Pomekhoustoychivost' skhemy priema OFDM-signalov v kanale s pamyat'yu

Abstract

The technology of orthogonal frequency OFDM multiplexing is hosed on for motion of multi frequency signal. The block of consistent information symbols converts in block of parallel symbols; in which every information symbol satisfy certain frequency of the multi frequency signal. Increasing the spectral efficiency of the OFDM system will facilitate the development of advanced mobile networks.

Full Text

Введение Спектральная эффективность системы мобильной связи, характеризующая скорость передачи информации в заданной полосе частот, является показателем качества услуг связи и использования частотного ресурса. Одним из основных путей развития и совершенствования мобильной связи является повышение спектральной эффективности. В системах сотовой связи широкое распространение получила технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) для целей доступа к широкополосному каналу, это обусловлено известными положительными свойствами OFDM, возможность реализации которых подразумевает малое временное рассеяние передаваемого сигнала в канале связи. Это позволяет повысить скорость передачи на каждой поднесущей (при медленных изменениях параметров канала) в соответствии со значением отношения «сигнал!помеха», что и дает повышение спектральной эффективности системы, уменьшая сложность реализации за счет использования дискретного преобразования Фурье (ДПФ) по сравнению с другими используемыми системами обработки принимаемых сигналов. Формирование OFDM сигналов системы Технология ортогонального частотного мультиплексирования OFDM основана на формировании многочастотного сигнала, состоящего из множества поднесущих частот, отличающихся на величину Af = \соп - ©„.J !2п, выбранную из условия ортогональности сигналов на соседних поднесущих частотах со - n-ая поднесущая частота. Для формирования OFDM-сигнала поток последовательных информационных символов разбивается на блоки, содержащие N символов. Далее блок последовательных информационных символов преобразуется в блок параллельных символов, в котором каждый информационный символ соответствует определенной поднесущей частоте многочастотного сигнала. При этом длительность символа увеличивается в N раз. Преобразование сигнала из временной области в частотную происходит на основе ДПФ, реализуемого через БПФ. На рис. 1 показано частотно-временное представление OFDM-сигнала. Рис. 1. Частотно-временное представление OFDM-сигнала [1] Как следует из рис. 1, структура сигнала по оси времени на каждой поднесущей организована так, чтобы в месте приема исключить возникновение межсимвольной интерференции (МСИ), возникающей из-за временного рассеяния переданного сигнала, обусловленного многолучевым характером распространения радиоволн. Если интервал временного рассеяния соизмерим с длительностью импульса на каждой поднесущей и к тому же между импульсами предусмотрены защитные интервалы, то влиянием МСИ можно пренебречь, что и делается в существующих системах обработки OFDM-сигнала в месте приема. OFDM-сигнал представляет собой сумму поднесущих гармонических колебаний, каждая из которых модулируется своим подпотоком передаваемых символов с использованием квадратурной амплитудной модуляции КАМ и др. Рассмотрим квадратурную амплитудную модуляцию КАМ-16, которая совместно с техноло- «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 38 Бельский К.А., Слипенчук К.С. гией OFDM используется в современных сетях мобильной связи. Пусть на входе КАМ-модулятора наблюдается последовательность кодовых символов . Затем четыре кодовых символа преобразуются в 6?,.-комплексное число, характеризующее одну из 16 сигнальных точек, где амплитуда |rf.| и фаза arg^.) i-го поднесущего колебания. Таким образом, если число ортогональных поднесущих равно N, то значения отсчетов комплексной огибающей OFDM-символа длительности T запишутся в виде [1]: 1=0 I 1 (1) t. = tk+lAt,àt = N-l где N - число ортогональных поднесущих. Данная последовательность отсчетов получается с помощью ОДПФ. Совокупность отсчетов ùk(t[) последовательно во времени передается по каналу связи. При отсутствии временного рассеяния в месте приема для решения задачи оценки символа d, достаточно было бы совершить прямое ДПФ совокупности отсчетов ûk(t,). Каналы с МСИ характеризуются памятью канала М - длительностью импульсной реакции канала, выраженной числом тактовых интервалов. При наличии явно выраженного временно- М = - At можно го рассеяния х и памяти канала утверждать, что на любой отсчет ùk(tt) на приеме будет оказывать воздействие каждый из (М - 1) предшествующих отсчетов. Если импульсная характеристика канала отлична от единичной функции и определяется отсчетами g0,g\,-,gM-i > то на приемной стороне вектор отсчетов принимаемых сигналов запишется в виде U =GU + W, (2) где и = [й0,м1,...,%_1]Г ; W = [w0,Wj,wN+M_x]7 - вектор шумовых отсчетов; G = [8] О [g] Если отсчеты и шумы достаточно велики, импульсная характеристика канала связи отлична от единицы, то применение классической схемы приема OFDM-сигнала, основанной на использовании процедуры вычисления ДПФ, нецелесообразно вследствие увеличения вероятности ошибок принимаемых сигналов. Помехоустойчивость схемы приема OFDM-сигналов в канале с памятью Одним из привлекательных свойств классической схемы приема OFDM является нечувствительность к расширению задержки многолучевого сигнала [1]. Данное свойство обеспечивается за счет введения в структуру сигнала защитного временного интервала, но стоит заметить, что это приводит к снижению скорости передачи и уменьшению спектральной эффективности. При моделировании исследованию подвергается помехоустойчивость классической схемы приема OFDM-сигналов в канале с рассеянием. Проводилось исследование статистическим моделированием структурной схемы обработки сигнала OFDM с помощью Matlab. На рис. 2 изображена структурная схема моделируемой системы обработки сигналов OFDM в канале с памятью. Рис. 2. Структурная схема моделирования обработки сигнала OFDM в канале с памятью «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 Бельский К. А., Слипенчук К. С. 39 Согласно структурной схеме последовательность двоичных кодовых символов 6 преобразуется с помощью квадратурной амплитудной модуляции КАМ-16. КАМ-символ в системах радиосвязи переносит несколько кодовых бит, в данном случае 4, которым соответствует комплексное число, представляющее амплитуду и начальную фазу. Дальнейшее формирования OFDM-символа основано на использовании обратного преобразования Фурье совокупности КАМ-символов. Таким образом, формируется комплексная огибающая OFDM - символа ük(t,). I 9(t) Рис. 3. Отсчеты импульсной характеристики моделируемого канала связи Свойства канала связи характеризуются импульсной характеристикой g(t) (см. рис. 3), которая предполагается известной в месте приема благодаря тестовым комбинациям в структуре группового сигнала. Результаты моделирования приведены на рис. 4. Кривая 1 соответствует исследованию зависимости частоты ошибок от отношения «сиг-нал!шум» для модели канала с аддитивным гауссовским шумом без МСИ, кривая 2 - при наличии МСИ. Для получения достоверных результатов моделирования число испытаний для каждой точки на кривых рис. 4 выбиралось согласно закону больших чисел. Анализ результатов моделирования, проведенного для различных типов каналов, позволяет сделать выводы: - при отношении мощности сигнала к мощности ошибки РС1Р0Ш = 20 дБ энергетический проигрыш частоты ошибок составляет 4,45-10"2; - при частоте ошибок на символ равной 10-3 энергетический проигрыш отношения «сигнал/шум» составляет 6 дБ. Преодолеть влияние интерференционных искажений, обусловленных памятью канала, можно вводя дополнительную обработку сигнала [2] в месте приема, уменьшающую действия МСИ. Таким образом, данная обработка позволит повысить помехоустойчивость процесса демодуляции и сохранить спектральную эффективность системы OFDM. Р . „Р . (dB) signal/ noise ^ 1 Рис. 4. Помехоустойчивость классической схемы приема OFDM в канале с памятью (кривая 1 - канал без памяти, кривая 2 - канал с памятью) Заключение Исследование классической схемы приема сигналов OFDM в канале с памятью позволяет оценить помехоустойчивость и нецелесообразность ее применения при условии существовании МСИ. При отношении « сигнал/шум», равном 20 дБ, изменение вероятности ошибки происходит от уровня 10-5 в канале без памяти до уровня 42-10'2 в канале с памятью.