СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ЗАМИРАНИЯ РАДИОКАНАЛА ПО ЗАКОНУ РАЙСА ПО ИНФОРМАЦИОННОМУ МНОГОЧАСТОТНОМУ СИГНАЛУ
METHOD OF DETERMINING RADIO CHANNEL FREEZING MODEL PARAMETERS ACCORDING TO RICE LAW BASED ON MULTI-FREQUENCY INFORMATION SIGNAL

Изобретение относится к области электрорадиотехники и связи и может быть использовано в системах передачи данных, использующих многочастотные сигналы с ортогональным частотным разделением каналов, для оценки параметров канала связи.
Для обеспечения стабильной работы системы передачи данных необходимо осуществлять контроль качества используемого канала связи. Критерием качества канала в цифровых системах связи является вероятность ошибки на бит, которая однозначно связана с параметрами модели замираний. Поэтому актуальной является задача определения параметров модели замираний радиоканала по закону Райса по результатам анализа информационного многочастотного сигнала.
Известен способ измерения параметров распределения Райса, описанный в патенте США №6868120. Он заключается в том, что на приемной стороне нормируют принимаемый сигнал, затем пропускают его через низкочастотный фильтр для устранения высокочастотного шума при его наличии. Затем квадрат амплитуды отфильтрованного сигнала возводят в квадрат, чтобы получить мощность. После этого вычисляют сумму мощности и возведенной мощности в квадрат на длительности некоторого окна анализа. Затем эти суммы усредняются для получения первого и второго момента выборок. Затем усредненные значения пропускают через низкочастотный фильтр, чтобы уменьшить флуктуации. Усредненные величины подают на вход блока решения уравнений Гринштейна - Майкельсона - Эрсега (GME) на основе метода моментов, для получения оценок средней мощности и дисперсии мощности. Затем параметры распределения вычисляют в соответствии с данными уравнениями и пропускают через низкочастотный фильтр для сглаживания результатов.
Данный способ требует отсутствия блока автоматической регулировки усиления перед входом. Кроме того, наличие большого количества низкочастотных фильтров значительно увеличивают время реагирования на изменение параметров канала связи, что в сумме приводит к увеличению погрешности измерений.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, описанный в [L.J. Greenstein et al. "Moment-Method Estimation of the Ricean K-Factor", IEEE Communications Letters, vol. 3, no. 6, june 1999], который принят за прототип. Оценка параметров формируется с помощью анализа амплитуд полезного сигнала на основе метода моментов.
a
v
Известный способ определения параметров распределения Райса работает следующим образом. На приемной стороне оцифровывают принимаемый сигнал в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП), затем передают оцифрованный сигнал с выхода АЦП на вход блока вычисления амплитуды, в котором определяют амплитуду принимаемого сигнала на используемой частоте на длительности элементарной посылки. Затем с выхода блока вычисления амплитуды вычисленное значение амплитуды передают на вход первого квадратора, в котором полученное значение возводят в квадрат. Далее с выхода первого квадратора полученное значение передают одновременно на вход второго квадратора и вход первого блока накопления, в котором накапливают последние N значений. С выхода первого блока накопления накопленный массив значений передают на вход первого сумматора, в котором вычисляют сумму всех значений массива. Затем с выхода первого сумматора вычисленное значение передают на вход первого делителя, в котором делят полученное значение на N, а результат деления передают одновременно на первый вход блока нахождения параметров распределения и на второй вход блока вычитания, при этом с выхода второго квадратора полученное значение передают на вход второго блока накопления, в котором накапливают последние N значений. С выхода второго блока накопления накопленный массив значений передают на вход второго сумматора, в котором вычисляют сумму всех значений массива. Затем с выхода второго сумматора вычисленное значение передают на вход второго делителя, в котором делят полученное значение на N, а результат деления передают на первый вход блока вычитания, в котором вычитают из значения, полученного по первому входу, значение, полученное по второму входу. Далее результат передают на второй вход блока нахождения параметров распределения, где определяют параметр распределения (регулярную составляющую отношения сигнал/шум) по формуле , где G - значение, полученное по первому входу, а где G - значение, полученное по второму входу блока нахождения параметров распределения.
На приемной стороне реальных систем связи обычно присутствует блок автоматической регулировки усиления (АРУ) для приведения уровня входного сигнала к значению, обеспечивающему оптимальную работу АЦП. В таком случае, выборочная плотность амплитуды не будет являться соответствующей состоятельной оценкой истинной плотности распределения. Таким образом, недостатком прототипа является то, что он не учитывает наличие блока АРУ и получаемая данным способом оценка будет обладать большой погрешностью.
Целью изобретения является получение оценки параметров модели замирания радиоканала по закону Райса путем анализа принимаемого информационного многочастотного сигнала.
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
i
Поставленная цель достигается тем, что способ определения параметров модели замирания радиоканала по закону Райса по информационному многочастотному сигналу состоит в том, что на приемной стороне оцифровывают принимаемый сигнал в аналогово-цифровом преобразователе, затем передают оцифрованный сигнал с выхода аналогово-цифрового преобразователя на вход первого блока вычисления амплитуды, при этом в нем определяют значение амплитуды смеси принимаемого сигнала и шума на всех n используемых частотах на длительности элементарной посылки, а с n выходов первого блока вычисления амплитуды на первые входы n соответствующих делителей передают вычисленные значения амплитуд, также с выхода аналогово-цифрового преобразователя передают оцифрованный сигнал на вход второго блока вычисления амплитуды, в котором определяют значение амплитуды шума на n неиспользуемых частотах на длительности элементарной посылки, а с n выходов второго блока вычисления амплитуды передают вычисленные значения амплитуд на вторые входы n соответствующих делителей, а в каждом делителе осуществляют деление значения амплитуды шума на неиспользуемой частоте, полученное по второму входу на значение амплитуды смеси сигнала и шума на используемой частоте, полученное по первому входу, а результат деления передают с выходов n делителей на n соответствующих входов блока накопления, в котором накапливают выборку полученных n значений на длительности интервала анализа, равной М посылкам, получая, таким образом, выборку размером n×М значений, а с выхода блока накопления передают накопленный массив значений на вход блока вычисления параметров распределения, в котором, например, методом наискорейшего спуска определяют параметры модели замирания радиоканала по закону Райса
и
, являющиеся координатами максимума функции правдоподобия , где x - это i-е значение выборки,  - плотность распределения вероятности измеряемой случайной величины.
Структурная схема предложенного способа приведена на фиг. 1.
Способ основан на следующих предположениях.
В общем случае для определения плотности распределения огибающей сигнала в канале с замираниями, когда доступными для измерения являются только значения огибающей смеси сигнал + шум можно использовать подход, заключающийся в том, чтобы по плотности распределения огибающей смеси сигнал + шум определить параметры распределения Райса. При этом восстановить истинную плотность распределения огибающей можно, используя выборочную плотность распределения огибающей смеси сигнал + шум, получаемую посредством измерений на приемной стороне.
В данном подходе следует учитывать техническую проблему, связанную с тем, что на приемной стороне чаще всего сигнал перед обработкой проходит через устройство автоматической регулировки усиления (АРУ). Поскольку коэффициент усиления АРУ неизвестен и динамически меняется в процессе измерений, статистические характеристики выборочной плотности распределения амплитуды сигнала значительно меняются и, применение указанных выше способов напрямую дает неадекватные оценки.
i
j
Избавиться от указанной трудности при приеме сигнала с использованием АРУ можно, если для оценки параметров модели канала использовать выборку случайных величин, инвариантную к значению коэффициента усиления АРУ. В качестве такой случайной величины может быть использована случайная величина ξ, определяемая как отношение огибающих A и A, измеренных на длительности одной и той же элементарной посылки на различных субчастотах с номерами i и j:
i
j
ξ=A/A.
Такой подход можно реализовать, если информационный сигнал является многочастотным, и при этом часть субчастот не используются для передачи. Тогда на входе приемника на занятых субчастотах наблюдается смесь информационного сигнала с шумом, а на свободных - только шум.
Для описания плотности распределения огибающей шума на свободных субчастотах при гипотезе, что шум является гауссовским, используется плотность распределения Рэлея:
.
i
j
Тогда в качестве A можно использовать измеренную огибающую шума, а в качестве A - огибающую смеси сигнал + шум.
В случае постоянного уровня информационного сигнала A на соответствующих субчастотах для модели гауссовского шума, функцию распределения случайной величины ξ можно найти следующим образом:
.
A
Если уровень информационного сигнала A не постоянен, а подвержен замираниям и его плотность распределения W(x) подчиняется закону Райса, то в этом случае функция распределения случайной величины ξ можно найти следующим образом:
.
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><msubsup><mi>h</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>σ</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><msubsup><mi>h</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
При этом, как уже отмечалось, величина
, а величина
.
Тогда в новых обозначениях функция распределения случайной величины ξ имеет следующий вид:
.
Выражение для плотности при этом имеет следующий вид:
.
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Сформировав выборку случайной величины ξ и имея аналитическое выражение для ее плотности распределения, можно воспользоваться методом максимального правдоподобия, как одним из методов оценки неизвестных параметров распределений. В данном случае неизвестными параметрами будут
и
. Тогда функция правдоподобия L, определяется выражением:
,
i
где x - значение случайной величины ξ, n*M - объем выборки.
<mrow><mi>L</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>h</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
В этом случае координаты максимума функции правдоподобия
являются оценками искомых величин
и
.
Таким образом, приведенные аналитические выводы показывают, что с помощью предложенного способа можно определить параметры модели замирания радиоканала по закону Райса по информационному многочастотному сигналу. При этом необходимыми данными являются измеренные значения амплитуды смеси сигнала и шума на используемых частотах и значения амплитуды шума на неиспользуемых частотах.
Способ работает следующим образом.
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
i
На приемной стороне оцифровывают принимаемый сигнал в аналогово-цифровом преобразователе 1, затем передают оцифрованный сигнал с выхода аналогово-цифрового преобразователя 1 на вход первого блока вычисления амплитуды 2, в котором определяют значение амплитуды смеси принимаемого сигнала и шума на всех n используемых частотах на длительности элементарной посылки. С n выходов первого блока вычисления амплитуды 2 на первые входы n соответствующих делителей 4(1)…4(N) передают вычисленные значения амплитуд. При этом с выхода аналогово-цифрового преобразователя 1 также передают оцифрованный сигнал на вход второго блока вычисления амплитуды 3, в котором определяют значение амплитуды шума на n неиспользуемых частотах на длительности элементарной посылки, а с n выходов второго блока вычисления амплитуды 3 передают вычисленные значения амплитуд на вторые входы n соответствующих делителей 4(1)…4(N). В каждом делителе 4(1)…4(N) осуществляют деление значения амплитуды шума на неиспользуемой частоте, полученное по второму входу на значение амплитуды смеси сигнала и шума на используемой частоте, полученное по первому входу, а результат деления передают с выходов n делителей 4(1)…4(N) на n соответствующих входов блока накопления 5, в котором накапливают выборку полученных n значений на длительности интервала анализа, равной M посылкам, получая, таким образом, выборку размером n×M значений, а с выхода блока накопления 5 передают накопленный массив значений на вход блока вычисления параметров распределения 6, в котором, например, методом наискорейшего спуска определяют параметры модели замирания радиоканала по закону Райса
и
, являющиеся координатами максимума функции правдоподобия , где x - это i-е значение выборки,  - плотность распределения вероятности измеряемой случайной величины.
Предлагаемый способ может быть использован для систем связи, использующих сигналы с ортогональным многочастотным разделением каналов связи. Применение такого способа позволяет более точно определять параметры замирающего канала связи.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующим преимуществом: обеспечивает более точное определение параметров модели замирания радиоканала по закону Райса по информационному многочастотному сигналу в случае наличия на приемной стороне блока автоматической регулировки усиления.