автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка алгоритмов повышения эффективности систем с ортогональным частотным уплотнением и прерывистой передачей данных



УДК 621.396 На правах рукописи

005042675

АНДРИАНОВ Иван Михайлович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ И ПРЕРЫВИСТОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ

Специальности:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах), 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О Ш Ш1

Москва, 2012

005042675

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ, Лауреат Государственной премии СССР Шахтарин Борис Ильич.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ Козлов Анатолий Иванович;

доктор технических наук, профессор Неусыпин Константин Авенирович.

Ведущая организация: ОАО «Концерн «Созвездие».

Защита состоится «5» июня 2012 г. в 14:30 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., доц. Муратов И.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Для систем беспроводной передачи данных, функционирующих в условиях мультипликативных помех, актуальным является повышение их эффективности. Повышение помехоустойчивости систем передачи и обработки информации, как одного из показателей эффективности, вступает в противоречие с задачами по увеличению другого показателя эффективности, а именно спектральной эффективности. Проблема увеличения помехоустойчивости может быть решена методами системного анализа, при минимизации потерь спектральной эффективности.

В современных каналах передачи данных с замираниями значительное ослабление сигналов вызывает уменьшение отношения сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника. Это приводит к резкому снижению точности синхронизации и помехоустойчивости. Для борьбы с замираниями применяются алгоритмы разнесенного приема/передачи сигналов, символьное перемежение с помехоустойчивым кодированием.

При прохождении сигналов по каналам передачи данных, возникает межсимвольная интерференция (МСИ), значительно искажающая форму сигнала. Одним из эффективных способов борьбы с МСИ является применение систем с ортогональным частотным уплотнением сигналов (далее ОЧУС; англ. OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Подканалы в системах с ОЧУС практически не испытывают влияние МСИ, однако, могут иметь значительные локальные затухания, возникающие вследствие многолучевости (70 дБ и более).

Алгоритмы ОЧУС широко используются в:

1. Системах беспроводной передачи данных стандарта WiFi (IEEE 802.11), работающих в диапазоне 2.4 - 5 ГГц.

2. Системах беспроводной передачи данных стандарта WiMAX (IEEE 802.16), работающих в диапазоне от 2 до 6 ГГц.

3. Системах цифрового телевидения стандартов DVB-T и DVB-T2 (47 — 862 МГц).

Алгоритмы разнесенного приема/передачи помимо стандартов WiFi и WiMAX используются в базовых станциях систем сотовой связи стандарта GSM, работающих в диапазоне 800 — 900 МГц.

Для борьбы с локальными затуханиями сигналов целесообразно применять алгоритмы прерывистой передачи данных, разработке которых посвящена данная диссертация.

Применение алгоритмов прерывистой передачи накладывает на беспроводные системы передачи данных следующие ограничения:

1. по несущей частоте (/нес от 30 МГц до 30 ГГц);

2. по полосе сигнала /„ес/Д/ > 80 - 100, где Д/ - ширина полосы;

3. по среднему значению ОСШ на входе приемника (больше 8 - 10 дБ);

4. функционирование в каналах с медленными неселективными по частоте замираниями.

Исследованиям повышения помехоустойчивости передачи данных использованием прерывистой передачи в беспроводных каналах посвящено ограниченное число работ. Одним из первых прерывистую передачу данных в каналах с замираниями предложил использовать А.Г. Зюко. B.C. Мельников и др. разработали алгоритмы прерывистой передачи данных для систем с обратной связью. Л. Ханзо, С. Вонг предложили использовать многопороговые системы прерывистой передачи данных. Однако, в литературе не были описаны алгоритмы прерывистой передачи в каналах, отличных от рэлеевских и метеорных.

Большой вклад в исследования систем передачи данных с разнесенным приемом/передачей внесли JIM. Финк, И.С. Андронов и У.К. Ли, классифицировав виды разнесения и разработав различные алгоритмы объединения ветвей разнесения. Однако, в литературе отсутствуют исследования по ком-плексированию прерывистой передачи данных и разнесенного приема.

Принцип ОЧУС впервые предложили С.Б. Вайнштейн и П.М. Эберт. Практическая реализация современного алгоритма ОЧУС была предложена П.Х.Мусом. Ж.Ж. Ван де Бик, Т.М. Шмидл, P.A. Пачеко разработали алгоритмы оценки параметров сигналов в системах с ОЧУС. А.И. Фалько, В.И. Носов предложили алгоритмы комплексирования разнесенного приема сигналов с ОЧУС. В.М. Вишневский, И.В. Шахнович, С.Л. Портной в своих работах классифицировали и исследовали системы беспроводной передачи данных на основе ОЧУС. Однако, в литературе отсутствуют исследования по применению алгоритма прерывистой передачи данных в системах с ОЧУС.

Таким образом, данная диссертационная работа является актуальной с научной и инженерной точек зрения.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является синтез эффективных алгоритмов передачи и обработки информации по критерию минимума вероятности ошибочного приема.

В соответствии с целью диссертационной работы были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка алгоритма прерывистой передачи для систем передачи информации в каналах с замираниями, эффективного по критерию минимума вероятности ошибочного приема;

2. Разработка алгоритма прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС, эффективного по критерию минимума вероятности ошибочного приема;

3. Комплексирование алгоритмов прерывистой передачи данных и разне-

сенного приема/передачи сигналов в каналах с замираниями; 4. Разработка алгоритма оценки параметров сигнала с ортогональным частотным уплотнением (ОЧУ), оптимального по критерию максимума правдоподобия.

Методы исследования базируются на общих методах системного ала-лиза, в частности на использовании теории вероятностей, математической статистики, случайных процессов, оптимального приема, численного и имитационного моделирования.

Научная новизна диссертации:

1. Разработан алгоритм прерывистой передачи данных для систем передачи и обработки информации в каналах с замираниями, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема.

2. Предложен алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема.

3. На основе системного анализа показано преимущество в помехоустойчивости для систем комплексирования прерывистой передачи данных с разнесенным приемом перед системами одной прерывистой передачи.

4. Показано преимущество в помехоустойчивости и спектральной эффективности при комплексировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму оптимального сложения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективный алгоритм прерывистой передачи данных для систем передачи и обработки информации в каналах с замираниями;

2. Алгоритм оценки параметров сигнала с ОЧУ, оптимальный по критерию максимума правдоподобия;

3. Результаты анализа рабочих характеристик когерентного приема при прерывистой передаче данных;

4. Эффективный алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС;

5. Результаты вероятностного анализа когерентного приема при комплексировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом;

6. Сравнительные характеристики помехоустойчивости и спектральной эффективности при комплексировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом.

Личный вклад автора

Основные результаты, выводы и рекомендации, приведенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая значимость работы:

1. В диссертации разработан алгоритм прерывистой передачи данных. Алгоритм позволяет повысить помехоустойчивость и дальность связи, либо при сохранении указанных параметров снизить мощность излучения передатчика. Например, в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами, с параметром замираний т = 0,7, при прерывистой передаче вероятность ошибки достигает Ю-3 при среднем значении ОСШ 8 дБ, в то время как без применения прерывистой передачи только при 37 дБ.

2. Разработан алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС. Алгоритм применим в существующих и перспективных системах передачи данных с ОЧУС (например, стандартов IEEE 802.16 и 802.11).

3. Комплексирование прерывистой передачи данных с разнесенным приемом позволяет помимо увеличения помехоустойчивости повысить спектральную эффективность передаваемых данных. Например, при четырехкратном разнесенном приеме выигрыш в спектральной эффективности достигает 2,3 раза в сравнении с одиночным приемом.

4. Разработаны имитационные модели, позволяющие рассчитать выигрыш от использования прерывистой передачи данных, комплексирования прерывистой передачи с ОЧУС, с разнесенным приемом/передачей.

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

1. LXIV Научная сессия, посвящённая Дню радио. - М., 2009.

2. 12-я Международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - М., 2010.

3. 53-я Всероссийская научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». - М., 2010.

4. 63-я Международная студенческая научная конференция в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения. - С-Пб., 2010.

5. 13-я Международная научно-техническая конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - М., 2011.

6. LXVI Научная сессия, посвящённая Дню радио. - М., 2011.

7. IX Международная научная конференция ПТСПИ-2011. - Владимир-Суздаль, 2011.

8. 64-я Международная студенческая научная конференция в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения. - С-Пб., 2011.

Внедрение результатов диссертации:

1. Результаты диссертации использованы в НИР [4], что подтверждено актом о внедрении.

2. Результаты диссертации использованы в НИР в рамках проекта РФФИ 11-07-00697а, что подтверждено актом о внедрении.

3. Результаты диссертации использованы в НИР в ОАО «Концерн «Созвездие», что подтверждено актом о внедрении.

4. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, что подтверждено актом о внедрении.

5. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения, что подтверждено актом о внедрении.

6. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в Институте криптографии, связи и информатики (ИКСИ) Академии ФСБ РФ.

7. Результаты диссертации опубликованы в учебных пособиях [5], [6] и [7], что подтверждено актом о внедрении.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях по перечню ВАК, 3 учебных пособиях, представлены в 5 тезисах докладов на международных конференциях, 3 тезисах докладов на всероссийских конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (63 наименования), трех приложений и изложена на 139 листах машинописного текста, включая 51 рисунок.

Содержание работы

Во Введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, кратко изложено содержание работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ предметной области исследований. С этой целью проанализированы принципы построения, особенности функционирования, преимущества и недостатки систем с ОЧУС. Проведена классификация факторов, снижающих помехоустойчивость систем с ОЧУС.

Получен алгоритм оценки параметров

1)е; 2)в=[в0,...,вК-1]т- 3) е = [5о,-,дь-1}Т, (1)

оптимальный по критерию максимума правдоподобия. В (1) е = Л/Тп - относительный частотный сдвиг; А/ - частотный сдвиг; вп - отчеты фазового шума; д). - значение частотной характеристики канала для к-ой поднесущей.

Сформулирована функция правдоподобия

v (г, е, в, g) = Р (г|е, в, g) p(e)p(0)p(g), (2)

где

г = EPFffDWg 4- v,

г - принятый символ сигнала с ОЧУС; Е = diag ...,e,:M« "'j ^

- матрица частотного сдвига, вызванного смещением несущей частоты; Р = diag ^[l, е1в°,..., - матрица фазового шума; F - матрица прямого пре-

образования Фурье; D = diag{d); d - вектор передаваемых данных; W € CNxL - ортогональная унитарная матрица, удовлетворяющая условиям: F = [W|V] ( V е CNx(N~L*> ), WHV = О, WWH + VVH = I; v - вектор аддитивного шума.

Найдены оценки параметров (1), оптимальные по критерию максимума правдоподобия, при выполнении условия

(ё, в, g) = arg min L{e, в, g),

где L(s, в, g) - отрицательный логарифм от (2).

Проведена классификация алгоритмов оценивания параметров канала связи. Показано, что алгоритмы, использующие пилот-сигналы, применимы только для больших средних значений ОСШ и при неглубоких замираниях (менее 30 дБ).

Во второй главе разработаны принципы прерывистой передачи данных (ППД).

Разработан алгоритм ППД (рис. 1) для узкополосных каналов с замираниями.

Алгоритм (рис. 1) представляет собой два тракта приема-передачи сигналов (на линии «вверх» и «вниз»), через которые проходит контур с обратной связью.

Установлено, что алгоритм ППД является эффективным по критерию минимума вероятности ошибки при постоянной скорости передачи данных.

Показано, что для обеспечения работы алгоритма (рис. 1) необходимо выполнение следующих условий:

1. работа системы во временном дуплексном режиме передачи данных (TDD);

2. 2Т << т, где Т - время распространения сигнала по линии связи, г интервал корреляции огибающей сигнала во времени.

Показано, что основными недостатками способа ППД являются: необходимость значительных задержек сигналов; необходимость передачи данных

Рис. 1. Алгоритм прерывистой передачи данных: 7 - текущее значение ОСШ; ЪАС ~ уровень порога на абонентской станции (АС); 7гвс - уровень порога на базовой станции (БС); й, ¿2 - передаваемые символы; ¿,¿2 - оценки значений принятых символов; ПрД Б С - передатчик базовой станции, ПрМ АС - приемник абонентской станции

с более высокой скоростью и, как следствие этого, расширение спектра сигнала на величину, обратно пропорциональную коэффициенту использования радиолинии г].

Определено два варианта использования порога ^ для алгоритма (рис. 1):

1. фиксированный порог;

2. плавающий порог, кратный среднему значению ОСШ ^ = к'уо-Доказано, что применение фиксированного порога 74 приводит к изменению коэффициента использования радиолинии г/, а применение порога

7г = /с70 обеспечивает фиксированное значение 77 при произвольных средних

значениях ОСШ уо-

Показано, что для обеспечения фиксированной скорости передачи данных необходимо, чтобы уровень порога на базовой станции (БС) 74БС был коррелирован с уровнем порога на абонентской станции (АС) ^АС ■

Получены характеристики помехоустойчивости приемника с ОФМ-2 при использовании ППД в каналах с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами, при идеальной синхронизации и фазовом рассогласовании.

Получены зависимости вероятности ошибки при фазовом рассогласовании в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами при наличие ППД

Рпак„Ы) ~

гут 1 / тп / <у

-с/и/^^-ех р(--)) <*у]х

Г (т) \7о

т 1 — ехр--

7о У У 2тг/О(7)

(3)

На рис. 2 представлены зависимости вероятностей ошибки от среднего значения ОСШ при ППД в сравнении с вероятностью ошибки без ППД в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами.

Го>дБ

Рис. 2. Зависимости вероятностей ошибки от среднего значения ОСШ при ППД при наличие фазового рассогласования (пунктирная кривая) в сравнении с вероятностью ошибки при неидеальной синхронизации без ППД (сплошная кривая) в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами, т = 0,7

Из рис. 2 следует, что применение ППД позволяет значительно снизить вероятность ошибки в системах передачи данных. В диссертации показано, что в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами, с параметром замираний то = 0,7, при ППД вероятность ошибки достигает 10~3 при среднем значении ОСШ 8 дБ, в то время как без применения ППД только при 37 дБ.

Найдена дисперсия разности фаз при наличии ППД в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами

Показано, что применение прерывистой передачи данных уменьшает дисперсию разности фаз. В канале с замираниями (то = 0, 7) при некогерентном приеме сигналов ОФМ-2 в диапазоне значений среднего ОСШ от 10 до 15 дБ снижение D(70) составляет порядка 10 дБ.

В третьей главе разработаны принципы прерывистой передачи данных в системах с ОЧУС.

Получен алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС (рис. 3).

Алгоритм (рис. 3) является модификацией алгоритма (рис. 1) с учетом многоканального приема-передачи.

Показано, что при функционировании алгоритма (рис. 3) для каждой из поднесущих, рассматриваемой в отдельности, замирания являются неселективными по частоте, а для сигнала с ОЧУ в целом - частотно-селективными.

Установлено, что алгоритм ППД для систем с ОЧУС является эффективным по критерию минимума вероятности ошибки при постоянной скорости передачи данных.

Построена имитационная модель системы передачи данных, функционирующей по алгоритму ППД для систем с ОЧУС (рис. 3). Параметры модели: вид модуляции QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), число поднесущих 512, длительность символа ОЧУС tc = 20,48 мкс, временной дуплекс (TDD), канал с замираниями огибающей сигнала с распределением Рэлея. Задержка сигнала Т от 116 мкс до 300 мкс. Длительность замираний т = 10 —20 мс, то есть выполнено условие T + tc « т и огибающая сигнала практически не подвергалась изменениям за время передачи символа.

Произведено сравнение вероятностей ошибки от среднего ОСШ (рис. 4) для случая комплексирования ППД с ОЧУС и случая использования ОЧУС без ППД. Сравнение показало, что предложенный алгоритм обеспечил существенный выигрыш в помехоустойчивости, а именно, при среднем значении

7Г OG

£>Ы

. J Г(то) U

2 Г Т'1 fm

то

— ехр

Рис. 3. Алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС: 7 -текущее значение ОСШ; 7<асП - уровень порога для п-ой поднесущей в приемнике АС; 7(бсП - уровень порога для п-ой поднесущей в приемнике БС; (1, с£2 -передаваемые символы с ОЧУС; <¿„,¿2« = «п + - оценки значений принятых символов с ОЧУС для п-ой поднесущей; ПрД БС - передатчик базовой станции, ПрМ АС - приемник абонентской станции

ОСШ 10 дБ вероятность ошибки уменьшается более, чем в 10 раз.

Показано, что при применении ППД в системах с ОЧУС снижается отношение пиковой мощности сигнала к средней.

В четвертой главе обоснована целесообразность применения алгоритмов разнесенного приема/передачи сигналов, проведена классификация алго-

Рис. 4. Зависимости вероятностей ошибки от среднего значения ОСН1 для алгоритма передачи данньк при ППД в системах с ОЧУС (кривая 2) и в системах ОЧУС без ППД (кривая 1). Теоретические зависимости - сплошные линии; результат имитационного моделирования - точки

ритмов разнесенного приема (РГ). Проведен анализ влияния алгоритмов РП на помехоустойчивость систем передачи данных в каналах с замираниями.

Обоснована целесообразностькомплексирования ППД с разнесенным приемом/передачей сигналов.

Для случая замираний огибаищей сигнала с распределением Накагами, при идеальной синхронизации и фазовом рассогласовании получены: аналитические выражения вероятностей ошибок от среднего значения ОСШ, зависимости дисперсий разности фаз от среднего значения ОСШ, при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора и оптимального сложения; аналитические значения плотностей вероятности ОСШ при разнесенном приеме, при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора и оптимального сложения. Проведено сравнение помехоустойчивости системы передачи данных с ФМ-2 для случая комплексирования ППД и РП с помехоустойчивостью системы передачи данных для случая РП.

Получена дисперсия разности фаз для случая РП при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора с некоррелированными замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами в каждом канале при ППД

7Г СО

м 2 Гуп-1 ( т

- <Р Г(т) — ехр --

Ч7о V 7о/ /

х 1

-7Г То

Г(т) / 2тг/О(7)

Рис. 5. Сравнение дисперсий разности фаз для случаев: а) 4х, 8ми- кратного (соответственно М = 4 и М = 8 ) РП при объединении ветвей разнесения по алгоритму оптимального сложения (пунктар); б) комплексирования ППД и РП (сплошная линия); и в) без разнесения (М = 1) в канале с некоррелированными замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами

На рис. 5 изображены дисперсии разности фаз для случаев РП, комплексирования ППД и РП и одиночного приема.

Установлено (рис. 5), что: применение ППД снижает дисперсию разности фаз; с увеличением числа ветвей разнесения выигрыш от комплексирования ППД и РП уменьшается, и уже при 8-ми ветвях разнесения влияние ППД на дисперсию разности фаз практически отсутствует.

На рис. 6 изображены зависимости вероятностей ошибки от среднего значения ОСШ для случая РП при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора и оптимального сложения, и для случая комплексирования ППД с РП при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора и оптимального сложения.

Рис. 6. Зависимости вероятностей ошибки от среднего значения ОСШ в канале с некоррелированными замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами (тп = 0.7) в каждой ветви разнесения для случаев 2х, 4х, 8ми-кратного (соответственно М = 2,М = 4иМ = 8) РП при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора (а) и оптимального сложения (б) (пунктирные кривые) и для случая комплексирования ППД с РП при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора (а) и оптимального сложения (б) (сплошные кривые) при неидеальной синхронизации

Проведено сравнение вероятностей ошибки от среднего значения ОСШ для случая РП при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора и оптимального сложения, и для случая комплексирования ППД с РП при объединении ветвей разнесения по алгоритмам автовыбора и оптимального сложения (рис. 6). Установлено, что алгоритмы комплексирования ППД с РП целесообразно применять при объединении ветвей разнесения по алгоритму оптимального сложения, так как в этом случае достигается наибольший выигрыш в помехоустойчивости (см. рис. 6)

Основные результаты и выводы

1. Разработан алгоритм прерывистой передачи для систем передачи информации в каналах с замираниями, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема. Например, в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами, с параметром замираний т = 0,7, при среднем значении ОСШ, равном 10 дБ, применение ППД обеспечивает уровень вероятности ошибки Ю-5, но без ППД только Ю-1.

2. Разработан алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема.

[ 3. Предложено и исследовано комплексирование алгоритмов ППД с РП при различном объединении ветвей разнесения на предмет влияния на

помехоустойчивость, в каналах с замираниями. Например, при комплек-сировании ППД с РП при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора при М = 4 вероятность ошибки достигает Ю-7 при среднем значении ОСШ 13 дБ, в то время как при РП без ППД только при 25 дБ.

4. Получены оценки параметров сигнала с ОЧУ, оптимальные по критерию максимума правдоподобия.

5. Установлено, что при применении ППД в системах с ОЧУС снижается отношение пиковой мощности сигнала к средней. Например, для канала с замираниями огибающей сигнала с распределением Рэлея при 7г = 70 указанное отношение уменьшается на 4, 3 дБ.

Список публикаций

1. Андрианов И.М. Повышение спектральной эффективности систем связи с ортогональным частотным уплотнением в каналах со случайными параметрами // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. - 2010.

- № 4. - С. 70-77.

2. Шахтарин Б.И., Андрианов М.Н., Андрианов И.М. Применение прерывистой связи в каналах со случайными параметрами для передачи узкополосных сигналов и сигналов с ортогональным частотным разделением // Радиотехника и электроника. - 2009. - Т.54, № 10. - С. 1237-1244.

3. Андрианов М.Н., Киселев И.Г., Андрианов И.М. Помехоустойчивость линий связи с коррелированными рэлеевскими замираниями уровней сигналов // Проектирование и технология электронных средств. - 2010. - № 3.

- С. 38-43.

4. Исследование алгоритмов синхронизации в системах связи. Раздел 2.4 // Научно-технический отчет о НИР «Фундаментальные проблемы создания АУИС». Шифр «КЕДР-5». / НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Рук. Темы Борзов А.Б., Исп. Андрианов И.М. [и др.]: ГР№: 012-009-648-25. -М., 2010. - 246 с.

5. Системы с ортогональным частотным уплотнением сигналов. Приложение 10 // Случайные процессы. Примеры и задачи. Учеб. Пособие для вузов / В.И. Тихонов [и др.] - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - Т.5. Оценка сигналов, их параметров и спектров. Основы теории информации.

- 400 с.

6. Основы моделирования случайных процессов. Лабораторный практикум / И.М. Андрианов [и др.] - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. -4.1. -77 с.

7. Синхронизация в радиосвязи и навигации: Учеб. пособие / Б.И. Шахта-рин [и др.] - М.: Горячая линия-Телеком, 2011. - 278 стр.

8. Андрианов И.М., Себекин Ю.Н., Шахтарин Б.И. Исследование методов повышения помехоустойчивости в системах с ортогональным частотным разделением сигналов // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова (М.). - 2009. - Вып. № 64. - С. 274-275.

9. Андрианов И.М. Анализ эффективности систем связи с ортогональным частотным уплотнением в каналах со случайными параметрами // Цифровая обработка сигналов и ее применение: Тез. докл. 12-й Междунар. научно-технической конф. - М., 2010. - С. 63-64.

10. Андрианов И.М. Анализ точности синхронизации систем связи в каналах с замираниями // Цифровая обработка сигналов и ее применение: Тез. докл. 13-й Междунар. научно-технической конф. - М., 2011. - С.17-19.

11. Андрианов И.М. Синхронизация сигналов в системах связи в каналах с замираниями по закону Накагами // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова (М.). - 2011. - Вып. № 66. - С. 162-164.

12. Андрианов М.Н., Киселев И.Г., Андрианов И.М. Помехоустойчивость линий связи с коррелированными рэлеевскими замираниями уровней сигналов // ПТСПИ-2011: Тез. докл. IX Международной научной конф. -Владимир-Суздаль, 2011. - С. 125-129.

13. Андрианов И.М. Влияние алгоритмов синхронизации на эффективность систем связи с ортогональным частотным уплотнением в каналах со случайными параметрами // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: Труды 53-й Всерос. научной конф. МФТИ. - Долгопрудный, 2010. - 4.1, Т.2 - С. 66-67.

14. Андрианов И.М., Мымриков С.А. Исследование помехоустойчивости системы передачи цифровой информации с ортогональным частотным уплотнением с канале с дискретной многолучевостью и нелинейными искажениями // 14-я Междунар. научно-техническая конф. студентов и аспирантов МЭИ: Тез. Докл. - М., 2008. - Т.1. - С. 33-34.

15. Андрианов И.М., Андрианов М.Н. Методика анализа интегрального энергопотребления мобильных терминалов систем подвижной радиосвязи

// Будущее технической науки: Тез. докл. VIII Междунар. молодежи, научно-технической конф. - Н.Новг., 2009.

16. Андрианов И.М. Исследование методов повышения помехоустойчивости в системах с ортогональным частотным разделением сигналов // Студенческая научная весна-2009: Тез. докл. общеуниверситетской научно-технической конф. - М, 2009. - T.VIII, 4.1. - С. 7-9.

17. Андрианов И.М. Повышение эффективности систем связи с ортогональным частотным уплотнением в каналах со случайными параметрами // Студенческая научная весна-2010: Тез. докл. общеуниверситетской научно-технической конф. - М., 2010. - Т.Х, 4.2. - с. 252.

Соискатель

Андрианов И.М.

Подписано к печати 17.04.12. Заказ № 260 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

61 12-5/3902

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

УДК 621.396 На правах рукописи

АНДРИАНОВ Иван Михайлович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ И ПРЕРЫВИСТОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(в технических системах); 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ, Лауреат Государственной премии СССР,

д.т.н., профессор Шахтарин Борис Ильич

Москва, 2012

Содержание

Стр.

Список сокращений 5

Введение 6

1. Системы с ОЧУС. Оценка параметров сигналов с ОЧУ 13

1.1. Постановка задачи........... ...............13

1.2. Принципы формирования систем с ортогональным частотным уплотнением сигналов........................14

1.3. Имитационное моделирование систем передачи данных на основе ОЧУС ..............................17

1.4. Алгоритм оценки параметров ОЧУ-сигнала, оптимальный по критерию максимума правдоподобия................ 22

1.5. Выводы к главе

1.......................... . 26

2. Использование прерывистой передачи в беспроводных системах передачи и обработки информации 28

2.1. Постановка задачи...........

...............28

2.2. Принципы прерывистой передачи данных.............31

2.2.1. Поиск оптимального значения уровня порога для прерывистой передачи в каналах с замираниями с распределением Рэлея........................35

2.2.2. Особенности помехоустойчивости приема сигналов в канале с обобщенными рэлеевскими замираниями .....40

2.3. Разработка эффективного алгоритма прерывистой передачи данных.................................46

2.4. Анализ помехоустойчивости систем передачи данных в канале

с замираниями с распределением Накагами............53

Стр.

2.5. Выводы к главе 2...........................70

3. Применение алгоритмов прерывистой передачи данных совместно с ОЧУС 74

3.1. Постановка задачи..........................74

3.2. Разработка алгоритма прерывистой передачи данных в системах с ОЧУС..............................75

3.3. Имитационное моделирование алгоритма прерывистой передачи данных в системах с ОЧУС...................81

3.4. Выводы к главе 3...........................84

4. Комплексирование прерывистой передачи данных и разнесенного приема 85

4.1. Постановка задачи..........................85

4.2. Анализ помехоустойчивости при комплексировании прерывистой передачи данных и разнесенного приема при объединении ветвей по алгоритму автовыбора..................86

4.3. Анализ помехоустойчивости при комплексировании прерывистой передачи данных и разнесенного приема при объединении ветвей по алгоритму оптимального сложения...........104

4.4. Поиск оптимального значения уровня порога при комплексировании прерывистой передачи данных и разнесенного приема с оптимальным сложением ветвей разнесения в каналах с замираниями с распределением Накагами ...............118

4.5. Выводы к главе 4...........................121

Общие выводы 124

Список литературы 126

Стр.

Приложение 1. Вычисление порогового уровня через уровень

1ЯЧ

мощности сигнала ±0°

Приложение 2. Плотности вероятности распределения ОСШ в канале с замираниями по закону обобщенного Рэлея 136

Приложение 3. Вывод формулы вероятности ошибочного приема в канале с обобщенным распределением Рэлея при непрерывной передаче 138

Список сокращений

АС - абонентская станция;

БС - базовая станция;

БГШ - белый гауссов шум;

БПФ - быстрое преобразование Фурье;

ДПФ - дискретное преобразование Фурье;

ЗИ - защитный интервал;

ИХ - импульсная характеристика;

МСИ - межсимвольная интерференция;

ОБПФ - обратное быстрое преобразование Фурье;

ОСШ - отношение сигнал / шум;

ОЧУ - ортогональное частотное уплотнение;

ОЧУС - ортогональное частотное уплотнение сигналов;

ПРВ - плотность распределения вероятности;

СПМ - спектральная плотность мощности;

ФП - функция правдоподобия;

DVB-T - Digital Video Broadcasting-Terrestrial (европейский стандарт эфирного (наземного) цифрового вещания).

Введение

Актуальность темы

Для систем беспроводной передачи данных, функционирующих в условиях мультипликативных помех, актуальным является повышение их эффективности. Повышение помехоустойчивости систем передачи и обработки информации, как одного из показателей эффективности, вступает в противоречие с задачами по увеличению другого показателя эффективности, а именно спектральной эффективности. Проблема увеличения помехоустойчивости может быть решена методами системного анализа, при минимизации потерь спектральной эффективности.

В современных каналах передачи данных с замираниями значительное ослабление сигналов вызывает резкое снижение отношения сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника. Это приводит к резкому снижению точности синхронизации и помехоустойчивости. Для борьбы с замираниями применяются алгоритмы разнесенного приема/передачи сигналов, символьное перемеже-ние с помехоустойчивым кодированием.

При прохождении сигналов по каналам передачи данных, возникает межсимвольная интерференция (МСИ), значительно искажающая форму сигнала. Одним из эффективных способов борьбы с МСИ является применение систем с ортогональным частотным уплотнением сигналов (далее ОЧУС; англ. OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Подканалы в системах с ОЧУС практически не испытывают влияние МСИ, однако, могут иметь значительные локальные затухания, возникающие вследствие многолучевости (ТО дБ и более).

Алгоритмы ОЧУС широко используются в:

1. Системах беспроводной передачи данных стандарта WiFi (IEEE 802.11), работающих в диапазоне 2.4-5 ГГц.

2. Системах беспроводной передачи данных стандарта WiMAX (IEEE

802.16 [33]), работающих в диапазоне от 2 до 6 ГГц.

3. Системах цифрового телевидения стандартов DVB-T и DVB-T2 (47 — 862 МГц).

Алгоритмы разнесенного приема/передачи помимо стандартов WiFi и WiMAX используются в базовых станциях систем сотовой связи стандарта GSM, работающих в диапазоне 800 — 900 МГц.

Для борьбы с локальными затуханиями сигналов целесообразно применять алгоритмы прерывистой передачи данных, разработке которых посвящена данная диссертация.

Применение алгоритмов прерывистой передачи накладывает на беспроводные системы передачи данных следующие ограничения:

1. по несущей частоте (/нес от 30 МГц до 30 ГГц);

2. по полосе сигнала /нес/А/ > 80 - 100, где А/ - ширина полосы;

3. по среднему значению ОСШ на входе приемника (больше 8-10 дБ);

4. функционирование в каналах с медленными неселективными по частоте замираниями.

Исследованиям повышения помехоустойчивости передачи данных с использованием прерывистой передачи в беспроводных каналах посвящено ограниченное число работ. Одним из первых прерывистую передачу данных в каналах с замираниями предложили использовать А.Г. Зюко [5] и Д.Д. Клов-ский [6]. B.C. Мельников и др. разработали алгоритмы прерывистой передачи данных для систем с обратной связью [18]. Л. Ханзо, С. Вонг [53] предложили использовать многопороговые системы прерывистой передачи данных. Однако, проводимые ранее исследования помехоустойчивости передачи данных касались только одиночного приема, не затрагивали каналов, отличных от рэлеевских и метеорных.

Большой вклад в исследования систем передачи данных с разнесенным приемом/передачей внесли JI.M. Финк, И.С. Андронов [2] и У.К. Ли [24],

классифицировав виды разнесения и разработав различные алгоритмы объединения ветвей разнесения. Однако, в литературе отсутствуют исследования по комплексированию прерывистой передачи данных и разнесенного приема.

Принцип ОЧУС впервые предложили С.Б. Вайнштейн и П.М. Эберт [31]. Практическая реализация современного алгоритма ОЧУС была предложена П.Х.Мусом [35]. Ж.Ж. Ван де Бик [36], Т.М. Шмидл [45], P.A. Пачеко разработали алгоритмы оценки параметров сигналов в системах с ОЧУС. А.И. Фалько, В.И. Носов предложили алгоритмы комплексирования разнесенного приема сигналов с ОЧУС. В.М. Вишневский, И.В. Шахнович, С.Л. Портной [14] в своих работах классифицировали и исследовали системы беспроводной передачи данных на основе ОЧУС. Однако, в литературе отсутствуют исследования по применению алгоритма прерывистой передачи данных в системах с ОЧУС.

Таким образом, данная диссертационная работа является актуальной с научной и инженерной точек зрения.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является синтез эффективных алгоритмов передачи и обработки информации по критерию минимума вероятности ошибочного приема.

В соответствии с целью диссертационной работы были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка алгоритма прерывистой передачи для систем передачи информации в каналах с замираниями, эффективного по критерию минимума вероятности ошибочного приема;

2. Разработка алгоритма прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС, эффективного по критерию минимума вероятности ошибочного приема;

3. Комплексирование алгоритмов прерывистой передачи данных и разне-

сенного приема/передачи сигналов в каналах с замираниями;

4. Разработка алгоритма оценки параметров сигнала с ортогональным частотным уплотнением (ОЧУ), оптимального по критерию максимума правдоподобия.

Методы исследования базируются на общих методах системного анализа, в частности на использовании теории вероятностей, математической статистики, случайных процессов, оптимального приема, численного и имитационного моделирования.

Научная новизна диссертации:

1. Разработан алгоритм прерывистой передачи данных для систем передачи и обработки информации в каналах с замираниями, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема.

2. Предложен алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема.

3. На основе системного анализа показано преимущество в помехоустойчивости для систем комплексирования прерывистой передачи данных с разнесенным приемом перед системами одной прерывистой передачи.

4. Показано преимущество в помехоустойчивости и спектральной эффективности при комплексировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму оптимального сложения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективный алгоритм прерывистой передачи данных для систем передачи и обработки информации в каналах с замираниями;

2. Алгоритм оценки параметров сигнала с ОЧУ, оптимальный по критерию максимума правдоподобия;

3. Результаты анализа рабочих характеристик когерентного приема при

прерывистой передаче данных;

4. Эффективный алгоритм прерывистой передачи данных для систем с

ОЧУС;

5. Результаты вероятностного анализа когерентного приема при комплек-сировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом;

6. Сравнительные характеристики помехоустойчивости и спектральной эффективности при комплексировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом.

Личный вклад автора

Основные результаты, выводы и рекомендации, приведенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая значимость работы:

1. В диссертации разработан алгоритм прерывистой передачи данных. Алгоритм позволяет повысить помехоустойчивость и дальность связи, либо при сохранении указанных параметров снизить мощность излучения передатчика. Например, в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами, с параметром замираний т = 0,7, при прерывистой передаче вероятность ошибки достигает 10~3 при среднем значении ОСШ 10 дБ, в то время как без применения прерывистой передачи только при 37 дБ.

2. Разработан алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС. Алгоритм применим в существующих и перспективных системах передачи данных с ОЧУС (например, стандартов IEEE 802.16 и 802.11).

3. Комплексирование прерывистой передачи данных с разнесенным приемом позволяет помимо увеличения помехоустойчивости повысить спектральную эффективность передаваемых данных. Например, при четырехкратном разнесенном приеме выигрыш в спектральной эффектив-

ности достигает 2,3 раза в сравнении с одиночным приемом.

4. Разработаны имитационные модели, позволяющие рассчитать выигрыш от использования прерывистой передачи данных, комплексирования прерывистой передачи с ОЧУС, с разнесенным приемом/передачей.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. ЬХ1У Научная сессия, посвящённая Дню радио. - М.: 2009.

2. 12-я Международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - М.: 2010.

3. 53-я Всероссийская научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». - М.: 2010.

4. 63-я Международная студенческая научная конференция в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения. - С-Пб.: 2010.

5. 13-я Международная научно-техническая конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - М.: 2011.

6. ЬХУ1 Научная сессия, посвящённая Дню радио. - М.: 2011.

7. IX Международная научная конференция ПТСПИ-2011. - Владимир-Суздаль: 2011.

8. 64-я Международная студенческая научная конференция в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения. - С-Пб.: 2011.

Внедрение результатов диссертации:

1. Результаты диссертации использованы в НИР [58], что подтверждено актом о внедрении.

2. Результаты диссертации использованы в НИР в рамках проекта РФФИ 11-07-00697а, что подтверждено актом о внедрении.

3. Результаты диссертации использованы в НИР в ОАО «Концерн «Созвездие», что подтверждено актом о внедрении.

4. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, что подтверждено актом о внедрении.

5. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения, что подтверждено актом о внедрении.

6. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в Институте криптографии, связи и информатики (ИКСИ) Академии ФСБ РФ.

7. Результаты диссертации опубликованы в учебных пособиях [13], [56] и [57], что подтверждено актом о внедрении.

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях по перечню ВАК, 3 учебных пособиях, представлены в 5 тезисах докладов на международных конференциях, 3 тезисах докладов на всероссийских конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (63 наименования), трех приложений и изложена на 139 страницах, включая 51 рисунок.

1. Системы с ОЧУС. Оценка параметров сигналов с ОЧУ

1.1. Постановка задачи

В последнее время наблюдается бурное развитие систем на основе ортогонального частотного уплотнения сигналов (ОЧУС) как ведущей технологии в высокоскоростных системах передачи данных. Это происходит, поскольку применение технологии делает возможной высокоскоростную передачу данных и препятствует межсимвольной интерференции (МСИ), появляющейся в канале с замираниями.

С другой стороны, использование систем на основе ОЧУС с большим количеством поднесущих имеет недостатки. Главный из них заключается в высокой чувствительности к синхронизации рассогласований между гетеродинами передатчика и приемника [30]. В частности, некорректная временная синхронизация может привести к интерференции между соседними символами и стать причиной резкого ухудшения характеристик системы передачи данных. Кроме того, сдвиг несущей частоты приводит к снижению амплитуды полезного сигнала и способствует возникновению интерференции между смежными поднесущими.

Кроме того, ОЧУС-системы, имея отличную от систем с единственной несущей структуру, располагают иными ресурсами, и к ним предъявляются другие требования. Так, например, вследствие большей длительности символа и наличия защитного интервала, они имеют меньшую чувствительность к ошибкам временной синхронизации. Требования, предъявляемые к частотной синхронизации, напротив, являются более жесткими из-за узости полосы, занимаемой каждой из поднесущих. Вместе с тем структура ОЧУС-систем позволяет использовать новые методы осуществления синхронизации, недо-

ступные для систем с одной несущей.

1.2. Принципы формирования систем с ортогональным частотным уплотнением сигналов

Ортогональное частотное уплотнение сигналов (ОЧУС, англ. - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)) представляет собой специальный случай одновременной передачи потока цифровых данных по многим частотным каналам (со многими несущими или поднесущими колебаниями). Данная технология передачи в настоящее время рассматривается как одна из наиболее перспективных для построения широкополосных систем цифровой радиосвязи по многолучевым каналам, обеспечивающая достаточно высокую спектральную эффективность этих систем. Одним из привлекательных свойств данной технологи