами (РМП и АПОР) и менее эффективными, но простыми (ПСД, МСКО, ИП).

В третьей главе проведено исследование влияния погрешности оценки параметров МС на эффективность ПМ. В реальных системах связи МС не известна на приемной стороне, а может быть лишь оценена с некоторой ошибкой. Интересным оказывается исследование, направленное на изучение влияния погрешности оценки

12

МС на эффективность ПМ в различных радиоканалах. Оказывается, что чем лучше условия для функционирования ПМ. показанные в предыдущей главе, тем меньшее отрицательное влияние имеет погрешность оценки МС. В рамках данной главы также приведены результаты моделирования с применением помехоустойчивого кодирования (ПК) и перемежения. Показано, что ПК является эффективным способом компенсации потерь за счет погрешности в оценки МС (Рисунок 3). Кроме того, эффективность применения комплекса мер по повышению помехоустойчивости растет с ухудшением канальных условий функционирования ПМ за счет появления дополнительной потенциальной возможности улучшения.

Без помехоустойчивого кодирования с помехоустойчивым кодированием

Рисунок 3 MAC 4x4, кривые помехоустойчивости КАМ4 в многолучевом радиоканале малой протяженности

В четвертой главе рассматривается одна из модификаций технологии ПМ — многопользовательская версия МП-МАС (Рисунок 4). Если прежде рассматривалась система, в которой передающая сторона имела несколько объединенных передатчиков и несколько антенн, то МП-МАС подразумевает, что пространственно мультиплексируемые сигналы излучаются от разных пользователей, разнесенных в пространстве. При этом если на приемной станции находятся две антенны, то есть возможность пространственно мультиплексировать до двух пользователей, каждый из которых имеет одну передающую антенну. Как было показано ранее, радиоканал и его оценка на приеме имеют решающее воздействие на эффективность ПМ. Особенность МП-МАС заключается в том. что имея число пользователей больше, чем максималь-

ное число мультиплексируемых пользователей в одном связном ресурсе, есть возможность группировать пользователей (искать наилучшие сочетания), тем самым составляя наиболее эффективные, с точки зрения ПМ, группы, а, следовательно, и канальные матрицы.

Однопользовательская MAC в режиме ПМ

АЭ1

АЭ2 ¿.Г ' - • -. I :>\/ АЭ1

lb: Y.

АЭ2 '-Ф-

АС 1

БС1

АЭ - антенный элемент АС - абонентская станция БС - базовая станция

Многопользовательская MAC в режиме ПМ

Т v.

1ъ, ч

АС2

"11

ч---->у АЭ1

\¿

АЭ2

БС1

Рисунок 4 Концепция пространственного мультиплексирования MAC 2x2 одного пользователя (слева) и нескольких пользователей (справа)

В качестве базовых рассматриваются случайный алгоритм группировки пользователей, алгоритм, основанный на максимизации ортогональности между пользователями, а также алгоритм максимизации пропускной способности MIMO системы, показывающий наилучшую эффективность из всех известных подходов. Недостатком данного алгоритма является чувствительность к неидеальному контролю мощности в системе. Предлагается иной подход, полученный на основе проведенных выше исследований по влиянию обусловленности радиоканала на эффективность ПМ, который не имеет данного недостатка. Он опирается на число обусловленности формируемых МС. Суть его заключается в поиске групп, число обусловленности МС которых было бы наименьшим.

Оказывается, что для двух мультиплексируемых пользователей все алгоритмы группировки показывают одинаковый результат, но превосходят случайный алгоритм группировки. Заметим, что выигрыш всегда зависит от числа доступных для мульти-

14

плексирования пользователей и определяется числом доступных возможных сочетаний. С увеличением числа мультиплексируемых пользователей до четырёх (4 антенны на приемной стороне), алгоритмы максимизации пропускной способности и минимизации числа обусловленности показывают наилучший идентичный результат. Заметим, что выигрыш от контролируемого объединения пользователей также зависит от алгоритма обработки на приемной стороне - чем проще приемник, тем эффективность применения данного способа передачи выше. Например, алгоритм приема с декорреляцией является наиболее чувствительным к формируемым канальным матрицам. Поэтому, как и ожидалось, применение алгоритмов контролируемой группировки наиболее эффективно именно в подобных случаях, когда потенциальная возможность улучшения производительности больше.

В заключении изложены основные результаты проведенных исследований, которые сводятся к следующему:

1. Разработана новая физическая стохастическая модель реального радиоканала, которая, с одной стороны, достаточно компактна, для того чтобы проводить моделирование трасс с набором статистики весьма большого объема, а с другой стороны отражает основные реальные характеристики каналов MIMO для широкого спектра часто встречающихся на практике трасс распространения радиоволн;

2. ПМ действительно позволяет в ряде случаев повысить полосную эффективность передачи информации, когда это позволяют канальные условия. Возникающее при этом снижение энергетической эффективности передачи оказывается немногим большим, чем при соответствующем повышении кратности используемой манипуляции;

3. Показано, что применение ПМ эффективно и имеет смысл только на небольших и средних расстояниях при существенной многолучевости. Причем чем больше сообщений пространственно мультиплексируются, тем более заметное влияние оказывает радиоканал на эффективность ПМ;

4. Для MAC с большим числом приемопередающих пар указанный эффект достигается только при сравнительно небольших дальностях связи, не превосходящих нескольких сотен (до 1000) длин волн используемого несущего колебания. По мере увеличения дальности связи эффективность ПМ падает, так что в таких усло-

виях от этого способа целесообразно отказываться и переходить к более надежным методам передачи;

5. На основе разработанной в диссертации модели радиоканала (см. п. 1), проведены исследования, необходимые для эффективной практической реализации пространственного мультиплексирования. Это относится к влиянию точности оценки коэффициентов канальной матрицы на эффективность функционирования соответствующих радиосетей, а также к выбору методов коллективной демодуляции сигналов. Последний вопрос возникает в связи с тем, что в ряде практически важных случаев идеальная демодуляция по методу максимального правдоподобия оказывается, из-за своей сложности, нереализуемой и приходится переходить к упрощенным методам. В работе получены данные о сравнительной помехоустойчивости приема для всех известных методов демодуляции (линейных, итерационных, релаксационных), позволяющие выбрать метод демодуляции в зависимости от вида трасс, используемого метода помехоустойчивого кодирования;

6. Предложен новый способ коллективной демодуляции и соответствующий алгоритм с использованием теории выпуклой оптимизации, который в некоторых случаях оказывается эффективнее других упрощенных методов (линейных и итерационных), приближаясь по эффективности к демодулятору максимального правдоподобия;

7. Ошибка оценки коэффициентов МС в разной степени влияет на эффективность ПМ в зависимости от характеристик радиоканала. Допустимый уровень ошибки в оценке коэффициентов канальных матриц зависит от условий распространения в канале. Таким образом, возможно эффективное применение способов оценки канальных коэффициентов с динамическим удельным весом маркерных сигналов и различных частотно-временных структур пилотных данных, адаптированных под конкретные условия в радиоканале. Тем самым можно достичь более эффективного использования ПМ и всей системы в целом;

8. Показано, что крайне эффективно применение помехоустойчивого кодирования при деградации эффективности ПМ из-за условий распространения в радиоканале. В этом случае выигрыш от кодирования увеличивается с ростом обусловленности МС;

9. Решается задача оптимальной группировки пользователей в системах связи, использующих технологию МП-МАС. Предложен алгоритм группировки пользователей на основе минимизации чисел обусловленности формируемых МС, который совпадает по эффективности с наилучшим из всех известных (алгоритм максимизации пропускной способности) по помехоустойчивости и превосходит тривиальные алгоритмы при числе одновременно мультиплексируемых пространственно пользователей более двух. Кроме того, преимуществом предложенного алгоритма является его слабая чувствительность к группировке пользователей с различными значениями отношения сигнал/шум;

10. Показано, что, используя контролируемое объединение пользователей в группы для совместного пространственного мультиплексирования, более сложные алгоритмы демодуляции могут быть заменены более простыми без потерь в помехоустойчивости системы с ростом числа пользователей, доступных для совместного пространственного мультиплексирования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Мухин И. А., Немировский М. С. Анализ условий эффективного функционирования многоантенных систем передачи информации с пространственным мультиплексированием // Радиотехника, №10, 2011. С. 55-62.

2. Мухин И. А. Исследование влияния погрешности оценки канальной матрицы на эффективность многоантенных систем с пространственным мультиплексированием // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт, №9. 2012.С. 107-111.

3. Мухин И. А., Немировский М. С. Демодуляция пространственно мультиплексированных методом V-BLAST радиосигналов при использовании многократной манипуляции // Цифровая обработка сигналов. №2, 2013. С. 39-47.

Прочие публикации:

4. Мухин И. А. Алгоритм оптимального распределения пользователей в системе MU-MIMO в восходящем канале // Сборник материалов международной научно-технической конференции «INTERMATIC-2012», часть 5, 2012. С. 63-68.

5. Исследование многоантенных систем передачи информации при различных видах замираний // программа научно-технической конференции «Цифровые технологии радиосвязи и телерадиовещания», М.: МТУСИ, 2010. С. 10.

6. Исследование влияния погрешности оценки канальной матрицы на эффективность многоантенных систем с пространственным мультиплексированием // программа научно-технических секций шестой отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества», М.: МТУСИ, 2012. С. 98.

7. Перспективы развития многоантенных технологий MIMO // программа 5-го международного форума информационных технологий «ITFORUM 2020», г. Нижний Новгород, 2012. С. 11.

8. Методические указания к лабораторной работе «Разнесенный прием» для студентов кафедры Радиотехнических систем направления подготовки 210700 - «Инфо-коммуникационные технологии и системы связи». Кафедра Радиотехнических систем, М.: МТУСИ, 2013.

9. Методические указания к лабораторной работе «Разнесенная передача» для студентов кафедры Радиотехнических систем направления подготовки 210700 -«Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Кафедра Радиотехнических систем, М.: МТУСИ, 2013.

10. Методические указания к лабораторной работе «Пространственное мультиплексирование» для студентов кафедры Радиотехнических систем направления подготовки 210700 - «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Кафедра Радиотехнических систем, М.: МТУСИ, 2013.

Подписано в печать 07.11.2013г.

У сл.пл. - 1.0 Заказ №17011 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская И, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru