Применение методов разнесения для повышения помехоустойчивости при помощи техники пространственно-временного кодирования

УДК621.396.2

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РАЗНЕСЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ТЕХНИКИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО КОДИРОВАНИЯ

А.В. Башкиров, В.М. Питолин, И.В. Свиридова

В статьеприведена классификация методов разнесения, используемых для повышенияпомехоустойчивости передачи дискретной информации по каналам радиосвязи. Рассмотрены вопросы применения схем кодирования для обеспечения баланса между энергетическими характеристиками и скоростью передачи информации

Ключевые слова:разнос передачи, пространственно-временное кодирование, схема Аламоути

Последнее время все чаще характеризуется активнымформированием систем беспроводной связи (мобильная радиосвязь, системы беспроводного доступа к сети Интернет, компьютерные радиосети внутри зданий и др.). В каналах радиосвязи таких систем действует комплекс помех и искажений.

Идея разнесенного приема была реализована в 1927 г. для организации радиотелефонной коротковолновой связи. Впервые методы статистической теории связи к разнесенному приему были применены в конце 30-х годов. Но потребовалось еще несколько лет для разработки основных теоретических положений статистической теории

разнесенного приема [1]. Применение разнесения для борьбы с замираниями заключается в совместном использовании на приеме нескольких сигналов, несущих одну и ту же информацию, но пришедших различными путями. Разнесение выбирается таким образом, чтобы вероятность одновременных замираний всех используемых сигналов была намного меньше, чем какого-либо одного из них.

Методы передачи информации в современных системах широкополосного беспроводного доступа базируются на использовании технологии MIMO. Основная идея технологии MIMO представлена на рисунке.

Передающая часть системы содержит М передатчиков (Т±..ТМ) с передающими антеннами, тогда как приемная часть содержит N приемников и приемных антенн (Ri..Rn ).

Считается, что замирания порождаются рассеивающей средой H распространения радиосигнала.

Башкиров Алексей Викторович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-06, e-mail: kipr@vorstu.ru Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-ртехн. наук, профессор, тел. (473) 243-77-06, e-mail: kipr@vorstu.ru Свиридова Ирина Владимировна - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 243-77-06, e-mail: kipr@vorstu.ru

На рисунке стрелками показано, что сигнал любого из передатчиков Т может достигать входа любого из приемников ), претерпевая замирания. Работа системы обеспечивается мультиплексором на передаче, демультиплексором на приеме и приемником максимального правдоподобия на приемной стороне.

Общая структура системы MIMO

Для достижения высоких показателей эффективности систем MIMO появилась необходимость организации соответствующего согласования между передачей и обработкой сигналов на приеме. Это достигается за счет использования пространственно-временного кодирования, которое позволяет обеспечить достижение разумного компромисса между помехоустойчивостью и спектральной эффективностью[3].

Пространственно-временное кодирование использует два класса кодов - ортогональные и неортогональные. Различие этих методов состоит в удовлетворении условию ортогональности пространственно-временной матрицы. В современных системах связи используются оба типа кодов.Сравнивая ортогональные и неортогональные коды, необходимо отметить, что ценой повышения спектральной эффективности в системах с неортогональным пространственно-временным

кодированием является усложнение процедур обработки на приемной стороне, так как в этом случае не существует алгоритма, оптимального по критерию максимального правдоподобия и обладающего линейной вычислительной сложностью. При использовании

неортогональных кодов не всегда обеспечивается достаточное разнесение передаваемых сигналов, что приводит к снижению энергетической эффективности системы связи.

В современных стандартах IEEE 802.16e для сетей Wi-Max, IEEE 802.11n для сетей Wi-Fi, 3GPP R.8 для сетей LTE, регламентирующих радиоинтерфейс для систем беспроводного широкополосного доступа, рекомендуются к использованию

пространственно-временные коды обоих классов, ортогональные и неортогональные [2].

Можно отметить следующие плюсы при использовании технологии MIMO и пространственно-временного кодирования:

1. Возможность обмена энергетической эффективности на спектральную эффективность в многолучевых каналах.

2. Возможность сочетания методов пространственно-временного кодирования с высокоскоростными сигналами цифровой модуляции,обеспечивающими высокие показатели спектральной эффективности.

3. Возможность дальнейшего повышения помехоустойчивости систем с пространственно-временным кодированием при введении адаптивного регулирования структуры передаваемых сигналов по обратному каналу [6].

С первых шагов разработки теории ПВК-MIMO специалисты обратились к фундаментальным положениям теории информации о пропускной способности канала. Как известно, теория информации на основе подсчета пропускной способности канала позволяет определить предельные значения скорости передачи, хотя и не указывает на конкретный метод, реализующий эту скорость.

Известно две группы методов ПВК в каналах MIMO:

- пространственно-временное решетчатое кодирование (ПВРК);

- пространственно-временное блоковое кодирование (ПВБК).

Метод ПВРК сочетает преимущества методов пространственного разнесения с возможностями исправления ошибок корректирующим кодом при использовании оптимальных алгоритмов декодирования,

реализующих одновременно оптимальный алгоритм объединения разнесенных сигналов. При классическом корректирующем кодировании вводится избыточность во временной области. В системах с ПВРК вводится избыточность и в пространственной области, образованной несколькими

передающими антеннами и одной приемной антенной. За счет усложнения методов передачи и обработки сигналов на приемевозможно получить выигрыш в помехоустойчивости при использовании ПВРК.

Для реализации ПВРК выбирают сверточный код со скоростью R=k/n. Кодер такого кода генерирует последовательности, образующие кодовую решетку, по которой в процессе декодирования алгоритмом Витерби ведется поиск максимально правдоподобного пути.

В 1998 году Аламоути предложил новый подход к разделению М1МО-сигналовнаприемнойстороне. Данная схема была названа по имени автора и относится к классу ортогонального пространственно-временного блокового кодирования (ПВБК) [4].

Принцип кодирования по Аламоути состоит в том, что подлежащая передаче последовательность символов разбивается на пары (например, смежные четный и нечетный символы) %1 и%1+1 . Для передачи такого блока требуются два излучателя и два интервала передачи. В первом интервале передающая антенна 1 будет излучать сигнал символах;, тогда как антенна 2 - сигнал . В

следующем временном интервале антенна 1 передает сигнал - х*+1, а антенна 2 - сигналх*. Правило расположения символов «х» в виде матрицы в структуре кодера и есть блоковый код Аламоути.

Схема Аламоути с разнесенной передачей может уменьшить коэффициент ошибок, увеличить скорость передачи или емкость канала беспроводных систем связи. Уменьшенная чувствительность к замираниям может позволить использование

многопозиционных методов модуляции для повышения скорости передачи. Схема может быть также использована для увеличения зоны покрытиябеспроводной системы [4].

Преимущества ПВК:

- сигналы - переносчики при пространственно-временном кодировании, в отличие от широкополосных сигналов не требуют значительного расширения полосы частот при условии равной

помехоустойчивости. Для операторов систем

беспроводной связи это преимущество является решающим в условиях возрастающих запросов на услуги беспроводной связи, острого дефицита спектра и роста стоимости полос частот, выделяемых для систем беспроводной связи;

- универсальность и гибкость методов ПВК - лучшие возможности обмена энергетической эффективности на частотную эффективность в многолучевых каналах;

- возможность сочетания методов ПВК совместно с высокоскоростными сигналами цифровой модуляции, обеспечивающими высокие показатели частотной эффективности;

- возможность дальнейшего повышения помехоустойчивости систем с ПВК при введении адаптивного регулирования уровней передаваемых сигналов (адаптация к условиям многолучевости путем управления передающей стороной по обратному каналу);

-возможность встраиванияпростран-

ственно-временных конструкций в структуру сигналов в многопользовательских сетях [7].

Применение методов ПВК:

- включение методов ПВК в стандарты серии IEEE ( IEEE 802.11 и IEEE 802.16) [5];

- разработка и выпуск специализированных интегральных микросхем для систем ПВК-М1МОи последующее их внедрение в реальное оборудование. ВРоссии услуги

широкополосного доступа на основе этих стандартов предлагает рядкомпаний.

Литература

1. Андронов, И.С. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам [Текст] / И.С. Андронов,Л.М. Финк. - М.: Советское радио, 1971. - 408 с.

2. Банкет, В.Л. Сигнально-кодовые конструкции в телекоммуникационных системах [Текст] / В.Л. Банкет.-Одесса: Феникс, 2009. -180 с.

3. Вишневский, В.М. Энциклопедия Wi MAX: Путь к 4G [Текст] / В.М.Вишневский, С.Л.Портной, И.В.Шахнович. - М.: Техносфера, 2009.- 472 с.

4. Alamouti, S.M. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications [Текст] / S. M. Alamouti// IEEE J. Select. Areas Communication. - 1998.-Vol. 16, №8.- 1998.- P. 1451 - 1458.

5. Коротков, Л. Н. Использование LDPC-кодов [Текст] / Л. Н. Коротков, А. В. Башкиров, И. В. Свиридова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т.9, № 6. - С. 41-44.

6. Подвальный, С.Л. Концепция многоальтернативного управления открытыми системами: истоки, состояние и перспективы [Текст] /С. Л. Подвальный, Е. М. Васильев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. -Т.9, № 2. - С. 4-20.

7. Башкиров, А. В. Основы помехоустойчивого кодирования, основные преимущества и недостатки алгоритмов декодирования [Текст] /А. В. Башкиров, И. В. Свиридова, И. В. Остроумов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т.8, № 2. - С. 20-22.

BopoHe^CKHHrocygapcTBeHHbiHTexHHHecKHHyHHBepcHTeT

APPLICATION DIVERSITY TECHNIQUES FOR BETTER NOISE IMMUNITY BY THE TECHNIQUE OF SPACE-TIME

A.V. Bashkirov, V.M. Pitolin, I.V. Sviridova

The article provides a classification of methods of separation used to improve the noise immunity of discrete information transmission on radio channels. Considers the application of coding schemes to ensure a balance between energy performance and speed of information transmission

Keywords: separation transmit spatio-temporal coding scheme is the Alamouti