ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................................4
1. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СЛУЧАЙНОГО ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНОГО КАНАЛА СВЯЗИ....................................................................16
1.1. Пропускная способность системы радиосвязи с ортогональными поднесущимн, функционирующей в случайном частотно-селективном канале..........................-.......................... —......16
1.1.1. Пропускная способность канала связи............................16
1.1.2. Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими................19
1.1.3. Случайный частотно-селективный канал связи.....................24
1.1.4. Пропускная способность OFDM системы связи, функционирующей в
случайном частотно-селективном канале..................................29
1.1.5. Статистическая модель пропускной способности случайного
частотно-селективного канала связи.....................................30
1.2. Статистические характеристики пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи.......................................31
1.2.1. Пропускная способность подканала (поднесущей) с плоской
частотной характеристикой..............................................31
1.2.2. Пропускная способность случайного частотно-селективного канала
связи при равномерном распределении мощности по поднесущим.............34
1.2.3. Пропускная способность случайного частотно-селективного канала
связи при различных методах распределении мощности по поднесущим.......40
1.3. Влияние частотной корреляции на статистические характеристики пропускной способности частотно-селективного канала......................45
1.3.1. Модель релеевского многолучевого канала связи с экспоненциальным профилем затухания...................................................45
1.3.2. Функция корреляции пропускной способности поднесущих............46
1.3.3. Статистические характеристики пропускной способности канала с
учётом частотной корреляции............................................48
1.4. Заключение по первой главе..........................................50
2. АДАПТИВНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ И БИТ В OFDM СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ..................................................52
2.1. Адаптивное распределение передаваемой мощности по поднесущим в OFDM системах радиосвязи.............................................53
2.1.1. Постановка задачи...........................................53
2.1.2. Решение оптимизационной задачи..............................54
2.1.3. OFDM система с адаптивным распределением мощности...........58
2.1.4. Результаты моделирования....................................61
2
2.2. Адаптивное распределение бит и мощности по под несущим в OFDM системах радиосвязи ............................................ 63
2.2.1. Постановка задачи.........................................63
2.2.2. Алгоритм адаптивного распределения бит и мощности по
поднесущим.......................................................65
2.2.3. OFDM система радиосвязи с использованием АРБМ.............69
2.2.4. Результаты моделирования..................................72
2.3. Заключение по второй главе....................................76
3. АДАПТИВНЫЙ ВЫБОР СХЕМЫ МОДУЛЯЦИИ И КОДИРОВАНИЯ В
OFDM СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ...........................................78
3.1. Адаптивный выбор схемы модуляции и кодирования в OFDM системах радиосвязи.............................................. 79
3.1.1. Постановка задачи.........................................79
3.1.2. Адаптивный выбор схемы модуляции и кодирования............81
3.1.3. Результаты моделирования..................................84
3.2. Адаптивное отключение поднесущих как способ повышения эффективности OFDM системы радиосвязи..............................87
3.2.1. Постановка задачи.........................................87
3.2.2. OFDM система радиосвязи с адаптивным отключением поднесущих89
3.2.3. Результаты моделирования..................................92
3.3. Прогнозирование вероятности ошибок в системах радиосвязи с ортогональными поднесущнми, функционирующих в сложной помеховой обстановке.........................................................97
3.3.1. Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими для радиосетей городского уровня..............................................97
3.3.2. Постановка задачи........................................101
3.3.3. Прогнозирование вероятности ошибок на основе вычисления средней
пропускной способности..........................................101
3.3.4. Модифицированный показатель качества канала..............107
3.4. Заключение по третьей главе..................................113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................115
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................117
ПРИЛОЖЕНИЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ (ЭФФЕКТИВНОЙ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ) СИСТЕМЫ СВЯЗИ.....................125
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ........................................126
3
Введение
Актуальность темы диссертационной работы
Основным требованием, предъявляемым к современным системам цифровой радиосвязи, является высокая скорость и надежность передачи данных в сложных условиях распространения сигналов. Системы радиосвязи с ортогональными поднесущими (Orthogonal Frequency Division Multiplexing -OFDM) обеспечивают высокую спектральную эффективность и позволяют наилучшим образом справляться с межсимвольными искажениями сигналов, обусловленными сложным физическим каналом связи с многолучевым распространением [1]. В настоящее время широкополосные OFDM системы применяются для цифрового радио- [2, 3] и телевещания [4, 5], а также для скоростной передачи информации как внутри [6, 7], так и вне помещений [8, 9]. Высокая скорость передачи в OFDM системах достигается путем параллельной передачи информации по большому числу ортогональных частотных подканалов (поднесущих). Формирование ортогональных поднесущих достигается за счет применения алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для повышения помехоустойчивости OFDM систем радиосвязи применяется канальное кодирование, а для защиты от межсимвольной интерференции в начало каждого символа вводится специальный защитный интервал.
Современный стандарт цифровой радиосвязи ШЕЕ 802.11а [6],
регламентирующий работу высокоскоростных локальных компьютерных радиосетей (WLAN) диапазона 5 ГГц, позволяет передавать цифровые данные внутри помещений со скоростью до 54 Мбит/с на расстояние в несколько десятков метров в полосе 20 МГц. Однако для удовлетворения постоянно возрастающих требований пользователей скорость передачи информации в локальных компьютерных радиосетях следующих поколений должна существенно возрасти. Традиционным решением этой задачи является расширение используемой частотной полосы или увеличение излучаемой мощности. Однако указанные ресурсы имеют свои пределы, так как выделяемые стандартами полосы радиочастотных диапазонов ограничены, а максимальный уровень излучаемой мощности не может быть существенно увеличен из-за
4
экологических ограничений и возрастающих требований на время автономной работы портативных радиоустройств. Поэтому наиболее перспективным подходом к решению задачи повышения эффективности современных систем радиосвязи при жестких ограничениях на выделенные ресурсы является использование методов пространственно-временной обработки сигналов и методов быстрой адаптации к случайному частотно-селективному каналу (fast link adaptation). В случае применения быстрой канальной адаптации увеличение эффективности системы достигается за счет согласования скорости передачи данных с состоянием текущей реализации частотно-селективного канала. Такое согласование может производиться путем адаптивного распределения бит (выбора схемы модуляции и кодирования) и мощности по поднесущим, группам поднесущих и различным пространственным подканалам OFDM системы радиосвязи. Анализу различных методов такой быстрой адаптации OFDM системы радиосвязи к текущей реализации передаточной функции случайного частотно-селективного канала и посвящена настоящая диссертационная работа.
Актуальность выбранной темы диссертации подтверждается не только большим объемом публикаций в научно-технических изданиях, посвященных этому вопросу, но и активной работой в данном направлении, проводимой в ведущих компаниях-производителях коммуникационного оборудования (Motorola, Intel, Samsung, Nokia, Siemens, Philips и др.).
Состояние рассматриваемых вопросов
Современные системы OFDM радиосвязи на основе стандарта IEEE 802.11а предназначены для функционирования в частотно-селективных каналах связи с многолучевым характером распространения сигналов [10-15]. При этом стандарт предусматривает лишь равномерное распределение мощности и одинаковую схему модуляции и кодирования (МКС) на всех информационных поднесущих, что не является оптимальным в условиях частотно-селективного канала.
В классических работах К.Шеннона [16, 17] было показано, что для частотно-селективного канала оптимальным с точки зрения максимизации пропускной способности является распределение передаваемой мощности по
5
методу «заполнения водой» ("water-filling") в соответствии с передаточной функцией текущей реализации канала и эффективной мощностью шума на поднесущих. Согласно этому методу при передаче информации большая мощность сигнала должна распределяться в поднесущие с более низким уровнем эффективного шума. При этом поднесущие с очень высоким уровнем эффективного шума должны быть полностью отключены. Теоретически после такого распределения мощности должна проводиться загрузка битов (распределение видов модуляции и кодирования) по поднесущим в соответствии с вычисленными значениями пропускной способности на каждой поднесущей. Однако такая процедура требует наличия в системе связи оптимальной схемы канального кодирования с непрерывной модуляцией. На практике данный метод невозможно реализовать из-за конечного набора видов модуляции и ограничениями существующих систем помехоустойчивого кодирования. В связи с этим возникает задача по разработке субоптимальных алгоритмов распределения мощности и бит по поднесущим, позволяющих OFDM системе связи эффективно адаптироваться к текущей реализации частотно-селективного канала.
В работах [18-25] было предложено несколько субоптимальных алгоритмов распределения бит и мощности для систем связи с ортогональными поднесущими. В зависимости от их назначения эти алгоритмы условно можно разделить на две группы: первые максимизируют скорость передачи информации при заданной вероятности битовой (пакетной) ошибки на приемнике [22-25]; вторые минимизируют вероятность ошибок при фиксированной скорости передачи данных [18-21]. Большая часть алгоритмов адаптивного распределения бит и мощности, предложенных в печати, относятся ко второму типу и предназначаются для систем проводной связи на основе технологии ассиметричной цифровой абонентской линии (asymmetric digital subscriber line - ADSL). При этом предложенные алгоритмы отличаются большой вычислительной сложностью, допустимой при их реализации в системах проводной связи, в силу высокой степени статичности таких каналов связи. Для OFDM систем радиосвязи, функционирующих в пакетном режиме передачи данных, наибольший практический интерес представляют быстрые
6
алгоритмы распределения первого типа, максимизирующие скорость передачи данных. Поэтому необходимо разработать эффективные и простые с вычислительной точки зрения алгоритмы адаптивного распределения и провести исследование их статистических характеристик, используя модели частотно-селективного канала, характерного для OFDM систем радиосвязи. Кроме этого необходимо провести сравнительный анализ эффективности использования распределения бит и распределения мощности по отдельности и совместного распределения бит и мощности.
Проведенные исследования показали, что применение алгоритмов адаптивного распределения бит и мощности позволяет существенно повысить скорость передачи информации при заданной вероятности битовой (пакетной) ошибки на приемнике. Однако при использовании таких алгоритмов необходима передача довольно большого объема служебной информации о распределении мощности и видов модуляции по поднесущим по обратной линии «приемник-передатчик». Это может существенно снизить эффективность пакетных OFDM систем радиосвязи, работающих в нестационарных условиях. Таким образом, возникает задача проведения исследований методов быстрой канальной адаптации, которые могут существенно повысить скорость передачи данных при минимальном количестве дополнительной служебной информации в обратном канале связи и минимальном изменении структуры существующих OFDM систем радиосвязи.
В существующих OFDM системах радиосвязи (например, стандарта IEEE
802.1 la) адаптация к каналу связи производится путем выбора схемы модуляции и кодирования (МКС) для всех поднесущих на основе информации об успешности передачи нескольких предыдущих пакетов. Такой медленный механизм адаптации не предусматривает использование информации о текущей реализации частотно-селективного канала, что, очевидно, понижает эффективность работы систем радиосвязи. В работах [26, 27] на основе статистического анализа работы пакетной OFDM системы радиосвязи в нестационарном частотно-селективном канале было показано, что быстрый адаптивный выбор МКС (для каждого пакета) на основе информации о состоянии текущей реализации частотно-селективного канала может
7
существенно увеличить эффективную скорость передачи данных при незначительном объеме дополнительной служебной информации в обратном канале связи «приемник-передатчик». В работах [28, 29] исследовались различные алгоритмы адаптивного выбора МКС для OFDM систем радиосвязи при отсутствии помеховых сигналов. Эти алгоритмы основаны на вычислении так называемого показателя качества канала, который учитывает частотно-селективный характер передаточной функции канала связи. Однако приведенные авторами результаты не содержат количественных выводов о повышении эффективности работы OFDM системы. Поэтому возникает задача разработки практических алгоритмов быстрого адаптивного выбора МКС в существующих OFDM системах радиосвязи и исследования их эффективности при отсутствии и наличии помеховых сигналов.
Как отмечалось выше пропускная способность частотно-селективного канала связи с глубокими провалами (замираниями) на некоторых частотах может быть повышена за счет «отключения» и переопределения мощности слабых поднесущих. В работе [30] был рассмотрен итеративный алгоритм отключения поднесущих с малыми коэффициентами усиления и равномерном распределении их мощности между оставшимися активными поднесущими с целью последующего применения алгоритмов адаптивного распределения бит по оставшимся активным поднесущим. Однако исследований эффективности применения адаптивного отключения слабых поднесущих в схемах с последующим выбором одного вида модуляции для всех активных поднесущих в известных нам работах не проводилось.
В последнее время возрастает потребность в обеспечении высокоскоростного доступа в Интернет по широкополосным радиоканалам (broadband wireless access). Технология ортогонального частотного уплотнения сигналов с множественным доступом (OFDMA - orthogonal frequency division multiple access) является одним из перспективных технических решений обеспечения высокоскоростной передачи информации в радиосетях городского уровня путем параллельной передачи данных многим пользователям в одном частотном канале. OFDMA системы связи обладают высокой спектральной эффективностью и гибкостью в использовании частотного ресурса канала.
8
Одновременный доступ к каналу связи в этих системах осуществляется путем разделения ортогональных поднесущих между абонентами [1]. Данный механизм множественного доступа был предложен для систем мобильного Интернета на основе стандарта IEEE 802.16е (WiMAX - worldwide interoperability for microwave access [8, 9]). В реальных условиях использование такой системы радиосвязи предусматривает наличие нескольких соседних базовых станций, работающих в одном частотном диапазоне с полной или частичной загрузкой полосы канала, что чрезвычайно осложняет помеховую обстановку.
Несмотря на повышенный интерес и активное внедрение OFDMA систем, их характеристики, как правило, исследовались для модельных условий, в которых шумы и помехи заменялись аддитивным белым гауссовским шумом [31]. Более детальный анализ помехоустойчивости OFDMA систем связи, работающих в сложной сигнально-помеховой обстановке, в известных нам работах не проводился. Стоит подчеркнуть, что в новом стандарте IEEE 802.16е предусмотрена процедура быстрого адаптивного выбора МКС в OFDMA системах радиосвязи. Поэтому вопрос о разработке и исследовании конкретных алгоритмов быстрой канальной адаптации OFDMA систем радиосвязи при наличии помех от соседних станций также является актуальным.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка, исследование статистических характеристик и сравнительный анализ алгоритмов адаптации к случайному частотно-селективному каналу для систем радиосвязи с ортогональными поднесущими.
Задачи диссертационной работы
1. Исследование статистических характеристик пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи.
2. Оптимизация распределения мощности по поднесущим на передатчике с целью минимизации вероятности битовых ошибок на приемнике OFDM системы радиосвязи, функционирующей в частотно-селективном канале.
9
3. Разработка и исследование характеристик алгоритма совместного адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим, обладающего высокой эффективностью при достаточно низкой вычислительной сложности.
4. Разработка и исследование характеристик алгоритма адаптивного выбора схемы модуляции и кодирования, общей для всех ортогональных поднесущих. Нахождение показателя качества частотно-селективного канала, устойчивого к сложной помеховой обстановке.
5. Разработка и исследование характеристик практического алгоритма адаптивного отключения слабых поднесущих с последующим выбором одного вида модуляции для всех активных поднесущих.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовались общие методы статистической радиофизики, теории информации, математической статистики, математическое и имитационное компьютерное моделирование.
Научная новизна работы
1. Проведено исследование пропускной способности случайного частотно-селективного канала связи с учетом различных методов распределения мощности по поднесущим и корреляции коэффициентов усиления канала на поднесущих.
2. Впервые поставлена и решена задача оптимизации распределения передаваемой мощности по поднесущим в OFDM системе радиосвязи с целью минимизации вероятности битовых ошибок на приемнике.
3. Предложен оригинальный алгоритм совместного адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим, основанный на применении субоптимального распределения мощности между поднесущими с одним видом модуляции.
4. Предложен новый алгоритм адаптивного выбора общей для всех поднесущих схемы модуляции и кодирования. Проведено исследование характеристик этого алгоритма при наличии частотно-селективных помех.
10
- Київ+380960830922