СПОСОБ АДАПТИВНОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ СИГНАЛЫ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ
ADAPTIVE MODULATION METHOD FOR COMMUNICATION SYSTEMS USING ORTHOGONAL FREQUENCY MULTIPLEXING SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам адаптивной модуляции, которое может быть использовано в беспроводных и проводных системах связи, использующих для передачи сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM).
Известен способ адаптивной модуляции, описанный в статье [1]. Данный способ заключается в том, что по принятому сигналу после временной синхронизации рассчитывается отношение средней мощности принятого полезного сигнала к мощности шума (ОСШ). Далее, согласно полученному значению ОСШ, выбирается наиболее подходящий индекс модуляции. Причем, ОСШ рассчитывается по случайному сигналу, пилотные последовательности не используются. Оценка ОСШ в данном способе производится путем измерения модуля вектора между принятыми точками созвездия и ближайшими опорными точками, рассчитанные значения сравниваются с пороговыми, после чего производится выбор вида модуляции. В статье приведены пороги для следующих индексов модуляции: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM. Далее полученная оценка передается на передающее устройство, где применяется при модуляции последующих потоков данных.
Недостатком данного способаявляется повышение вероятности битовой ошибки системы при низком ОСШ. Поскольку для оценки ОСШ используется только случайный принятый сигнал, не известный заранее приемнику, пилотная последовательность не используется. В связи с этим в случае низкого ОСШ в приемнике оценка будет выполняться неверно, так как на приемной стороне нет информации о исходном положении принятой точки созвездия. Некорректная оценка ОСШ происходит вследствие того, что точка может перейти из области исходной опорной точки в область соседней опорной точки созвездия. Это в свою очередь приведет к ошибке оценке ОСШ, так как оценка ОСШ в данном способе производится путем измерения модуля вектора между принятыми точками созвездия и ближайшими опорными точками, а не исходными.
Наиболее близким к заявляемому способу адаптивной модуляции, является способ, приведенный в статье [2]. В этом способе производится прием сигнала, после чего осуществляется временная синхронизация, оценка канала связи и эквалайзирование. Далее осуществляется деление спектра сигнала на подгруппы поднесущих, для которых выполняется расчет отношения сигнал-шум для каждой поднесущей и среднего значения отношения сигнал-шум для подгруппы. После перечисленных расчетов в каждой подгруппе в соответствии с пороговой сеткой модуляций (пороги для используемых видов модуляций) назначается индекс модуляции. Следующий этап - это расчет общего количества бит на OFDM символ. Далее осуществляется передача массива назначенных индексов модуляций на передающую часть по наиболее помехозащищенному каналу связи. После чего последующие данные модулируются в соответствии с полученным массивом.
Недостатком данного способа является повышение вероятности битовой ошибки системы при низком ОСШ. Поскольку для оценки ОСШ используется только случайный принятый сигнал, не известный заранее приемнику, пилотная последовательность не используется. В связи с этим в случае низкого ОСШ в приемнике оценка ОСШ будет выполняться неверно, так как на приемной стороне нет информации об исходном положении принятой точки созвездия. Некорректная оценка ОСШ происходит вследствие того, что точка может перейти из области исходной опорной точки в область соседней опорной точки созвездия. Это в свою очередь приведет к ошибке оценке ОСШ, так как оценка ОСШ в данном способе производится путем измерения модуля вектора между принятыми точками созвездия и ближайшими опорными точками, а не исходными. Кроме этого недостатком данного способа является то, что решение о назначении индекса модуляции для группы поднесущих принимается на основании однократной оценки, поскольку частотный интервал расположения группы поднесущих может перекрываться с периодически возникающей активной помехой, которая может не действовать в момент оценки, но возникнуть при последующей передаче данных. Это также приведет к возникновению дополнительных ошибок.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - снижение количества ошибок при передаче сигналов в каналах с активными помехами, при низком ОСШ, а также в каналах с многолучевостью, непостоянными, быстроизменяющимися характеристиками.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе адаптивной модуляции, включающем прием сформированного передатчиком сигнала, синхронизацию по времени и частоте, расчет быстрого преобразования Фурье для информационных OFDM символов, оценку передаточной характеристики канала, эквалайзирование, деление спектра сигнала на подгруппы поднесущих, передачу массива индексов модуляции по дополнительному помехозащищенному каналу, дополнительно производится операция формирования пилотного OFDM символа в каждом передаваемом кадре, прием пилотного OFDM символа, расчет быстрого преобразования Фурье для пилотного OFDM символа, оценка передаточной характеристики канала по пилотному OFDM символу, эквалайзирование пилотного OFDM символа, расчет вектора ошибки между принятыми точками созвездия и исходным значением каждой точки пилотного OFDM символа, выбор максимального значения вектора ошибки для каждой из подгрупп поднесущих, фильтрация (корректировка) полученных значений векторов ошибок для подгрупп поднесущих на основе предыдущих измерений, включающая сохранение значений предыдущей оценки векторов ошибки, сравнение их с новой оценкой, принятие решения об установившемся значении оценки на основе сравнения, назначение индексов модуляций в соответствии с установленными порогами, выбранными для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки в приемном устройстве.
n
n
n
n
n
Функциональная схема предлагаемого способа приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - Прием n-го пилотного OFDM символа, 2 - Временная синхронизация 3 - Частотная синхронизация, 4 - Быстрое преобразование Фурье, 5 - Оценка канала распространения по пилотным поднесущим, 6 - Эквалайзирование, 7 - Оценка вектора ошибки для каждой поднесущей (e), 8 - Группировка m подгрупп по l поднесущих спектра сигнала (E), 9 - Выбор максимального значения вектора ошибки в каждой i-й подгруппе поднесущих (M), 10 - Фильтрация полученных значений на основе предыдущих измерений (R), 11 - Назначение индексов модуляции по подгруппам (P), 12 - Передача полученного массива индексов модуляций на передающую часть.
Подробное описание способа
t
На передающей стороне формируется пилотный OFDM символ, имеющий структуру аналогичную следующим за ним информационным символам. Для формирования пилотного OFDM символа используется последовательность бит, которая модулируется квадратурным амплитудным модулятором (КАМ). Полученный таким образом пилотный OFDM символ добавляется в начале каждого кадра согласно структуре, представленной на фиг. 2. Кадр состоит из пилотного OFDM символа P и t информационных символов U. Пилотный символ не несет пользовательской информации и полностью известен на приемной стороне.
Приемником принимается и оцифровывается кадр. Производится временная синхронизация с началом кадра по пилотному OFDM символу. Временная синхронизация может быть выполненная путем расчета взаимной корреляционной функции между принятым пилотным OFDM символом и опорным сигналом [3]. Далее выполняется частотная синхронизация. Алгоритмы частотной синхронизации приведены в [4]. Для перехода из временной области в частотную выполняется расчет быстрого преобразования Фурье. После по пилотным поднесущим осуществляется оценка передаточной функции канала связи. Полученная оценка используется для операции эквалайзирования спектра принятого пилотного OFDM символа [5].
Отсчеты спектра принятого OFDM символа представляют собой вектор :
, (1)
где:
- это номер принятого пилотного OFDM символа,
- это номер поднесущей в спектре пилотного OFDM символа,
- это общее количество используемых поднесущих спектра пилотного OFDM символа.
Опорный сигнал в приемной части представляет собой вектор эталонных значений  в частотной области:
. (2)
Далее выполняется расчет векторов ошибки  для каждой поднесущей по следующей формуле (3):
. (3)
Следующим этапом является группировка векторов ошибок  в  подгрупп по  поднесущих. Данная группировка позволяет сократить количество необходимых вычислений, выполняемых в дальнейшем, и уменьшить количество служебной информации, требуемое для передачи массива индексов модуляций на передающее устройство. Количество поднесущих в одной подгруппе, как и само количество подгрупп, определяется полосой когерентности канала.
. (4)
Далее в каждой подгруппе выбирается максимальное значение, таким образом получая вектор максимальной ошибки в каждом из подгрупп поднесущих :
. (5)
Максимальное значение вектора ошибки соответствует наихудшему варианту в подгруппе поднесущих. Данный метод оценки предполагается использовать в каналах с многолучевым распространением сигнала и непостоянными, быстроменяющимися характеристиками. В таком случае канал распространения сигнала будет обладать не большой полосой когерентности, в которую будет входить небольшое количество поднесущих. Как показало практическое исследование алгоритма наибольшую надежность и стабильность в таком случае обеспечивает выбор именно максимального значения в подгруппе, а не среднего.
Следующий этап - это фильтрация и корректировка полученного массива векторов ошибок . Предполагается, что в приемном устройстве хранится предыдущие значения оценки. Суть данной операции описывается формулой (6), представленной ниже.
. (6)
где:
- это итоговая оценка канала передачи на текущий момент времени,
- это итоговая оценка канала передачи, выполненная в предыдущую итерацию алгоритма,
- это декремент фильтра.
В случае, если ситуация ухудшилась для данной подгруппы поднесущих, то есть значение нынешней оценки вектора ошибки  больше установленной ранее  принимается текущее значение оценки вектора ошибки. Если ситуация в канале улучшилась, то есть значение нынешней оценки вектора ошибки  меньше установленной ранее  то от предыдущей оценки отнимается значение  которое вычисляется по формуле (7):
. (7)
где:
-
коэффициент инерционности фильтра.
Таким образом мы получаем фильтр, который быстро реагирует на ухудшения в канале передачи и медленно на улучшения. Это позволяет получить более стабильную оценку помеховой обстановки в канале, так как имеют меньшее влияние случайные улучшения, которые могут возникнуть в подгруппах поднесущих, в результате того, что однократное измерение дало оценку, свидетельствующую об улучшениях в канале передачи. Такой подход позволяет сохранить вероятность битовой ошибки на одном уровне и не приводит к резкому увеличению числа ошибок. Коэффициент  определяет инерционность фильтра. Чем больше данный коэффициент, тем медленнее реакция фильтра на улучшение в канале. Значение коэффициента выбирается исходя из времени когерентности канала.
Полученный массив  является итоговой оценкой канала передачи на текущий момент времени и используется для назначения порогов. Пороги выбираются исходя из требуемой вероятности битовой ошибки на приемном устройстве. На фиг. 3 приведена зависимости вероятности битовой ошибки от значения порога для некоторых видов модуляции, на котором обозначено: зависимость вероятности битовой ошибки от порога  для BPSK, QPSK, QAM16, QAM64. Массив номеров индексов модуляций определяется исходя из условий, представленных в формуле (8):
. (8)
В представленном примере нумерация видов модуляций идет от 1 до 4 в порядке возрастания индекса модуляции. Значение «0» соответствует диапазонам поднесущих, которые запрещены для передачи данных.
После того как выполнено назначение индексов модуляции, полученный массив должен быть отправлен на передающую сторону по высоконадежному, более помехозащищенному служебному каналу передачи данных. Кроме того, данный массив поступает в блок приема информационных данных для верной демодуляции последующих сообщений.
Предлагаемый способ обеспечивает снижение количества ошибок при передаче сигналов при низком ОСШ, а также в каналах с многолучевостью и непостоянными, быстроизменяющимися характеристиками. Преимущество данного способа заключается в том, что использование пилотной последовательности для выполнения оценки канала передачи повышает точность ее определения. Процедура дополнительной фильтрации оценок позволяет учитывать предыдущие оценки, быстро реагировать на ухудшения в канале передачи (возникновение импульсных и узкополосных помех) и медленно на улучшения. Это исключает возможность принятия неверной оценки в случае случайных (или очень кратковременных) улучшений в канале, которые обычно приводят к большому количеству ошибок на приемной стороне. Это позволяет обеспечить более стабильную связь с заданными характеристиками по вероятности битовой ошибки на приемной стороне. Снижение вероятности битовой ошибки может достигать 10% по сравнению с способом - прототипом.
Использованные источники
1. Rajesh M.N. et al. An analysis of BER comparison of various digital modulation schemes used for adaptive modulation // 2016 IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information & Communication Technology (RTEICT). - IEEE, 2016. - С. 241-245.
th
2. Grunheid R., Bolinth E., Rohling H. A blockwise loading algorithm for the adaptive modulation technique in OFDM systems // IEEE 54 Vehicular Technology Conference. VTC Fall 2001. Proceedings (Cat. No. 01CH37211). - IEEE, 2001. - Т. 2. - С. 948-951.
3. Пат. РФ № 2367972, МПК G01S 5/06. Способ оценки точности определения местоположения источника радиоизлучения пассивной разностно-дальномерной системой. Опубл. 20.09.2009.
4. Шахтарин Б.И. и др. Метод частотной синхронизации для OFDM-систем в каналах с аддитивным белым гауссовым шумом и рэлеевскими замираниями // Вестник Московского государственного технического университета им. НЭ Баумана. Серия «Приборостроение». - 2016. - №. 2 (107).
5. Рогожников Е.В., Абенов Р.Р., Вершинин А.С., Ворошилин Е.П. Исследование методов эквалайзирования для систем связи с использованием OFDM-сигналов // Вестник СибГУТИ. 2013. № 1 (21). С. 50-56.