Экспериментальное исследование цифровой компенсации полнодуплексной системы беспроводной связи

В качестве одного из возможных вариантов дополнительного увеличения производительности RADIUS-сервера можно рассмотреть предобработку данных, заключающуюся в хранении и обработке данных в кэше для последующей передачи в биллинг. Предобработка должна обеспечить значительное уменьшение времени обработки запросов Accounting Request (данные запросы по сути представляют собой постоянную нагрузку), что, в свою очередь, должно привести к увеличению общей производительности RADIUS-сервера. Исследование данного метода в сочетании с кэшированием данных может найти себя как направления для дальнейших работ.

Список литературы:

1. Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. - 363 с.

2. Петров Н.В. Моделирование работы RADIUS-сервера в телекоммуникационной компании // Перспективы развития информационных технологий. - 2013. - № 14. - 145 с.

3. Петров Н.В. Моделирование работы RADIUS-сервера с кэшированием данных // Перспективы развития информационных технологий. - 2014. -№ 23. - 150 с.

4. FreeRADIUS: The world's most popular RADIUS Server [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.freeradius.org/ (дата обращения: 12.01.2015).

5. Remote Authentication Dial In User Service (RADIUS) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tools.ietf.org/html/rfc2138 (дата обращения: 12.01.2015).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ КОМПЕНСАЦИИ ПОЛНОДУПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

© Рогожников Е.В.*, Колдомов А.С.4

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск

В данной статье речь идет о цифровой компенсации сигнала собственного передатчика полнодуплексной системы беспроводной связи. Описывается структурная схема процесса цифровой компенсации и приводится методика получения цифровых отсчетов компенсирующего сигнала. Производится экспериментальные исследования уровня цифровой компенсации.

Ключевые слова: полнодуплексная связь, цифровая компенсация, аналоговая компенсация, беспроводная связь, сигнал-помеха.

* Аспирант кафедры Телекоммуникаций и основ радиотехники (ТОР).

* Аспирант кафедры Телекоммуникаций и основ радиотехники (ТОР).

Введение

С увеличением пользовательского траффика в современных сетях все большие требования возлагаются на уплотнение сигналов для сохранения частотного ресурса беспроводных сетей.

В настоящее время беспроводные приемники основываются на двусторонней поочередной работе, либо работе в разных частотных диапазонах. Традиционно системы связи используют дуплексное разделение передаваемой и принимаемой информации, временное или частотное. В первом случае передача и прием ведется в различные временные интервалы, во втором на разных частотах для приема и передачи.

Одним из способов удвоения скорости передачи данных является полнодуплексная связь [1]. При полном дуплексе передача и прием данных производится одновременно, в одной полосе частот. Сложность реализации такой системы связи заключается в том, что в каждом приемо-передающем пункте сигнал с выхода передатчика поступает на вход собственного приемного оборудования, при этом мощность данного сигнала-помехи во много раз (около 70 дБ) превышает мощность полезного сигнала принимаемого от удаленного приемо-передающего пункта. Таким образом, приемный тракт каждого приемо-передающего пункта будет принимать собственный передаваемый сигнал высокого уровня, а прием полезного сигнала с удаленного пункта будет затруднен.

Предложены цифровые и аналоговые методы компенсации сигнала-помехи [1].

Суть аналоговой компенсации заключается в том, что передаваемый сигнал по кабелю подается в приемный тракт в противофазе, для того чтобы сложиться с сигналом поступивший через среду распространения и скомпенсировать его. Применение цепи аналоговой компенсации может устранить до 45 дБ мешающего сигнала.

При использовании полнодуплексной связи в городской среде, либо внутри помещений нельзя исключать многолучевость канала распространения радиоволн (РРВ) между передающей и приемной антенной, что будет значительно влиять на уровень помехи, оставшейся в приемном тракте после аналоговой компенсации. Для устранения влияния канала РРВ предлагается ввести дополнительную цифровую компенсацию помехи, оставшейся после аналоговой компенсации [2].

Описание метода цифровой компенсации

Цифровая компенсация (рис. 1) состоит из двух компонентов: оценка канала внутренней интерференции и использование полученной оценки канала и известного передаваемого сигнала для формирования цифровых отчетов сигнала компенсации [3].

Рис. 1. Схема цифровой компенсации сигнала

Искажения сигналов, вызванные многолучевостью распространения, приводят к значительным погрешностям оценок их параметров. Для устранения влияния канала на практике используются алгоритмы эквалайзирова-ния предполагающие оперативную оценку передаточной функции канала. Эффективность эквалайзирования напрямую определяется точностью оценки передаточной функции [4].

Для того чтобы оценить канал, устройство использует заранее известные символы (пилотные сигналы), включенные в переданный пакет OFDM сигнала.

На основе оценки передаточной функции канала распространения формируется сигнал цифровой компенсации. Формирование сигнала компенсации осуществляем по формуле:

i™ (k) = 4 (k) • H (к) • (-1),

где Гкомп(&) - сигнал цифровой компенсации;

Sn (к) - спектр собственного сигнала (сигнал-помеха);

H(k) - оценка передаточной функция канала РРВ.

Цифровая компенсация осуществляется путем сложения спектральных отсчетов принимаемого сигнала после аналоговой компенсации и найденного сигнала компенсации.

(к) = SBbK (к) + (^омп (к)).

После цифровой компенсации на основе пилот-сигналов производится оценка канала между удаленным передатчиком и собственным приемником. На основании оценки производится эквалайзирование частотных состав-

ляющих принятого сигнала для выравнивания амплитудных и фазовых соотношений спектральных составляющих сигнала.

Экспериментальное исследование

Целью экспериментального исследования является экспериментальная проверка метода цифровой компенсации сигнала передатчика в приемном канале. Необходимо получить зависимости уровня отношения сигнал / шум после компенсации от времени, при различных отношениях уровня сигнала к уровню помехи.

Для проведения эксперимента было использовано следующее оборудование:

- векторный генератор сигналов Agilent PSG E8257D;

- векторный генератор сигналов Agilent MXG N5182B ;

- анализатор спектра Rohde & Schwarz FSV;

- 3 широконаправленные антенны;

- высокочастотный сумматор

- персональный компьютер с необходимым программным обеспечением.

Схема соединения оборудования представлена на рис. 2:

Рис. 2. Схема соединения оборудования для проведения эксперимента

Сигналы от двух генераторов поступают на две передающие антенны. В приемной антенне происходит сложение прямых и всех отраженных сигналов, и затем суммарный сигнал подается на анализатор спектра для анализа.

С помощью программного обеспечения Matlab были сформированы два сигнала OFDM полосой 10 МГц. Структура OFDM символа приведена на рис. 4. Символ OFDM состоит из 1024 поднесущих в частотной области. Для передачи используется 768 информационных поднесущих. Слева и справа от информационных поднесущих вставлены защитные интервалы на 128

и 127 поднесущих соответственно, также добавлена центральная нулевая поднесущая (рис. 3).

Поднесущие информационные частоты

Поднесущие частоты защитного интервала 1 128

1

512 514

513

897 Поднесущие I мастоты защитного

интервала

1024

Центральная под несущая

Рис. 3. Структура поднесущих символа OFDM Структура полезного сигнала и сигнала-помехи представлена на рис. 4.

Сигнал-помеха

1 2 3 • • • 18 19 20

1 2 • • • 16

Полезный сигнал

Нулевые поднесущие

Рис. 4. Структура полезного сигнала и сигнала-помехи

Полезный сигнал состоит из 20 символов OFDM. Причем последние четыре символа, заменены нулевыми отсчетами для возможности оценки импульсной характеристики и передаточной функции канала передачи. Сигнал помеха состоит из 20 OFDM символов по 1024 точки.

Экспериментальный стенд представлен на рис. 5.

Рис. 5. Экспериментальный стенд

В ходе проведения эксперимента были проделаны следующие шаги:

Полезный сигнал и сигнал помеха с выхода векторных генераторов поступают в передающие антенный. На входе приемной антенны происходит интерференция полезного сигнала, сигнала помехи а также переотраженных сигналов. Векторным анализатором спектра производится регистрация сигналов. Изначально мощности полезного сигнала и сигнала помехи равны, в анализаторе спектра производится регистрация сигналов, после чего уровень мощности полезного сигнала понижается с шагом 5 дБ, С регистрацией сигналов на каждом шаге. Уменьшение мощности полезного сигнала осуществлялась вплоть до отношения полезного сигнала к сигналу помехи в минус 30 дБ. По полученным данным был произведен анализ с помощью программного обеспечения MATLAB.

Обработка экспериментальных данных

Анализ производился с помощью программного обеспечения Matlab и состоял из следующих этапов:

1. Запись сигнала в память ЭВМ.

2. Оценка передаточной функции канала по известному опорному сигналу (сигналу-помехе) с использованием одного из OFDM символов.

3. Формирование сигнала компенсации по известной оценке передаточной функции и по известному сигналу помехе.

4. Компенсацию принятого сигнала во временной области.

5. Повторная оценка передаточной функции канала по известному опорному сигналу (полезному сигналу).

6. Эквалайзирование сигнала по найденной оценке канала передачи после цифровой компенсации.

7. Нахождение мощности полезного сигнала, а также мощность шума для каждого символа OFDM после компенсации и эквалайзирования.

Результаты экспериментального исследования

Была построена зависимость для отношений мощности сигнала к мощности помехи в 0 дБ, минус 5 дБ, минус 10 дБ, минус 15 дБ и минус 30 дБ. График зависимости представлен на рис. 6.

Исходя из полученного графика, можно найти необходимое отношение мощности сигнала к мощности помехи перед цифровой компенсацией для нахождения приемлемого значения сигнал / шум и получения требуемой вероятности битовой ошибки конкретного вида модуляции. Также можно определить с каким интервалом по времени необходимо производить оценку канала передачи для получения необходимого отношения мощности сигнала к мощности шума.

Отношение сигнал помеха

П 25

3 20

0.2

0.4

0.6 0.8 Время, мс

1.2

1.4

Рис. 6. Зависимость отношения сигнал / шум от времени при различных отношениях сигнал / помеха при передаче по беспроводному каналу передачи

По результатам экспериментальных исследований при отношении сигнал / помеха в минус 5 дБ удалось добиться компенсации в 30 дБ, при отношении сигнал / помеха в минус 15 дБ удалось добиться компенсации в 18-19 дБ, при отношении сигнал / помеха в минус 30 дБ удалось добиться компенсации в 15 дБ.

Заключение

В условиях многолучевого канала распространения радиоволн, методы аналоговой компенсации не могут полностью устранить влияние помехи на «полезный сигнал». Для полной компенсации сигнала помехи в приемном тракте необходимо использовать цифровые методы компенсации, уровень которой должен достигать 30-40 дБ. По результатам экспериментальных исследований при отношении сигнал / помеха в минус 5 дБ удалось добиться компенсации в 30 дБ, при отношении сигнал / помеха в минус 15 дБ удалось добиться компенсации в 18-19 дБ, при отношении сигнал / помеха в минус 30 дБ удалось добиться компенсации в 15 дБ. Такое значение связано с влиянием многолучевого канала передачи, так как передача ведется при помощи широконаправленных антенн.

Список литературы:

1. Jain M. et al. Practical, real-time, full duplex wireless // Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking. -ACM, 2011. - С. 301-312.

0

1

2. Achaleshwar Sahai, Gaurav Patel and Ashutosh Sabharwal. Pushing the limits of Full-duplex: Design and Real-time Implementation // Department of Electrical and Computer Engineering Rice University Technical Report TREE1104, 2011. - 12 с.

3. Traffic and market report june 2012 on the pulse of the networked society [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ericsson.com/res/docs/ 2012/traffic_and_market_reportjune_2012.pdf, свободный (дата обращения: 23.01.2015).

4. Самсонов В. Преодоление ограничений скорости передачи по беспроводному каналу [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rus-sianelectronics.ru/leader-r/review/2187/doc/53378/, свободный (дата обращения 10.02.2015).