Оценка параметров радиоканала по обучающей последовательности в OFDM

11. Лохвицкий М.С. Алгоритм оптимального приёма сигналов OFDM. В книге: Мобильный Бизнес: перспективы развития и реализации систем радиосвязи в России и за рубежом сборник материалов XL международной конференции РАЕН. 2017. - С. 14-16.

12. Лохвицкий М.С. Оптимальный прием сигналов OFDM с использованием обучающих последовательностей // Экономика и качество систем связи, 2017. - № 3 (5). - С. 61-65.

13. Шорин О.А., Щучкин В.М. Использование интеллектуальных антенн в системах мобильной связи для снижения перегрузок // Труды МАИ, 2012. - № 53. - С. 19.

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАДИОКАНАЛА ПО ОБУЧАЮЩЕЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В OFDM

М.С. Лохвицкий, доцент кафедры «Теория вероятностей и прикладная математика» МТУСИ, к.т.н., msl@mtuci2.ru; А. А. Слепухин, студент МТУСИ

УДК 621.396_

Аннотация. Рассматривается задача сокращения числа защитных интервалов в множественном доступе с ортогональным частотным разделением каналов, с использованием предварительной оценки импульсного отклика канала в приемном устройстве и последующим сравнением последовательности информационных сигналов, прошедших по радиоканалу, со всеми возможными значениями образцов сигналов.

Ключевые слова: OFDM; сокращение числа защитных интервалов; обучающая последовательность; импульсный отклик канала.

ESTIMATION OF RADIO CHANNEL PARAMETERS FROM THE TRAINING

SEQUENCE IN OFDM

Mikhail Lokhvitskiy, associate professor of the "Probability theory and applied mathematics" department MTUCI, candidate of technical sciences; Arseniy Slepukhin, student MTUCI

Annotation. The problem of reducing the number of guard intervals in orthogonal frequency division multiple access is considered using a preliminary estimate of the channel impulse response at the receiver and then comparing the sequence of information signals transmitted over the radio channel with all possible values of the signal samples.

Keywords: OFDM; reduction of the number of guard intervals; training sequence; impulse response of the channel.

В современной радиосвязи основным методом мультиплексирования сигнала является OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов). Этот метод используется в Wi-Fi, WiMax, LTE, McWiLL, в цифровом телевизионном вещании DVB и в звуковом вещании DRM. Это связано с тем, что современные системы характеризуются высокоскоростной передачей данных, сокращением длительности импульсов и появлением межсимвольной интерференции. На рис. 1 показана структурная схема работы приёмного устройства.

Рисунок 1

Метод OFDM позволяет за счет распараллеливания входного потока данных существенно снизить скорость передачи в каждом потоке, что позволяет увеличить длительность каждого импульса [1, 2]. Для «борьбы» с многолучевостью вводятся защитные интервалы, которые вставляются после каждого символа. Вместе с тем существует возможность существенно сократить количество защитных интервалов [3-5]. Суть этого способа заключается в оценке импульсного отклика канала по обучающей последовательности, в формировании образцов последовательности из N информационных сигналов и выборе той последовательности на приёмном устройстве, входящий сигнал, которого наименее отличается от одного из образцов [3, 6-10] (рис. 1).

Количество необходимых образцов сигнала равняется 2N. Это число очень большое, его можно существенно сократить, используя алгоритмы Витерби. Тем не менее, проверка на практике предложенных алгоритмов очень затруднительна.

На рис. 2 изображена модель симулятора приёмо-передатчика и канала с многолучёвостью. Приёмник, передатчик и имитатор канала выделены пунктиром.

Эта модель симулирует процесс передачи обучающей последовательности по каналу OFDM. Генерируется последовательность битов, по которой затем создается передаваемый сигнал OFDM, поступающий на имитатор канала. В приёмном устройстве по полученному сигналу с помехами оценивается импульсный отклик канала.

В качестве критерия, учитывающего качество оценивания амплитуды каждого луча, используется среднеквадратический критерий качества:

RWi.....йЛ = - uk

где: Uk (k = 1,2,..., L) амплитуда k-го луча, Uk - оценка амплитуды; T - длительность посылки сигнала обучающей последовательности, m - число членов обучающей последовательности.

Проведено моделирование для случая двух лучей (L=2). При моделировании амплитуды лучей принимались равными +1 и -1 (они априорно предполагаются неизвестными на приёмной стороне). В качестве обучающей последовательности выбрана последовательность 1, 0. 0, 0, 0, 0, 1. При передаче 0 заменяется на -1. Таким образом при моделировании

последовательность была следующей: +1, -1, -1, -1, -1, -1, 1 [11-16]. С учетом многолучевости соответствующая последовательность импульсов изображена на рис. 3.

Передатчик

Имитатор канала

Имитатор многолучевости

1

Генератор шума

1

Приемник

Рисунок 2

Исходная последовательность: 1 0 0 0 0 0 1

Рисунок 3

Оценки параметров получаются из нахождения минимума функции риска (1) и имеют вид (формулы 2 и 3):

и1

__7Т" ]ГГ

и2

Здесь, и0(лз)(0 - входной сигнал в приёмном устройстве; и1(лз)&) - этотже сигнал с отвода линии задержки на время Т. Задержка вводится для того, чтобы оценивать амплитуды всех лучей при одном и том же знаке членов обучающей последовательности коэффициента Ок определяются по формулам 4 и 5:

_ _ 1 С11 = С22 = 1

тТ

С12 = С21 =

Тт2(1

-У=1 s[ i Мг +1]_

1 л

т2 Z^sV - 1MZ] * ZT^sV^l + 1]

На рис. 3 представлена последовательность импульсов с учётом многолучёвости. Для вычисления значений Cik для рассматриваемой обучающей последовательности сначала вычисляется сумма:

7

Cik=^s[l-1]s[l] = 1=1

= 1* (-1) + (-1) * (-1) + (-1) * (-1) + (-1) * (-1) + (-1) * (-1) + (-1) *1 = 2 В итоге получаем следующие значения коэффициентов (6-7):

_ _ 1

С11 = С22 = 1

7Т

_ _ 1 С12 = С21 =

1

49Т

После интегрирования произведений в формулах (2-3), получим (8-9):

т и

У [ ^[1]и1(лз)(0М = Т(1 + 2 + 0 + 0 + 0 + 0 + 2) = 5Т

1 к-)т

т 1Т

У [ *[1]и0(лз)(г)йг = Т(-2 + 0 + 0 + 0 + 0- 2-1) = -5Т Х=1 Ь-ит

В итоге получим следующие оценки амплитуд импульсного отклика

5Т 2*5 Т

и =-д^ +-Тк = 1

7Т*499 49Т*45 0°)

_ -5Т 2* 5Т _ U2=~~45 + ,QT45 = -1

7 Т*49 49Т*49 У J

Таким образом, оценки амплитуд совпали со значениями самих амплитуд, что естественно при отсутствии помех, т. е. показана работоспособность предложенного симулятора.

Литература

1. Лохвицкий М.С., Мардер Н.С. Сотовая связь: от поколения к поколению - М.: Изд-во ИКАР, 2014. - С. 236.

2. Moray Rumney. LTE and Evolution to 4G Wireless. Design and Measurement Challenges. Agilent Technologies. WILEY. 2013. - P. 626.

3. Лохвицкий М.С. Способ приема сигналов OFDM. Патент на изобретение № 2646361. 2018, бюллетень № 2.

4. Лохвицкий М.С. Алгоритм оптимального приёма сигналов OFDM. В книге: Мобильный Бизнес: перспективы развития и реализации систем радиосвязи в России и за рубежом сборник материалов XL международной конференции РАЕН. 2017. - С. 14-16.

5. Лохвицкий М.С. Оптимальный прием сигналов OFDM с использованием обучающих последовательностей // Экономика и качество систем связи, 2017. - № 3 (5). - С. 61-65.

6. Левченко Ю.Г., Лохвицкий М.С. Устройство выделения импульсного отклика канала по обучающей последовательности. А.С. №1425852, 1987.

7. Шахгильдян В.В., Лохвицкий М.С. Методы адаптивного приёма сигналов. - М.: Изд-во Связь,1974. - С. 3-158.

8. Лохвицкий М.С., Мардер Н.С. Сотовая связь: от поколения к поколению - М.: Изд-во ИКАР, 2014. - С. 236.

9. Аджемов А.С., Лохвицкий М.С., Б.П. Хромой Б.П. Обеспечение единства измерений времени соединения и объёма информации в системах мобильной связи // Экономика и качество систем связи, 2016. - № 1. - С. 18-23.

10. Лохвицкий М.С. Синхронизация работы мобильных терминалов в сотовой связи с использованием спутниковых систем // Экономика и качество систем связи, 2017. - № 4 (6). -С. 51-55.

11. URL https://ru.wikipedia.org/wiki/Сферическая_теорема_Пифагора

12. Lokhvitskij M.S. Mositaltel training centre // Электросвязь, 1995. - № 11. - С. 15.

13. Лохвицкий М.С. Алгоритмы оптимального приема сигнала и обучающие последовательности в сотовой связи в сборнике: Мобильный Бизнес: перспективы развития и реализации систем радиосвязи в России и за рубежом. Сборник материалов XXXV Международной конференции РАЕН. 2014. - С. 16-25.

14. Аджемов А.С., Лохвицкий М.С., Хромой Б.П. Развитие электротехники в России. В сборнике: Телекоммуникационные и вычислительные системы Труды конференции. 2015. - С. 11-12.

15. Лохвицкий М.С. Синхронизация работы терминалов сотовой связи с использованием спутниковых систем. В книге: Мобильный Бизнес: перспективы развития и реализации систем радиосвязи в России и за рубежом сборник материалов XL международной конференции РАЕН. 2017. - С. 13-14.

16. Шорин О.А., Щучкин В.М. Использование интеллектуальных антенн в системах мобильной связи для снижения перегрузок // Труды МАИ, 2012. - № 53. - С. 19.