Алгоритмы оценки параметров символьной и частотной синхронизации в мобильных OFDM-системах радиосвязи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Майков, Денис Юрьевич

• Майков, Денис Юрьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Майков, Денис Юрьевич

Оглавление

Введение

1. Оценка смещения по времени принятого си - juia синхронизации в мобильных OFDM-системах связи

1.1 Описание цифровой модели мобильной ОГ '-системы радиосвязи

1.1.1 Эффект Доплера

1.1.2 Условия моделирования

1.2 Алгоритмы для символьной синхронизации ъ мобильных OFDM-системах радиосвязи

1.2.1 Алгоритм SCA для оценки смещения по вротттони

1.2.2 Алгоритм Minn для оценки смещения по времени

1.2.3 Алгоритм Choi для оценки смещения по вр'-ЭГши

1.2.4 Предлагаемый алгоритм для оценки смещения по времени

1.3 Выводы

2. Оценка рассогласования частоты гетеродинов приемника и передатчика мобильной OFDM-системы радиосвязи

2.1 Исследование зависимости уровня межканальной помехи от ухода частоты гетеродина

2.2 Алгоритм SCA для оценки рассогласования частоты гетеродинов

2.3 Алгоритм Minn для оценки рассогласования частоты гетеродинов

2.4 Алгоритм WeiXu для оценки рассогласования частоты гетеродинов

2.5 Предлагаемый алгоритм оценки рассогласования частоты гетеродинов

2.6 Выводы

3. Экспериментальное исследование предложенных алгоритмов в лабораторных условиях

3.1 Структура и формирование сигнала синхронизации

3.2 Методика эксперимента в лабораторных условиях

3.3 Обработка экспериментальных сигналов и сравнение с результатами моделирования

3.4 Выводы

4. Описание экспериментальных исследований предложенных алгоритмов на

реальных трассах РРВ

4.1 Описание приемного и передающего оборудования

4.2 Проверка экспериментального оборудования

4.3 Классификация исследуемых трасс

4.4 Методика проведения эксперимента на реальных трассах РРВ

4.5 База экспериментальных данных

4.6 Экспериментальная оценка смещения по времени принятого сигнала синхронизации в окне регистрации

4.7 Экспериментальная оценка рассогласования частоты сигнала гетеродинов

приемника и передатчика

Заключение

Список литературы

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы оценки параметров символьной и частотной синхронизации в мобильных OFDM-системах радиосвязи»

Введение

Актуальность. Системы радиосвязи повсеместно используются в различных сферах деятельности человека и в настоящее время активно развиваются: возрастают дальность действия радиосвязи, скорость передачи данных, количество одновременно обслуживаемых абонентов, и т.д. Вместе с этим повышаются и требования к системе синхронизации, применяемой для автоматического поддержания параметров сигналов, генерируемых в приемнике (частота несущей, тактовая частота и т.д.), а также определения времени начала обмена информационными сигналами, которое зависит от расстояния «передатчик -приёмник».

Необходимость применения системы синхронизации обусловлена дрейфом частоты гетеродинов в приемнике и передатчике, а также изменением временных интервалов приёма сигналов из-за перемещения абонентов системы радиосвязи.

В современных цифровых системах радиосвязи (ЦСР) подсистема синхронизации представляет собой комплекс программно-аппаратного обеспечения, в котором реализованы алгоритмы оценки рассогласования параметров сигналов, генерируемых в приемнике и передатчике (несущая частота, смещение по времени относительно начала времени приема сигнала и т.д.), относительно номинальных.

В настоящее время широкое распространение получили мобильные ЦСР, использующие OFDM-сигналы (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing -OFDM) [1, 2], представляющие собой сумму ортогональных, перекрывающихся по спектру гармонических сигналов. Такие сигналы чувствительны к межчастотной интерференции, что обуславливает необходимость применения частотной синхронизации [3].

В мобильных системах радиосвязи с временным разделением каналов расстояние между передатчиком и приёмником может изменяться, и без символьной синхронизации [4] возможна интерференция информационных сигналов смежных временных каналов.

Частотная и символьная синхронизация в ОБОМ-системах радиосвязи осуществляется путём цифровой обработки сигналов с известными параметрами (несущая частота, длительность и т.д.), называемых в диссертационной работе сигналами синхронизации.

Шумы различной природы [5], временные и частотно-селективные искажения сигнала синхронизации приводят к нарушению ортогональности поднесущих ОБОМ-сигнала и межсимвольной интерференции информационных сигналов смежных временных каналов [6, 7].

Основные работы по разработке, исследованию и практическому применению алгоритмов цифровой обработки сигналов синхронизации для ОББМ-систем радиосвязи, датируются концом 20-го началом 21-го века, в связи с появлением высокопроизводительных микропроцессоров. Первые теоретические исследования и разработки алгоритмов цифровой обработки сигналов частотной и символьной синхронизации ОББМ-систем радиосвязи выполняли Т.М. Шмидл, Д.С. Кокс, У.Д. Уорнер, Ж.Ж. ван де Бик, а несколько позже проблемами синхронизации стали заниматься отечественные учёные Ю.Б. Зубарев, Б.И. Шахтрин, А.П. Солодовников, И.А. Батырев, Г.В. Свистунов, М.С. Малютин и др. [8-20].

Автором диссертационной работы показано, что при использовании в ОББМ-системах радиосвязи известных алгоритмов цифровой обработки сигналов синхронизации в условиях частотно-селективных замираний и скорости взаимного перемещения приёмника и передатчика не менее 60 км/ч, имеет место нарушение ортогональности в принятых ОББМ-сигналах и межсимвольная интерференция. Кроме того, такие алгоритмы требуют значительного числа вычислительных операций и сравнительно дорогостоящих комплектующих.

В настоящей работе предлагаются алгоритмы цифровой обработки сигналов синхронизации, которые позволяют относительно известных алгоритмов в значительной мере улучшить качество радиосвязи при скорости взаимного перемещения приемника и передатчика не менее 60 км/ч в условиях частотно-селективных замираний и межсимвольной интерференции. Для указанных условий

автором представлены теоретические и экспериментальные результаты реализации алгоритмов: оценки ухода частоты гетеродина приемника относительно частоты гетеродина передатчика (далее оценка рассогласования частоты гетеродинов), а также оценки смещения по времени принятых сигналов синхронизации [21-23].

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена современными тенденциями к совершенствованию мобильных систем цифровой радиосвязи. С одной стороны, возрастают дальность действия, скорость передачи данных, количество одновременно обслуживаемых абонентов и т.д. С другой стороны, ужесточаются условия работы таких систем - наряду с частотно-селективными замираниями необходимо обеспечить требуемое качество радиосвязи при передвижении абонентов со скоростью не менее 60 км/ч.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование для мобильных ОРБМ-систем радиосвязи алгоритмов оценки рассогласования частоты гетеродинов и оценки смещения по времени сигналов синхронизации, обеспечивающих уменьшение среднеквадратического отклонения (СКО) ошибки оценки не менее чем на 30%, по отношению к наиболее точным известным аналогичным алгоритмам при воздействии многолучевого канала РРВ и скорости перемещения абонентов не менее 60 км/ч.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- Исследование путем цифрового моделирования алгоритмов оценки смещения по времени сигнала синхронизации и оценки рассогласования частоты гетеродинов для мобильных ОБОМ-систем радиосвязи и получение для каждого из них зависимости СКО ошибки оценки соответствующего параметра от отношения сигнал/шум (ОСШ) при наличии искажений сигнала синхронизации, вносимых многолучевым каналом РРВ и эффектом Доплера (скорость перемещения абонента не менее 60 км/ч).

- Разработка алгоритма оценки смещения по времени сигнала синхронизации для мобильных ОРБМ-систем радиосвязи, который позволяет при влиянии эффекта Доплера и искажениях, вносимых многолучевым каналом РРВ получить

СКО ошибки оценки меньше в два и более раз по отношению лучшему из рассмотренных аналогичных алгоритмов.

- Сравнение, полученных при помощи моделирования, зависимостей СКО ошибки оценки смещения по времени сигнала синхронизации, полученных для предложенного и рассмотренных аналогичных алгоритмов.

- Разработка алгоритма оценки рассогласования частоты гетеродинов для мобильных ОРЭМ-систем радиосвязи, который позволяет при влиянии эффекта Доплера и искажениях, вносимых многолучевым каналом РРВ уменьшить СКО ошибки оценки не менее чем на 30%, по отношению к лучшему из рассмотренных аналогичных алгоритмов.

- Сравнение путем цифрового моделирования алгоритмов оценки рассогласования частоты гетеродинов мобильной ОРБМ-системы радиосвязи зависимостей СКО ошибки оценки рассогласования частоты гетеродинов, полученных для предложенного и рассмотренных аналогичных алгоритмов.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач были использованы методы линейной алгебры, теории статистической радиотехники, корреляционного анализа, цифрового моделирования.

Научная новизна работы:

1. Разработаны новые алгоритмы, позволяющие уменьшить СКО ошибки оценки рассогласования частоты гетеродинов приемника и передатчика мобильной ОРБМ-системы радиосвязи не менее чем на 30% и СКО ошибки оценки смещения по времени сигнала синхронизации минимум в два раза по отношению к наиболее точным известным аналогичным алгоритмам, в условиях частотно-селективных замираний, межсимвольной интерференции и скорости перемещения абонентов не менее 60 км/ч.

2. Для мобильных ОРЭМ-систем радиосвязи, работающих в условиях частотно-селективных замираний, межсимвольной интерференции и воздействии эффекта Доплера, получены теоретические и экспериментальные результаты по зависимостям СКО ошибки оценки рассогласования частоты гетеродинов и СКО ошибки оценки смещения по времени сигнала синхронизации.

Практическая значимость полученных результатов, полученных результатов. Результаты работы внедрены в составную часть опытно конструкторских работы, выполняемых «ТУСУР» для ЗАО «НПФ Микран» в рамках х/д 74/10, о чем свидетельствует акт внедрения.

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

- Научная сессия ТУСУР-2010, г. Томск, 2010 г.;

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

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

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

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм цифровой обработки принятого сигнала синхронизации, основанный на вычислении взаимной корреляционной функции двух последовательных OFDM-сигналов одинаковой длительности и структуры, позволяет уменьшить более чем в два раза СКО ошибки оценки смещения по времени для ОСШ от 0 дБ до 25 дБ относительно алгоритмов обработки одного OFDM-сигнала той же длительности, не превышающей время когерентности канала РРВ.

2. Применение в мобильных OFDM-системах радиосвязи двухсигнальной конструкции сигнала синхронизации для предложенного алгоритма оценки рассогласования частоты гетеродинов по максимуму взаимной корреляционной функции (ВКФ), позволяет уменьшить СКО ошибки оценки не менее чем на 30%, по отношению к наиболее точному известному алгоритму, в диапазоне ОСШ от 0 дБ до 25 дБ и искажениях, внесенных многолучевым каналом РРВ с временем когерентности равным или большим длительности сигнала синхронизации.

Публикации. По теме работы опубликовано 12 научных работ, из них 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 публикаций в материалах конференций, 3 коллективных монографии, 4 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений, списка литературы, включающего 102 источников. Основная часть работы изложена на 133 страницах машинописного текста. Работа содержит 114 рисунков, 20 таблиц и 1 приложение.

1. Оценка смещения по времени принятого сигнала синхронизации в

мобильных OFDM-системах связи

Потребность в высокоскоростной передаче данных и видео - телефонии отодвинула на второй план сети радиодоступа третьего поколения (изначально призванные обеспечить работу всех необходимых для систем связи сервисов) и привела к появлению систем радиосвязи четвёртого поколения [24-30]. Формирование более жёстких требований к системам радиосвязи привело к появлению ряда стандартов (например, семейство стандартов WiMax), которые по большинству параметров удовлетворяют требованиям сетей четвертого поколения. Данные стандарты обеспечивают высокую спектральную эффективность и требуемый уровень QoS (Quality of Service) [31]. Физический уровень таких систем ориентирован на использование сигналов с ортогональным частотным уплотнением (OFDM), которые хорошо зарекомендовали себя в сетях WLAN [32].

Данный способ формирования сигналов подразумевает использование суммы множества гармонических колебаний, частоты которых выбираются исходя из условия ортогональности. Для выполнения условия ортогональности, необходимо, чтобы за длительность сигнала уложилось целое количество периодов гармонических колебаний каждого частотного подканала (поднесущими), а также, чтобы коэффициент взаимной корреляции между соседними поднесущими был равен нулю. Такой способ формирования сигнала позволяет повысить его спектральную плотность путем наложения спектров соседних поднесущих. При этом смежные поднесущие не интерферируют. Нарушение условия ортогональности приводит к межчастотной интерференции (англ. ICI - Inter Carrier Interference) [33].

Расположение поднесущих OFDM-сигнала представлено на рисунке 1.1.

Л* поднееущих

расстояние 1 / Т

/ \ / \

\

/

• • •

к

Рисунок 1.1 - Расположение поднееущих ОРОМ-сигнала

Математически, в дискретном виде, формирование ОРБМ-сигнала [34, 35] во временной области можно представить выражением:

где N - количество поднееущих, п = 0... N -1 - индекс временного отсчета, к-0...Ы-\ - индекс поднесущей,

Ск=Акет - комплексный элемент сигнального созвездия, соответствующий передаваемой битовой последовательности.

Из-за своих корреляционных свойств и псевдослучайности, которые делают временное представление сложных сигналов похожим на случайный шум, они получили название шумоподобных сигналов (ШПС). На рисунке 1.2 изображён модуль результирующего ОРОМ-сигнала во временной области, состоящий из суммы модулированных гармонических колебаний.

N

(1.1)

Сигнал во временной области 0.09 г-с-1- -с--т—

Время, мкс

Рисунок 1.2 - Модуль OFDM-сигнала во временной области

В системах радиосвязи, использующих OFDM-сигналы, для модуляции поднесущих могут использоваться: двоичная фазовая манипуляция (BPSK), квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), либо квадратурная - амплитудная манипуляция (KAM, англ. - QAM) [36-38]. Последовательный поток символов KAM модуляции преобразуется в параллельный поток, и затем каждая поднесущая модулируется по закону, описанному в (1.1).

OFDM-сигналы обладают следующими основными преимуществами:

1) Увеличение спектральной эффективности. OFDM подразумевает использование перекрывающихся ортогональных частотных подканалов, что позволяет более эффективно использовать выделенную полосу и как следствие, повысить скорость передачи данных.

2) Снижение межсимвольной интерференции и повышение устойчивости к многолучевому каналу РРВ. При преобразовании последовательного потока символов в параллельный увеличивается их длительность, поэтому OFDM-сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов [39]. Так как принятые отраженные сигналы в этом случае будут составлять меньшую часть периода символа, то их влияние окажется

несущественным. Влияние отраженных сигналов можно исключить, если добавить защитный интервал между передаваемыми сигналами. ОРОМ-сигналы имеют также и недостатки: 1) Чувствительность к межчастотной интерференции.

При возникновении не скомпенсированной разности частот приема и передачи нарушается ортогональность поднесущих, вследствие чего возникают помехи, связанные с взаимным влиянием соседних поднесущих [40]. На рисунке 1.3 знаком «+» обозначена оценка на поднесущей, а знаками «о» обозначены шумовые составляющие от соседних поднесущих.

Рисунок 1.3- Влияние смещения частоты на возникновение ICI

Таким образом, даже незначительное смещение частоты оказывает влияние на оценки квадратурных составляющих. К тому же, подразумевается, что система радиосвязи, использующая подобные типы сигналов будет мобильна. Взаимное перемещение приемника и передатчика на высоких скоростях (например, если передатчик/приёмник установлен в движущемся автомобиле) приводит к доплеровскому смещению частоты и доплеровскому расширению спектра сигнала, из-за чего нарушается ортогональность поднесущих [41]. Этот эффект требует более подробного изучения и поэтому далее ему будет посвящен отдельный раздел.

2) Большое значение пик-фактора сигнала [42].

Одним из существенных недостатков ОБОМ-сигналов является большое значение пик-фактора, который определяется как:

pAR=^MAX_

(1.2)

' AVG

где SMAX - максимально возможный уровень сигнала, SAVG - средний уровень сигнала.

Пик-фактор определяет требования к линейности аналоговых трактов передачи и разрядности ЦАП/АЦП [43]. Соответственно, чем выше его значение, тем сложнее реализация устройств, поддерживающих данный тип сигнала.

Для OFDM-сигналов SMAX определяется, как сумма амплитуд всех

используемых поднесущих, a SAVG определяется статистическим усреднением

амплитуды на тех же поднесущих. Таким образом, при большом количестве поднесущих пик-фактор может исчисляться сотнями.

Существует несколько алгоритмов для уменьшения значения пик-фактора [44]. Одним из таких алгоритмов является ограничение сигнала по уровню (Clipping), в результате чего возникают искажения в спектре сигнала, и увеличивается внеполосное излучение. Другим методом является динамическое изменение уровней модуляционных созвездий [45]. Данный метод эффективен, но требует достаточно сложных расчетов и может применяться для созвездий до КАМ-16. Также используются итеративные методы, которые предлагают поворачивать поднесущие на случайный угол и производить оценку полученного пик-фактора, после чего, в случае, если не произошло уменьшение значения пик-фактора выносится решение о еще одном повороте созвездия. Такие методы тяжело реализуемы в системах реального времени. Еще одним методом является добавление в сигнал поднесущих, предназначенных для формирования защитного интервала. Недостатком данного метода является значительное увеличение объема вычислений, связанное с выбором амплитуды и фазы поднесущих, а также нарушение спектральной маски сигнала.

Таким образом, проблема большого пик-фактора сигнала хоть и имеет решения, однако данные решения имеют ряд недостатков.

3) Аппаратная реализация.

Использование таких сложных структур сигналов требует больших вычислительных ресурсов оборудования приёмной и передающей станций и поскольку применение ОРБМ-сигналов целесообразно лишь при высоких скоростях передачи данных (десятки и сотни Мбит/с), вычисления должны производиться в реальном масштабе времени и обеспечивать минимальные задержки в системе [35].

1.1 Описание цифровой модели мобильной ОЕБМ-системы радиосвязи

Данный раздел посвящен описанию математической модели мобильной ОРБМ-системы радиосвязи, которая позволит проверить алгоритмы оценки смещения по времени принятого сигнала синхронизации, а также алгоритмы рассогласования частоты гетеродинов приемника и передатчика. Использование представленной далее математической модели ОРБМ-системы позволит получить необходимые зависимости и провести сравнительный анализ исследуемых алгоритмов.

Параллельный поток модуляционных символов, полученных путем преобразования входного потока двоичных данных, представляется как набор спектральных коэффициентов, обратное преобразование Фурье (ОБПФ) от которых позволит получить комплексные отсчеты ОРБМ-сигнала во временной области [46,47]. Представим набор спектральных коэффициентов выражением:

ск=1к+]ак, (1.3)

где 1ки£>к - действительная и мнимая часть коэффициента соответственно, к = \...Ы - индекс поднесущей.

После обработки подготовленного массива с помощью ОБПФ формируются отсчеты квадратурных составляющих (комплексный сигнал):

А(п) = ОБПф[Ск] = I(n) + jQ(n), (1.4)

здесь I(n) = I(-n) и Q(n) = -Q{-n) .

Основание преобразования Фурье как на передатчике, так и на приемнике выбирается равным количеству поднесущих используемых при формировании сигнала. Это становится возможным благодаря перестановкам спектральных коэффициентов и способу выбора частоты дискретизации.

При выборе частоты дискретизации используют коэффициенты передискретизации, определяемые как:

Kd-Fd/Fs,

где Fd - частота дискретизации, Fs - ширина полосы сигнала.

К примеру, если ширина полосы кратна 1,25; 1,5; 2 или 2,75 МГц то коэффициент принимает значение 28/25, в остальных случаях его выбирают равным 8/7 [48]. Сделано это для того, чтобы все устройства, с которыми будет происходить обмен данными, при первичной регистрации и при сканировании окружения могли определить размер рабочей полосы и число используемых поднесущих.

Рассмотрим конкретный пример. Допустим в системе используется OFDM-сигнал с рабочей полосой 10 МГц. В данном случае ширина полосы кратна частоте

I,25 МГц, поэтому частота дискретизации с учетом коэффициента 28/25 составит

II,2 МГц.

Согласно теореме Котельникова [49] частота дискретизации должна выбираться исходя из условия:

F, >2F.

a s

В этом случае, после выполнения преобразования Фурье в частотной области будет наблюдаться периодическое повторение зеркальных копий спектра с шагом Fd/2 (рисунок 1.4).

|Ск

а)

1

» Г

б)

XI

2

2

Р5

¥л/2

-I—>

Рисунок 1.4 - а) Модуль спектра исходного сигнала; б) Модуль спектра сигнала, оцифрованного с частотой > 2

При формировании массива спектральных коэффициентов Ск часть из них не используется для передачи информации. Слева и справа массива располагаются защитные интервалы, в которые записаны нулевые значения. Также обнуляется центральный элемент массива, который соответствует положению несущей частоты [50].

Для исключения влияния зеркальной копии спектра при условии = , спектральные коэффициента переставляют следующим образом:

т.е. меняются местами две половины массива, причем индекс центрального коэффициента становится первым. Сделано это для того, чтобы предотвратить появление постоянной составляющей при свертке основного спектра с зеркальным, как показано на рисунке 1.5.

С(к) = [С(Ы/2 + к) ОД], к = \,...,Ы/2,

|Ск

а)

б)

-> f

в)

Б,

-+-» Г

2Б„

Рисунок 1.5 - а) Модуль спектра исходного сигнала;

б) Модуль перестановленного спектра; в) Свертка основного спектра с зеркальным при ра - ^ При наложении спектров не происходит искажения передаваемой информации [50]. Принятый вещественный сигнал представляет собой сумму

четной и нечетной составляющих:

где

Спектральная плотность такого сигнала описывается выражением:

S(aj) = I(a>)-jQ(a>),

где /(и) = /(-л) и б(п) = -д(-п).

В результате принятый сигнал можно записать как:

= (I) + (0 = к> У ] 2{ ' У ' = —г1 = *(*)■

Достоинством описанного выше способа формирования сигнала является возможность выбора малого основания преобразования Фурье, что в свою очередь позволит исключить манипуляции с большими массивами данных и упростить реализацию блоков цифровой обработки, применяемых в системе.

Для уменьшения влияния межсимвольной интерференции, в рассматриваемых системах предложено использовать защитный интервал, который из-за своей структуры получил название циклический префикс (ЦП) [51]. Длительность ЦП выбирается исходя из максимально возможной задержки отраженного сигнала, способного существенно повлиять на передаваемую информацию. Циклический префикс, добавляемый в начало каждого ОРБМ-символа, представляет собой циклическое повторение окончания символа, поэтому в результате добавления такого защитного интервала в спектре сигнала не появляется новых частотных составляющих и не происходит расширение спектра. Графическое представление символа с ЦП приведено на рисунке 1.6.

■< -

Рисунок 1.6 - ОРЭМ-символ с ЦП Эффект межсимвольной интерференции и способ борьбы с ним с помощью ЦП [35] показан на рисунке 1.7.

СР

СР

щ- Первый символ

Полезная нагрузка

Первый символ —Г"

1олезная нагрузка

СР

— Первый си I 1олезная нгнру з;

СР

СР

мвод

-------- Вюр1Ш символ

Полезная иатузка

Ш1

В! ори И СИМВОЛ

I [пленная нагрузка

—-—~

СР

Второй символ

I ¡олезная нагрузка

а с мая циклическим

Максимальная Зона вошожнои Зона, чащии задержка инутрисимвольной префиксом от

интерференция межсимвольной интерференции

Рисунок 1.7 - Защита от межсимвольной интерференции при помощи ЦП

ЦП является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную скорость передачи данных, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике [35].

Структурная схема, описывающая все этапы, используемые при моделировании представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Структурная схема цифровой модели

Принятый сигнал, прошедший через многолучевой канал РРВ, после формирования выборки отсчетов можно представить в виде:

S(n)=т + Г А ■ 1

/=1 к=\

где w(n) - дискретный комплексный аддитивный белый Гаусовский шум (АБГШ), 1 = 1.. ,Nr - номер луча в канале РРВ,

д - ослабление в /-омлуче,

к - индекс частотного подканала,

д/ - интервал между частотными подканалами,

п = 0... N -1 - индекс временного отсчета,

пп. - задержка в г-ом луче,

N - основание преобразования Фурье.

Использование в модели представленного выше выражения для формирования результирующего сигнала позволит учесть влияние рассогласование частоты гетеродинов [52], многолучевого канал РРВ [53], который характеризуется группой ослаблений, задержек, случайных фаз и смещений частоты за счет эффекта Доплера, а также влияние АБГШ.

Структура блока реализующего многолучевой канал РРВ, представлена на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Структурная схема блока, реализующего канал РРВ

Каждый луч в многолучевом канале РРВ представляет собой совокупность таких параметров как: задержка распространения сигнала; ослабление; случайная фазовая составляющая; доплеровское смещение частоты.

Задержка распространения и смещение частоты реализуются согласно теореме о сдвиге, суть которой состоит в том, что сдвиг сигнала в одном из представлений эквивалентен умножению на комплексную экспоненту в другом [54]:

|х(*-*о)<->Х(/)е-/1°

1*(0е+Л1 <—>*(/-Л)'

Доплеровское смещение частоты рассчитывается согласно заданной скорости перемещения излучателя и случайно угла прихода отраженного сигнала [21-23].

Рассмотренный способ моделирования влияния многолучевого канала РРВ позволит рассмотреть две основных разновидности каналов: канал с Релеевским распределением; канал с распределением Райса [55, 56].

АБГШ используемый при моделировании представляет собой стационарный дискретный случайный процесс, отсчеты которого некоррелированы друг с другом [57]:

[Д. Дк = О, [О, Дк^О.

В отличие от случая аналогового белого шума, дисперсия дискретного белого шума не является бесконечной, а потому такой шум является физически реализуемым. Отношение сигнал шум определяется выражением [58]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Майков, Денис Юрьевич, 2014 год

Список литературы

1. Феер, К. Беспроводная цифровая связь: методы модуляции. - Пер. с англ. // Под. ред. В. И. Журавлёва. - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

2. Прокис, Дж. Цифровая связь. - Пер. с англ. // Под ред. Д. Д. Кловского. -М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

3. Скляр, Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение. - Издательский дом Вильяме, 2004. - 1104 с.

4. Jeffrey, G.A. Fundamentals of WiMax: understanding broadband wireless networking / G.A. Jeffrey, A. Ghosh, R. Muyamed. - Prentice Hall, 2007. - 449 p.

5. Волков, Л.H. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. Пособие / J1.H. Волков, М.С. Немировский, Ю.С. Шинаков. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.

6. Тихвинский, В.О. Сети мобильной связи LTE: технологии и архитектура. / В. О. Тихвинский, C.B. Терентьев, А. Б. Юрчук - М, 2010. - 277 с.

7. Амиантов, И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи. -М.: Сов. радио, 1971. - 416 с.

8. Schmidl, Т. М., Сох D. С. Low-overhead, low-complexity [burst] synchronization for OFDM // 1996 IEEE International Conference on. - 1996. - T. 3. -1301-1306 p.

9. Jakes, W.C., Cox D.C. Microwave mobile communications // Wiley-IEEE Press. - 1994. —466 p.

10. Warner, W. D., Leung C. OFDM/FM frame synchronization for mobile radio data communication // Vehicular Technology, IEEE Transactions on. - 1993. - T. 42. -№3.-302-313 p.

11. Van de Beek, J.J. A time and frequency synchronization scheme for multiuser OFDM // Selected Areas in Communications, IEEE Journal on. - 1999. - T. 17. - №. 11. -1900-1914 p.

12. Золотарев, В.В. Обзор методов помехоустойчивого кодирования с использованием многопороговых алгоритмов / В.В. Золотарев, Ю. Б. Зубарев, Г. В. Овечкин // Цифровая обработка сигналов. - 2008. - 2-11 с.

13. Лобов, В.И. Цифровые синтезаторы прямого синтеза частот / В.И. Лобов, В.Б. Стешенко, Б.И. Шахтрин // CHIP NEWS. - 1997. -16-21 с.

14. Wei, L., Schlegel С. Synchronization requirements for multi-user OFDM on satellite mobile and two-path Rayleigh fading channels // Communications, IEEE Transactions on. - 1995. - T. 43. - №. 234. - 887-895 p.

15. Telatar, I. E., Tse D. N. C. Capacity and mutual information of wideband multipath fading channels // Information Theory, IEEE Transactions on. - 2000. -T. 46. - №. 4.- 1384-1400 p.

16. Гельгор, А.Л. Технологии LTE мобильной передачи данных: учеб. пособие / А.Л. Гельгор, Е.А. Попов. - СПб.:Изд-во Политехи, ун-та, 2011. — 204 с.

17. Hyung, G. М., David J.G. Single Carrier FDMA: A New Air Interface for Long Term Evolution. - John Wiley & Sons Ltd - England, 2008. - 198 p.

18. Channel Estimation & Equalization for WiMAX. Application notes 434. ALTERA corporation, version 1.1, 2007. - 35 p.

19. Stefania, S. LTE: the UMTS long term evolution / S. Stefania, T. Issam, B. Matthew. - New York : John Wiley & Sons, 2009. - 680 p.

20. Holma, H., Toskala A. LTE for UMTS-OFDMA and SC-FDMA based radio access. - John Wiley & Sons, 2009. - 450 p.

21. Robertson, P.; Kaiser, S. The effects of Doppler spreads in OFDM(A) mobile radio systems. - Vehicular Technology Conference, 1999. - 329 - 333 p.

22. Dahlman, E. 3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband / E. Dahlman, S. Parkvall, J. Skold, P. Beming. - Academic Press, 2008. - 648 p.

23. Тихонов, В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

24. Dahlman, Е. 4G: LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband / E. Dahlman, S. Parkvall, J. Skold. - John Wiley & Sons, 2011. - 455 p.

25. Smith, C. 3G wireless networks. - McGraw-Hill, Inc., 2007. - 695 p.

26. Zhao, Y. Standardization of mobile phone positioning for 3G systems // Communications Magazine, IEEE. - 2002. - T. 40. - №. 7. -108-116 p.

27. Ye, S. The 4G/5G genetic polymorphism in the promoter of the plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) gene is associated with differences in plasma PAI-1 activity but not with risk of myocardial infarction in the ECTIM study. Etude CasTemoins de I'nfarctus du Mycocarde / F.R. Green, P.Y. Scarabin, V. Nicaud, L. Bara, S.J. Dawson, S.E. Humphries, A. Evans, G. Luc, J.P. Cambou // Thrombosis and haemostasis. -1995. - T. 74. - №. 3. - 837-841 p.

28. Hara, S., Prasad R. Multicarrier techniques for 4G mobile communications. -Artech House, 2003. - 268 p.

29. Dahlman, E., Parkvall S., Skold J. 4G: LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, Second Edition. - Academic Press, 2013. - 544 p.

30. Correia, L. M. Mobile broadband multimedia networks: techniques, models and tools for 4G. - Academic Press, 2006. - 600 p.

31. Fu, X. QoS and security in 4G networks / X. Fu, D. Hogrefe, S. Narayanan, R. Soltwisch // First Annual Global Mobile Congress, Shanghai, China. - 2004. - 6 p.

32. Zahariadis, Т., Doshi B. Applications and services for the B3G/4G era // Wireless Communications, IEEE. - 2004. - Т. 11. - №. 5. - 3-5 p.

33. Jajoria, S., Singh S., Prasad S. Analysis of BER Performance of OFDM System by Adaptive Modulation // International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE). - 2012. - T.l. - 6-9 p.

34. Tigrek, R.F. Processing Technique for OFDM-Modulated Wideband Radar Signals: thesis Delft University of Technology. - Dutch: The Netherlands. - 2010. -180 p.

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

36. Chatterjee, S., Fernando W. А. С., Wasantha М. К. Adaptive modulation based MC-CDMA systems for 4G wireless consumer applications // Consumer Electronics, IEEE Transactions on. - 2003. - T. 49. - №. 4. - 995-1003 p.

37. Kamen, E., Heck B. Fundamentals of Signals and Systems: With MATLAB Examples. - Prentice Hall PTR, 2000. - 688 p.

38. Tomasi, W. Electronic communications systems: fundamentals through advanced. - Prentice Hall PTR, 1994. - 880 p.

39. Simon, M.K., Alouini M.S. Digital communication over fading channels. - T. 95. - John Wiley & Sons, 2005 - 936 p.

40. Bahai, A.R.S., Saltzberg B.R., Ergen M. Multi-carrier digital communications: theory and applications of OFDM. - Springer, 2004. - 411 p.

41. Viterbi, A.J. CDMA: principles of spread spectrum communication. - Addison Wesley Longman Publishing Co., Inc., 1995. - 245 p.

42. Glisic, S.G. Advanced Wireless Communications: 4G Cognitive and Cooperative Broadband Technology. - John Wiley & Sons, 2007. - 888 p.

43. Klempous, R. Advanced Methods and Applications in Computational Intelligence / R. Klempous, J. Nikodem, W. Jacak, Z. Chaczko. - Springer Publishing Company, Incorporated, 2014. - 408 p.

44. Heiskala, J., Terry Ph.D. OFDM wireless LANs: A theoretical and practical guide. - Sams Publishing, 2001. - 336 p.

45. Pun, M., Morelli M., Kuo C.C.J. Multi-Carrier Techniques for Broadband Wireless Communications // Imperial College Press. - 2007. - 110-113 p.

46. Hanzo, L.L., Keller T. OFDM and MC-CDMA: a primer. -John Wiley & Sons, 2007. - 430 p.

47. Liu, H., Li G. OFDM-based broadband wireless networks: design and optimization. - John Wiley & Sons, 2005. - 251 p.

48. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems, 2009. - 2082 p.

49. Гоноровский, И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986.-505 с.

50. Майков, Д.Ю. Оценка сдвига частоты для процедуры Initial Ranging в системе «мобильный WiMax» / Д.Ю. Майков, А.Я. Демидов, Н.А. Каратаева, Е.П. Ворошилин // Доклады ТУСУРа. - 2011. - №2 (24). - 59-63 с.

51. Тихвинский, В.О. Терентьев С.В. От GERAN/UTRAN к LTE. Перспективы развития и эволюция технологий радиоинтерфейса // T-comm -Телекоммуникации и транспорт. - 2007. - №7-8. - 44-51 с.

52. Мелихов, С.В. Аналоговое и цифровое радиовещание: Учебное пособие.

- Томск: Томск, гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2002. - 251 с.

53. Одинцов, B.C. Методы борьбы с многолучевым распространением радиоволн в многоканальных системах радиосвязи // Известия. - 1999. - Т. 12. -№2. - 29-30 с.

54. Дашенков, В.М. Радиотехнические цепи и сигналы. - Конспект лекций, 2007. - 112 с.

55. Linnartz J.P. Performance analysis of synchronous MC-CDMA in mobile Rayleigh channel with both delay and Doppler spreads // Vehicular Technology, IEEE Transactions on. -2001. -T. 50. -№. 6. - 1375-1387 p.

56. Полынкин, A.B., Туан JI.X. Исследование характеристик радиоканала связи с беспилотными летательными аппаратами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2013. - №. 7-2. - 98-107 с.

57. Тихонов, В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982, —624 с.

58. Кирсанов, Э.А., Сирота А.А. Оценивание координат маневрирующего внутри помещения объекта по результатам дальномерных измерений // Вестник ВГУ, серия: Системный анализ и информационные технологии. - 2011. - №1.

- 36- 40 с.

59. Fazel, К., Kaiser S. Multi-Carrier Spread-Spectrum & Related Topics. -Kluwer Academic Publishers Norwell, 2000. - 360 p.

60. Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for imt-2000, ITU-R, recommendation ITU-R M.1225, 1997. - 60 p.

61. Кривошеее, М.И. Новый подход к развитию цифрового ТВ-вещания // Media Vision. - 2010. - 8 с.

62. Juha, L. Wide-Band 3-D Characterization of Mobile Radio Channels in Urban Environment // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 2002. - vol. 50. -№2.-233-243 P.

63. Мазурков, М.И. Системы широкополосной радиосвязи. Учеб. пособие для студ. вузов. - Одесса: Наука и техника, 2009. - 344 с.

64. Сульдин, А.В. Модели каналов связи с замираниями и рассеянием в системах с OFDM // ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва». - 2010. - 3 с.

65. Гавриленко, В.Г., Яшнов В.А. Распространение радиоволн в современных системах мобильной связи. - Нижний Новгород: НГУ, 2003. - 148 с.

66. Зернов, Н.В, Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. - Москва -Ленинград: Издательство «Энергия», 1965. - 892 с.

67. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы (изд. 3-е). - М.: Высшая школа - 2000. - 462 с.

68. Зотов, В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx. - Горячая линия-Телеком, 2006. - 520 с.

69. Крышнев, Ю.В., Баранов А.Г., Храмов А.С. Цифровые сигнальные процессоры, 2010.-392.

70. Каратаева, Н.А. Радиотехнические цепи и сигналы. Часть 1: Учебное пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2001.-260 с.

71. Долгих, Д.А. Оценивание линейного фазового сдвига OFDM сигнала // Известия Томского политехнического университета. -2006. -№. 8. -148-151 с.

72. Schmidl, Т.М., Сох D.C. Robust frequency and timing synchronization for OFDM // Communications, IEEE Transactions on. - 1997. - T. 45. - №. 12. -1613-1621 p.

73. Minn, H., Bhargava V.K., Letaief K.B. A robust timing and frequency synchronization for OFDM systems // Wireless Communications, IEEE Transactions on. - 2003. - T. 2. - №. 4. - 822-839 p.

74. Бычков, В.Е., Мрачковский О.Д., Правда В.И. Особенности применения кодов Голея в радиолокации // Известия высших учебных заведений. - 2008. -Т. 51. — №. 4.-49-55 с.

75. Choi, S.D., Choi J.M., Lee J.H. An initial timing offset estimation method for OFDM systems in Rayleigh fading channel // Vehicular Technology Conference. -2006.- 1-5 p.

76. Patent № 3099796 U.S., Phase coded communication system. / Zadoff, S.A.; 30 July 1963.

77. Татарский, В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. -Наука, 1967.-548 с.

78. Айфичер, Э.С. Цифровая обработка сигналов: практический подход. -Издательский дом Вильяме, 2008. - 992 с.

79. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов. - БХВ-Петербург, 2011. -768 с.

80. Chu, D.C. Polyphase codes with good periodic correlation properties // IEEE Transactions on Information Theory. - 1972. - №4. - 531-532 p.

81. Wai, H.M., Li S.Y.R. Aperiodic autocorrelation and crosscorrelation of polyphase sequences // IEEE Transactions on Information Theory. - 1997. - № 3. — 990- 1007 p.

82. Фалькович, C.E. Оценка параметров сигнала. - Сов. радио, 1970. - 326 с.

83. Максимов, В.В., Чуприна Р.С., Обратные композитные коды Баркера // HayKOBi записки УНД13. - 2012. -№1(21). - 71-76 с.

84. Конин, В.В., Юрчук А.А., Шутко В.Н. Формирование псевдослучайного кода сигнала Е5 спутниковой радионавигационной системы GALILEO // Радиотехника. - 2011. - Вып. 167. - 148-152 с.

85. Солонина, А.И., Улахович Д.А, Яковлев JI.A. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. - БХВ-Петербург, 2001.-464 с.

86. Дьяконов, В.П. MATLAB и SIMULINK для радиоинженеров. - ДМК Пресс, 2011.-976 с.

87. Голуб, B.C. Квадратурные модуляторы и демодуляторы в системах радиосвязи // Электроника: НТБ: науч.-техн. журнал. - 2003. - №3. - 28-32 с.

88. Chiueh, T.D., Tsai P.Y. OFDM baseband receiver design for wireless communications. - John Wiley & Sons, 2007. - 352 p.

89. Бумагин, А. В. Синтез алгоритмов синхронизации OFDM-сигналов во временной области // Электросвязь. - 2007. - №. 6. - 23-28 с.

90. Gao, F., Nallanathan A. Blind maximum likelihood CFO estimation for OFDM systems via polynomial rooting // Signal Processing Letters, IEEE. - 2006. - T. 13. -№2. - 73-76 p.

91. Невельсон, М.Б., Хасьминский Р.З. Стохастическая аппроксимация и рекуррентное оценивание. - Наука, 1972. - 304 с.

92. Солонина, А.И., Арбузов С.М. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в MATLAB. - БХВ-Петербург, 2013. - 816 с.

93. Wei, L. Robust frequency offset estimator for OFDM over fast varying multipath channel // Electronics Letters. - 2007. - T. 43. - №6. - 355-356 p.

94. Nee, R., Prasad R. OFDM for wireless multimedia communications. - Artech House, Inc., 1999.-284 p.

95. Liu, P. A new frequency synchronization scheme for OFDM // Consumer Electronics, IEEE Transactions. - 2004. - T. 50. - №3. - 823-828 p.

96. Майков, Д.Ю. Оценка сдвига частоты для процедуры Initial Ranging в системе «мобильный WiMax» / Д.Ю. Майков, А.Я. Демидов, Н.А. Каратаева, Е.П. Ворошилин // Доклады ТУСУРа. - 2011. - № 2 (24). - 59-63 с.

97. Патент № 2459354 Российская Федерация, МПК H 04В 1/69, H 04W 8/20. Способ оценки сдвига несущей частоты в восходящем канале для беспроводных телекоммуникационных систем. / Каратаева Н.А., Демидов А .Я., Майков Д.Ю., Ворошилин Е.П., Рогожников Е.В., Лобанов Н.А.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Научно-производственная фирма «МИКРАН». -№2011146810/08; заявл. 17.11.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. №23. -9 с.

98. Математическое моделирование систем беспроводной связи: монография / Вершинин А.С., Ушарова Д.Н., Майков Д.Ю., Пуговкин А.В., Демин

А.Ю., Рогожников Е.В.; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 164 с.

99. Клюев, J1.JL, Астровский П.И. Синхронизация приемных устройств по задержке при приеме в-последовательности. - Радиотехника и электроника, 1975. - Т. 20. - №. 1-6. - 178 с.

100. Патент № 115588 Российская Федерация, МПК7 H 04 В 1/69. Устройство для оценки сдвига несущей частоты в восходящем канале для беспроводных коммуникационных систем. / Каратаева Н. А., Демидов А.Я., Майков Д.Ю., Ворошилин Е.П., Рогожников Е.В., Лобанов Н.А.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Научно-производственная фирма «МИКРАН». - № 2011147451/08; заявл. 22.11.2011; опубл. 24.07.2012, Бюл. № 12.-4 с.

101. Cho, Y.S. MIMO-OFDM wireless communications with MATLAB. -John Wiley & Sons, 2010. - 544 p.

102. Трис, Г.В. Теория обнаружения, оценок и модуляции. - М.: Советское радио, 1972.-742 с.

¿Lo

133