СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ ЗАЩИТНОГО ИНТЕРВАЛА СИМВОЛА МНОГОЧАСТОТНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ
METHOD FOR DETECTION OF PROTECTIVE INTERVAL LENGTH OF MULTI-FREQUENCY RADIO COMMUNICATION SYSTEM SYMBOL

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам определения длины защитного интервала символа многочастотной системы радиосвязи.
В последнее время для высокоскоростной беспроводной передачи данных широкое распространение получили многочастотные системы радиосвязи - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). B OFDM системах входной поток данных разделяется на несколько низкоскоростных потоков, которые передаются на различных поднесущих. При этом можно увеличивать скорость передачи данных, не уменьшая длительность символа и сохраняя межсимвольную помеху на приемлемо низком уровне. OFDM системы имеют также и другие преимущества по сравнению с традиционными одночастотными системами: устойчивость к многолучевому распространению радиосигнала, простота цифровой реализации, возможность адаптивной модуляции на различных поднесущих (тонах) и др.
СР
СР
OFDM сигнал представляет собой последовательность многочастотных (OFDM) символов. Каждый многочастотный символ состоит из N отсчетов данных и L отсчетов защитного интервала (префикса). Отсчеты данных представляют собой сумму модулированных поднесущих. Защитный интервал служит для устранения межсимвольных помех (Прокис Дж. Цифровая связь. / Перевод с английского. М., Радио и связь, 2000, с.593). Отсчеты префикса располагаются перед отсчетами данных и представляют собой L последних отсчетов данных. Как правило, длительность префикса больше длительности импульсного отклика канала распространения (интервала многолучевости). Если длина защитного интервала меньше длительности импульсного отклика канала, появляются межсимвольные помехи, снижающие качество приема; если существенно больше - необоснованно увеличивается доля неинформативной части сигнала.
OFDM системы радиосвязи могут функционировать в различных канальных условиях, которые обусловлены рельефом местности, типом застройки и т.п. При развертывании OFDM системы для достижения надежности связи и высокой пропускной способности величина защитного интервала должна выбираться в соответствии с характеристиками реальных каналов распространения.
Известен способ определения длины защитного интервала символа многочастотной системы радиосвязи, описанный в работе Н. Liu G. Li OFDM-Based Broadband Wireless Networks Design and Optimization, "John Wiley & Sons, Inc.", Hoboken, New Jersey, 2005 (стр.21). В соответствии с описанным способом длина защитного интервала должна быть, по крайней мере, не меньше максимальной длительности импульсного отклика канала.
Известен способ определения длины защитного интервала многочастотного символа, описанный в работах Наrа S., Prasad R. Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications, London: «Artech House», 2003 (стр.34, 56-61) и N. Morinaga, R. Kohno S. Sampei Wireless communication technologies: new multimedia systems, "Kluwer Academic Publishers", New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow 2002 (стр.83). Здесь предлагается длину защитного интервала многочастотного символа выбирать равной восьми-десяти максимальным эффективным длинам канала распространения (корень квадратный второго центрального момента от профиля многолучевости).
Основным недостатком таких способов определения длины защитного интервала является ориентация на канал распространения с максимальной временной дисперсией (длительностью импульсного отклика канала или эффективной длины канала распространения). Это необоснованно увеличивает долю неинформативной части сигнала, т.к. в этих каналах система может успешно функционировать и при меньших значениях префикса.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения длины защитного интервала многочастотного символа, описанный в Nee R. Prasad R., OFDM for Wireless Multimedia Communication, London: «Artech House», 2000 (стр.46). Способ прототипа заключается в следующем:
- выполняют измерение эффективной длины канала распространения для различных взаимных положений приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи;
- по выполненным измерениям находят максимальную эффективную длину канала распространения;
- определяют значение длины защитного интервала как произведение максимальной эффективной длины канала распространения и коэффициента, равного двум-четырем.
К недостаткам прототипа следует отнести существенную неопределенность (2÷4) в определении длины защитного интервала, ориентацию только на канал распространения с максимальной временной дисперсией. Для этого канала возможно низкое отношение сигнал-шум, и выбранная с помощью этого способа длина защитного интервала не гарантирует обеспечение требуемого качества приема данных. В то же время для преобладающих более коротких каналов большая величина префикса не требуется. Еще одним недостатком известных решений (аналоги и прототип) является то, что характеристики канала распространения (длительность импульсного отклика канала или эффективная длина канала распространения), на которых основан выбор защитного интервала, в недостаточной мере описывают условия работы многочастотной системы радиосвязи, в частности не учитывается характер профиля многолучевости, а также уровень шума и помех в канале.
Задача, которую решает предлагаемое изобретение, - повышение спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи при обеспечении требуемого качества приема.
Для решения этой задачи предлагается способ определения длины защитного интервала символа многочастотной системы радиосвязи, заключающийся в следующем:
- выполняют измерение отношения сигнал-шум и профиля многолучевости канала распространения для различных взаимных положений приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи;
- для каждого из выполненных измерений сравнивают измеренное отношение сигнал-шум с пороговым отношением сигнал-шум;
- исключают из дальнейшего анализа те измерения, для которых измеренное отношение сигнал-шум меньше порогового отношения сигнал-шум;
- для каждого из выполненных измерений, кроме исключенных из анализа:
- находят глубину замираний сигнала в частотной области по оценке профиля многолучевости канала распространения;
- находят расчетное значение глубины замираний сигнала в частотной области как элемент заданного множества расчетных значений глубины замираний, наиболее близкий к найденной глубине замираний сигнала в частотной области;
- для каждого из возможных значений длины защитного интервала;
- по оценке профиля многолучевости канала распространения находят относительную мощность части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа;
- находят эквивалентное отношение сигнал-шум по измеренному отношению сигнал-шум и найденной относительной мощности части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа;
- определяют расчетную вероятность пакетной ошибки при отношении сигнал-шум, равном найденному эквивалентному отношению сигнал-шум, и при найденном расчетном значении глубины замираний сигнала в частотной области для всех возможных значений скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи;
- определяют оптимальную скорость передачи данных как максимальную скорость передачи данных, для которой расчетная вероятность пакетной ошибки не превышает целевого значения пакетной ошибки;
- если все возможные скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи не обеспечивают вероятности пакетной ошибки меньшей, чем целевое значение пакетной ошибки, значение длины защитного интервала исключают из дальнейшего рассмотрения;
- находят спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи как произведение оптимальной скорости передачи данных, вероятности правильного приема пакета и относительной длины информативной части символа многочастотной системы, деленное на ширину полосы многочастотного сигнала;
- находят результирующую спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи для каждого возможного значения длины защитного интервала, кроме исключенных из рассмотрения, усредняя найденную спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи по всем выполненным измерениям, кроме исключенных из анализа;
- определяют оптимальное значение длины защитного интервала как величину длины защитного интервала, при которой значение результирующей спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи максимально.
Пороговое отношение сигнал-шум устанавливают равным минимальному отношению сигнал-шум, при котором многочастотная система должна сохранять работоспособность.
Множество расчетных значений глубины замираний сигнала в частотной области задают так, чтобы его элементы были некоторым образом распределены внутри интервала [0, 1], например, в виде (0.7, 0.2, 0.04, 0.01, 0.003).
Относительную мощность части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа, находят, например, как отношение суммы мощностей сигналов лучей, задержка которых превышает длину защитного интервала символа, к сумме мощностей сигналов всех лучей.
Эквивалентное отношение сигнал-шум находят, например, как величину, обратную сумме относительной мощности части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа, и величины, обратной измеренному отношению сигнал-шум.
Расчетную вероятность пакетной ошибки определяют из зависимостей вероятности пакетной ошибки от отношения сигнал-шум при различных элементах заданного множества расчетных значений глубины замираний сигнала в частотной области и при различных возможных значениях скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи.
Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что операции предлагаемого способа отличаются от операций прототипа следующим.
В прототипе выполняют измерение эффективной длины канала распространения для различных взаимных положений приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи. В предлагаемом способе выполняют измерение отношения сигнал-шум и профиля многолучевости канала распространения для различных взаимных положений приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи. Это позволяет, в отличие от прототипа, контролировать возможность функционирования многочастотной системы связи (качество приема) при различных значениях длины защитного интервала.
В прототипе значение длины защитного интервала определяют по максимальной эффективной длине канала распространения. В предлагаемом способе значение длины защитного интервала определяют по максимуму сформированной результирующей спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи, учитывающей различные взаимные положения приемной и передающей станций системы. Соответственно все операции, связанные с формированием результирующей спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи, в прототипе отсутствуют. За счет этого в предлагаемом способе, в отличие от прототипа, обеспечивается максимизация спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи при обеспечении требуемого качества приема.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволил выявить отличительные признаки, заявленные в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое решение отвечает критериям "новизна", "техническое решение задачи", "промышленная применимость".
Графические материалы, представленные в материалах заявки.
Фиг.1 - вариант реализации предлагаемого способа.
Фиг.2 - пример зависимости вероятности пакетной ошибки от отношении сигнал-шум при различных расчетных значениях глубины замираний сигнала в частотной области, скорость кодирования R=1/2, модуляция - четырехпозиционная фазовая манипуляция (QPSK).
Фиг.3 - пример зависимости результирующей спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи от длины защитного интервала.
Предлагаемый способ заключается в следующем:
- выполняют измерение отношения сигнал-шум и профиля многолучевости канала распространения для различных взаимных положений приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи;
- для каждого из выполненных измерений сравнивают измеренное отношение сигнал-шум с пороговым отношением сигнал-шум;
- исключают из дальнейшего анализа те измерения, для которых измеренное отношение сигнал-шум меньше порогового отношения сигнал-шум;
- для каждого из выполненных измерений, кроме исключенных из анализа;
- находят глубину замираний сигнала в частотной области по оценке профиля многолучевости канала распространения;
- находят расчетное значение глубины замираний сигнала в частотной области как элемент заданного множества расчетных значений глубины замираний, наиболее близкий к найденной глубине замираний сигнала в частотной области;
- для каждого из возможных значений длины защитного интервала:
- по оценке профиля многолучевости канала распространения находят относительную мощность части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа;
- находят эквивалентное отношение сигнал-шум по измеренному отношению сигнал-шум и найденной относительной мощности части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа;
- определяют расчетную вероятность пакетной ошибки при отношении сигнал-шум, равном найденному эквивалентному отношению сигнал-шум, и при найденном расчетном значении глубины замираний сигнала в частотной области для всех возможных значений скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи;
- определяют оптимальную скорость передачи данных как максимальную скорость передачи данных, для которой расчетная вероятность пакетной ошибки не превышает целевого значения пакетной ошибки;
- если все возможные скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи не обеспечивают вероятности пакетной ошибки меньшей, чем целевое значение пакетной ошибки, значение длины защитного интервала исключают из дальнейшего рассмотрения;
- находят спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи как произведение оптимальной скорости передачи данных, вероятности правильного приема пакета и относительной длины информативной части символа многочастотной системы, деленное на ширину полосы многочастотного сигнала;
- находят результирующую спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи для каждого возможного значения длины защитного интервала, кроме исключенных из рассмотрения, усредняя найденную спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи по всем выполненным измерениям, кроме исключенных из анализа;
- определяют оптимальное значение длины защитного интервала как величину длины защитного интервала, при которой значение результирующей спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи максимально.
Пороговое отношение сигнал-шум устанавливают равным минимальному отношению сигнал-шум, при котором многочастотная система должна сохранять работоспособность.
Множество расчетных значений глубины замираний сигнала в частотной области задают так, чтобы его элементы были некоторым образом распределены внутри интервала [0, 1], например, в виде (0.7, 0.2, 0.04, 0.01, 0.003).
Относительную мощность части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа, находят, например, как отношение суммы мощностей сигналов лучей, задержка которых превышает длину защитного интервала символа, к сумме мощностей сигналов всех лучей.
Эквивалентное отношение сигнал-шум находят, например, как величину, обратную сумме относительной мощности части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа, и величины, обратной измеренному отношению сигнал-шум.
Расчетную вероятность пакетной ошибки определяют из зависимостей вероятности пакетной ошибки от отношения сигнал-шум при различных элементах заданного множества расчетных значений глубины замираний сигнала в частотной области и при различных возможных значениях скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи.
Заявляемый способ реализуют с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг.1.
Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Входной высокочастотный сигнал поступает на вход приемника OFDM сигнала 1, где его фильтруют, усиливают, переносят на видеочастоту, осуществляют его аналогово-цифровое преобразование, децимацию, демодуляцию и т.д. В результате формируются корреляционные отклики пилот-символов. Пример реализации приемника OFDM сигнала приведен в книгах J.G.Proakis Digital Communications, NY: McGraw-Hill, 1995 и Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM Wireless Multimedia Communications, Artech House, Boston-London, 2000. Для каждого анализируемого взаимного положения приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи с выхода приемника OFDM сигнала 1 корреляционные отклики пилот символов поступают на входы блока определения отношения сигнал-шум 2 и блока определения профиля многолучевости 3.
i
Блок определения профиля многолучевости 3 для каждого взаимного положения приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи формирует оценку профиля многолучевости канала распространения, пример получения которой описан в Kaioukov I. V., Manelis V.В., Cleveland J. R., Channel Estimation for MIMO-OFDM Systems in Rapid Time-Variant Environments Based On Channel Statistics Estimation, GLOBECOM 2006 - IEEE Global Telecommunications Conference, vol. 25, no. 1, November 2006, pp.2752-2756 или Патент 2298286 RU "Способ оценки канала в многочастотных системах радиосвязи с несколькими передающими и приемными антеннами" Гармонов А.В., Манелис В.Б., Каюков И.В., Кливленд Джозеф Роберт (US) // Опубл. 2007.04.27, Бюл. №12 2007. С выхода блока 3 оценка профиля многолучевости канала распространения Р, , M - количество дискретных отчетов оценки профиля многолучевости, поступает на второй вход блока определения спектральной эффективности 6 и на вход блока определения глубины замираний сигнала 4. Глубина замираний представляет собой отношение минимального и максимального уровней мощности поднесущих многочастотного сигнала. В блоке 4 глубина замираний сигнала в частотной области определяется в соответствии со следующим выражением:
max
i
m
где P=max{P},  - максимальное значение оценки отсчетов профиля многолучевости канала распространения. С выхода блока 4 найденная глубина замираний сигнала в частотной области Q поступает на вход блока определения расчетной глубины замираний сигнала 5. В блоке 5 хранится множество расчетных значений глубины замираний сигнала в частотной области , которое задают так, чтобы его элементы были некоторым образом распределены внутри интервала [0, 1], например, в виде Q={0.7, 0.2, 0.04, 0.01, 0.003}. В блоке 5 расчетное значение глубины замираний сигнала в частотной области определяют как элемент Q заданного множества расчетных значений, наиболее близкий к входной глубине замираний сигнала в частотной области Q.
С выхода блока 5 расчетное значение глубины замираний сигнала в частотной области поступает на третий вход блока определения спектральной эффективности 6, на первый вход которого с выхода блока 2 поступает оценка отношения сигнал-шум Z. Блок определения отношения сигнал-шум 2 для каждого взаимного положения приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи формирует оценку отношения сигнал-шум Z, пример получения которой описан в Xiaodong Xu, Ya Jing, Xiaohu Yu, Subspace-based noise variance and SNR estimation for OFDM systems, WCNC 2005 - IEEE Wireless Communications and Networking Conference, no. 1, March 2005, pp.23 - 26.
TH
TH
TH
TH
j
В блоке определения спектральной эффективности 6 для каждого взаимного положения приемной и передающей станций сравнивают измеренное отношение сигнал-шум Z с пороговым отношением сигнал-шум Z. Пороговое отношение сигнал-шум Z устанавливают равным минимальному отношению сигнал-шум, при котором многочастотная система должна сохранять работоспособность. Если измеренное отношение сигнал-шум меньше порогового отношения сигнал-шум Z<Z, то дальнейший анализ для такого взаимного положения приемной и передающей станций прекращают, т.е. такое измерение исключают из дальнейшего анализа. В противном случае (при Z≥Z) для каждого из заданных возможных значений длины защитного интервала L, , J - число возможных значений длины защитного интервала, выполняют следующие действия. Сначала по оценке профиля многолучевости канала распространения находят относительную мощность части многолучевого сигнала, не попавшей в защитный интервал символа, по формуле
Далее находят эквивалентное отношение сигнал-шум в соответствии с выражением
j,k
j
k
m
j
m
k
j,k
j
k
m
После этого в блоке 6 для каждого из возможных значений длины защитного интервала определяют вероятность пакетной ошибки P(Y, R, Q),  при отношении сигнал-шум, равном найденному эквивалентному отношению сигнал-шум Y, и при найденном расчетном значении глубины замираний сигнала в частотной области Q для всех возможных значений скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи R, , К - число возможных скоростей передачи данных многочастотной системы. Расчетную вероятность пакетной ошибки P(Y, R, Q),  определяют из семейства зависимостей вероятности пакетной ошибки от отношения сигнал-шум при различных элементах заданного множества расчетных значений глубины замираний сигнала в частотной области и при различных возможных значениях скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи. Эти зависимости получают заранее методом компьютерного моделирования многочастотной системы радиосвязи или аналитически. Для скорости кодирования R=1/2 и QPSK модуляции на фиг.2 приведен пример таких зависимостей, полученных методом компьютерного моделирования.
Далее в блоке 6 определяют оптимальную скорость передачи как максимальную скорость передачи данных, для которой расчетная вероятность пакетной ошибки не превышает целевого значения пакетной ошибки. Обозначим номер этой скорости  Если для каких-либо значений префикса все возможные скорости передачи данных многочастотной системы радиосвязи не обеспечивают вероятности пакетной ошибки меньшей, чем целевое значение пакетной ошибки, эти значения длины защитного интервала исключают из дальнейшего рассмотрения.
После этого в блоке 6 для оставшихся значений длины защитного интервала находят расчетную спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи как произведение нормированной на полосу сигнала оптимальной скорости передачи данных, вероятности правильного приема пакета и относительной длины информативной части символа многочастотной системы в соответствии со следующим выражением:
где F - ширина полосы частот системы радиосвязи.
С выхода блока 6 спектральные эффективности многочастотной системы радиосвязи каждого измерения (взаимного положения приемной и передающей станций многочастотной системы радиосвязи) для всех возможных значений длины защитного интервала, кроме исключенных из дальнейшего рассмотрения, поступают на вход блока определения результирующей спектральной эффективности 7. В блоке 7 находят результирующую спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи для каждого возможного значения длины защитного интервала, кроме исключенных из рассмотрения, усредняя найденную спектральную эффективность многочастотной системы радиосвязи по всем выполненным измерениям, кроме исключенных из анализа.
С выхода блока 7 результирующая спектральная эффективность многочастотной системы радиосвязи поступает на вход блока определения длины защитного интервала 8. В блоке 8 определяют оптимальное значение длины защитного интервала как величину длины защитного интервала, при которой значение результирующей спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи максимально.
Выход блока 8 является выходом оптимального значения длины защитного интервала и выходом устройства, реализующего предлагаемый способ определения оптимального значения длины защитного интервала.
Данное изобретение может применяться в любых OFDM системах, функционирующих в многолучевых каналах, например в системах связи LTE, WiMAX и др.
(k)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(5)
(5)
(6)
(6)
(6)
(7)
(7)
(7)
(7)
(7)
(8)
(8)
(8)
(8)
(8)
(9)
(9)
(9)
(9)
(9)
(10)
(10)
(10)
(10)
(10)
(6)
c
1
2
1
13
1
2
3
4
1
3
5
7
1
2
3
4
1
3
5
7
8
На фиг.3 приведен пример зависимости результирующей спектральной эффективности многочастотной системы радиосвязи от длины защитного интервала при целевом значении пакетной ошибки 0.05. Моделировалась OFDM система со следующими основными параметрами: размерность ДПФ N=64, скорость кодирования R=1/2, модуляция - QPSK и 16-QAM, размер пакета - 128 и 256 бит для каждого вида модуляции соответственно. Имитировалось выполнение 10 измерений отношения сигнал-шум Z,  и профиля многолучевости канала распространения  при различных взаимных положениях приемной и передающей станций. Профиль многолучевости канала распространения оценивался с дискретом T=1/F. Результаты измерений: четыре однолучевых канала  с отношениями сигнал-шум Z=7 дБ, Z=11 дБ, Z=15 дБ, Z=5 дБ; два двухлучевых канала: Р =1, Р =0.1, Z=14 дБ и Р =1, Р =0.01, Z=10 дБ; три четырехлучевых канала: Р =1, Р =0.2, Р =0.1, Р =0.05, Z=19 дБ, Р =1, Р =0.5, Р =0.1, Р =0.02, Z=18 дБ и P =1, Р =0.7,Р =0.3, Р =0.1, Z=21 дБ; один пятилучевый P =1, P =0.2, P =0.1, Р =0.03, P =0.01, Z=25 дБ.
СР
c
с
Из фиг.3 видно, что оптимальное значение длины защитного интервала L=7T. В этом случае достигается максимальная спектральная эффективность системы радиосвязи при удовлетворении целевому значению пакетной ошибки. Заметим, что при длине защитного интервала, меньшей 6T, целевое значение пакетной ошибки для ряда измерений не удовлетворяется.
с
c
c
с
В соответствии с прототипом длина защитного интервала должна выбираться 3T÷6T. Если длина защитного интервала меньше 6T, система радиосвязи не будет функционировать с необходимым качеством. Если длина защитного интервала равна 6Т, прототип проигрывает в приведенном примере предлагаемому способу по спектральной эффективности приблизительно 5%.
c
В соответствии со способами аналогов длина защитного интервала должна выбираться не менее 12T. Использование таких длин защитного интервала приведет к проигрышу в спектральной эффективности относительно предлагаемого способа более чем на 7%.