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

详细

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.

全文:

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.