Способ передачи данных на основе OFDM-сигналов
METHOD OF TRANSMITTING DATA BASED ON OFDM SIGNALS

Изобретение относится к области беспроводной связи и предназначено для передачи данных в системе с OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов) сигналами, использующей CDMA (Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением каналов) кодирование в условиях динамически изменяющейся помеховой и сигнальной обстановки в зоне работы сети мобильной связи.
Известен способ передачи данных на основе OFDM-сигналов [1], заключающийся в том, что из информационного потока, поступающего в передающую часть и включающего служебный канал, выделяют фрагменты, предназначенные для передачи по отдельному элементарному частотному блоку поднесущих, на каждом временном интервале длительностью в один OFDM-символ указанные фрагменты разделяют на подмножества данных, предназначенные для передачи на отдельной поднесущей, после чего каждое из указанных подмножеств данных преобразуют в символ модуляции, при этом используют коэффициент информационной скорости передачи, на который делят частоту формирования подмножеств данных, предназначенных для передачи на отдельной поднесущей, каждый символ модуляции преобразуют от OFDM-интервала к OFDM-интервалу путем перемножения на символ распределенной данному символу модуляции псевдослучайной последовательности, имеющей индекс, подвергают сформированные символы модуляции обратному быстрому преобразованию Фурье, преобразовывают полученный параллельный поток данных в последовательный поток, добавляют циклический префикс, осуществляют цифро-аналоговое преобразование сигнала и транслируют его через радиоэфир, одновременно осуществляют прием сигнала, преобразовывают аналоговый сигнал в цифровой, удаляют циклический префикс, преобразовывают последовательный поток данных в параллельный поток, осуществляют прямое быстрое преобразование Фурье, демодулируют сформированные квадратурные спектральные компоненты поднесущих и преобразовывают полученный параллельный поток данных в последовательные потоки приемной части, при этом используют коэффициент информационной скорости приема, который принимают по служебному каналу, и на который делят частоту формирования подмножеств данных, принимаемых на отдельной поднесущей, каждый символ модуляции преобразуют от OFDM-интервала к OFDM-интервалу путем перемножения на комплексно сопряженный символ распределенной ему псевдослучайной последовательности, индекс которой также принимают по служебному каналу, затем повторяющиеся на каждом OFDM-интервале символы модуляции суммируют с задержкой на длительность OFDM-символа до момента накопления числа символов модуляции, равного коэффициенту информационной скорости приема, и используют полученные результаты суммирования в качестве квадратурных спектральных компонент поднесущих для демодуляции.
Известный способ обеспечивает хорошие показатели при работе на границах зоны обслуживания сети мобильной связи, но при наблюдении различных условий распространения в направлениях передачи и приема и различной помеховой обстановки на противоположных концах линий радиосвязи, известный способ не обеспечивает высокого показателя для информационной пропускной способности.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение показателя информационной пропускной способности при наблюдении различных условий распространения в направлениях передачи и приема и различной помеховой обстановки на противоположных концах линий радиосвязи за счет раздельного управления типами модуляций и коэффициентами информационной скорости передачи отдельно на приеме и на передаче.
Технический результат достигается тем, что в способе передачи данных на основе OFDM-сигналов, заключающемся в том, что из информационного потока, поступающего в передающую часть, включающего служебный канал, выделяют фрагменты, предназначенные для передачи по отдельному элементарному частотному блоку поднесущих, на каждом временном интервале длительностью в один OFDM-символ указанные фрагменты разделяют на подмножества данных, предназначенные для передачи на отдельной поднесущей, после чего каждое из указанных подмножеств данных преобразуют в символ модуляции, при этом используют коэффициент информационной скорости передачи, на который делят частоту формирования подмножеств данных, предназначенных для передачи на отдельной поднесущей, каждый символ модуляции преобразуют от OFDM-интервала к OFDM-интервалу путем перемножения на символ распределенной данному символу модуляции псевдослучайной последовательности, имеющей индекс, подвергают сформированные символы модуляции обратному быстрому преобразованию Фурье, преобразовывают полученный параллельный поток данных в последовательный поток, добавляют циклический префикс, осуществляют цифро-аналоговое преобразование сигнала и транслируют его через радиоэфир, одновременно осуществляют прием сигнала, преобразовывают аналоговый сигнал в цифровой, удаляют циклический префикс, преобразовывают последовательный поток данных в параллельный поток, осуществляют прямое быстрое преобразование Фурье, демодулируют сформированные квадратурные спектральные компоненты поднесущих и преобразовывают полученный параллельный поток данных в последовательные потоки приемной части, при этом используют коэффициент информационной скорости приема, который принимают по служебному каналу, и на который делят частоту формирования подмножеств данных, принимаемых на отдельной поднесущей, каждый символ модуляции преобразуют от OFDM-интервала к OFDM-интервалу путем перемножения на комплексно сопряженный символ распределенной ему псевдослучайной последовательности, индекс которой также принимают по служебному каналу, затем повторяющиеся на каждом OFDM-интервале символы модуляции суммируют с задержкой на длительность OFDM-символа до момента накопления числа символов модуляции, равного коэффициенту информационной скорости приема, и используют полученные результаты суммирования в качестве квадратурных спектральных компонент поднесущих для демодуляции, согласно изобретению, анализируют качество принятых последовательных потоков, из полученных оценок качества формируют рапорты, которые мультиплексируют с полезной информацией, предназначенной для передачи, при приеме рапорта производят контроль соответствия полученных из рапорта показателей уровня качества приема и используемых для передачи параметров типа модуляции и коэффициента информационной скорости, при нарушении соответствия одновременно формируют служебное сообщение в виде команды, содержащей новые значения параметров типа модуляции и коэффициента информационной скорости, которое мультиплексируют вместе с полезной информацией, предназначенной для передачи, и сохраняют новые значения параметров типа модуляции и коэффициента информационной скорости до момента приема подтверждения выполнения сформированной команды, в момент приема команды на замену параметров типа модуляции и коэффициента информационной скорости одновременно формируют служебное сообщение в виде подтверждения, которое мультиплексируют вместе с полезной информацией, предназначенной для передачи, и устанавливают новые значения параметров типа модуляции и коэффициента информационной скорости приема, содержащиеся в принятой команде, а при приеме подтверждения устанавливают на передающей части ранее сохраненные новые значения параметров типа модуляции и коэффициента информационной скорости.
На рисунке представлена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа.
Предлагаемый способ может быть реализован за счет совместной работы передающей части 1 и приемной части 2. Приемная часть 2 снабжена эфирным входом и к выходами информационного потока, которые через блок 3 анализа качества приема соединены с соответствующими входами блока 4 выделения и удаления служебной информации, выходы которого являются выходами полезных данных устройства. Блок 3 анализа качества снабжен выходом параметров качества, через блок 5 формирования рапортов подключенным к первому входу блока 6 формирования служебной информации. Выход служебных данных блока 4 выделения и удаления служебной информации соединен со входом блока 7 разделения служебной информации, первый выход которого соединен со вторым входом блока 6 формирования служебной информации и с входом блока 8 управления параметрами приема, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими первым и вторым управляющими входами приемной части 2. Второй выход блока 7 разделения служебной информации подключен ко входу активации блока 9 управления параметрами передачи. Третий выход блока 7 разделения служебной информации соединен со входом блока 10 формирования новых параметров, первый выход которого через блок 11 формирования команды подключен к третьему входу блока 6 формирования служебной информации, а второй выход соединен со входом на ожидание блока 9 управления параметрами передачи, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими первым и вторым управляющими входами передающей части 1. Выход блока 6 формирования служебной информации подключен к служебному входу блока 12 мультиплексирования служебной и полезной информации, к входов которого предназначены для передачи полезных данных, а к выходов соединены с соответствующими к входами для передачи информационного потока передающей части 2, снабженной эфирным выходом.
Передающая часть 1 и приемная часть 2 могут быть выполнены также как в прототипе [1] и снабжены управляющими входами для коррекции типа модуляции и коэффициента информационной скорости.
Блок 3 анализа качества приема может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, на основе алгоритмов, описанных в [2] на стр. 217-223.
Блок 4 выделения и удаления служебной информации может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, на основе идентификации признаков служебных кадров, например, таких, какие описаны в [3] на стр. 54-55.
Блок 5 формирования рапортов может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, на основе применения идентификационных признаков и форматов, например, таких, какие описаны в [3] на стр. 56, 59-61.
Блок 6 формирования служебной информации может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, на основе применения идентификационных признаков, например, таких, какие описаны в [3] на стр. 54-61.
Блок 7 разделения служебной информации может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, на основе идентификационных признаков, например, таких, какие описаны в [3] на стр. 56-57.
Блок 8 управления параметрами приема и блока 9 управления параметрами передачи могут быть выполнен с помощью средств компьютерной техники.
Блок 10 формирования новых параметров может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, на основе алгоритмов, описанных в [2] на стр. 217-223 и в [4], на стр. 90.
Блок 11 формирования команды может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, с использованием идентификационных признаков, например, таких, какие описаны в [3] на стр. 56-57.
Блок 12 мультиплексирования служебной и полезной информации может быть выполнен с помощью средств компьютерной техники, например, на основе реализации протокола канального уровня, описанного в [5] или протокола, описанного в [3] на стр. 56 и правила сегментации, приведенного в [3] на стр. 64-65.
Блок 5 формирования рапортов, блок 6 формирования служебной информации, блок 7 разделения служебной информации, блок 8 управления параметрами приема, блок 9 управления параметрами передачи, блок 10 формирования новых параметров и блок 11 формирования команды могут быть объединены в единый модуль управления.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Rx
Rx
Приемная часть 2 осуществляет прием потока информации из радиоэфира, используя текущие параметры, задающие тип модуляции (m) и коэффициент информационной скорости (n) для приемного тракта, как описано в прототипе. Принятый информационный поток подают на к выходов приемной части 2 и далее на соответствующие входы блока 3 анализа качества приема, в котором оценивают ключевые показатели вероятности ошибки на бит (BER), вероятность ошибочного приема блока данных (BLER), уровень отношения сигнал/шум в канале (SNR) и индикатор качества канала связи (CQI). Сформированные в блоке 3 анализа качества оценки через выход параметров качества передаются на блок 5 формирования рапортов, который формирует из них служебные сообщения в виде рапортов для последующей передачи на удаленный конец радиолинии информационного обмена. Указанные сообщения рапортов в блоке 6 формирования служебной информации включаются в формируемые блоки служебной информации, которые через служебный вход подаются в блок 12 мультиплексирования служебной и полезной информации.
Tx
Tx
На k информационных входов блока 12 мультиплексирования служебной и полезной информации от верхних логических уровней поступают полезные данные для трансляции на удаленную сторону радиолинии. В блоке 12 мультиплексирования служебной и полезной информации формируются последовательности кадров, включающие как полезную, так и служебную информацию в форматах сообщений, зафиксированных в протоколах, используемых системой связи, в рамках которой производится работа. В качестве указанных форматов могут использоваться, например, приведенные в [3] и [5]. Далее в блоке 12 мультиплекисрования служебной и полезной информации сформированные последовательности сообщений разделяются на k информационных битовых потоков, которые через соответствующие k информационных выхода подаются на k входов передающей части 1, которая, используя текущие значения параметров, задающих тип модуляции (m) и коэффициент информационной скорости передачи (n) для передающего тракта, транслирует сообщения в эфир на удаленную сторону радиолинии так, как описано в прототипе.
Блок 4 выделения и удаления служебной информации принимает с k информационных выходов блока 3 анализа качества приема информационный поток, сформированный приемной частью 2. В нем из принятого информационного потока производится сборка кадров. Для этого используются прописанные форматы сообщений, зафиксированные в протоколах, используемых системой связи, в рамках которой производится работа. В качестве указанных форматов могут использоваться, например, приведенные в [3] и [5]. На основе анализа форматов производится выделение служебных сообщений, которые через выход служебных данных блока 4 выделения и удаления служебной информации подаются на вход блока 7 разделения служебной информации. Из потока данных удаляются биты служебной информации, после чего оставшаяся часть информационного потока по информационным к выходам блока выделения служебной информации передается на верхние логические уровни системы.
На выходе блока 7 разделения служебной информации формируются кадры, содержащие управляющие данные, которые могут быть:
1) рапортами, содержащими данные о качестве приема, наблюдаемом на удаленной стороне радиолинии;
Rx
Rx
2) командами от удаленной стороны радиолинии на изменение параметров типа модуляции (m) и коэффициента информационной скорости (n) радиоприемной части данной стороны радиолинии;
Rx
Rx
3) подтверждениями об изменении параметров типа модуляции (m) и коэффициента информационной скорости (n), выполненном на удаленной стороне радиолинии по командам, ранее переданным с данной стороны радиолинии.
Блок 7 разделения служебной информации разделяет поток принятой служебной информации на три потока, каждый из которых содержит данные одного из указанных типов.
Tx
В случае приема рапорта, в блоке 10 формирования новых параметров производится анализ того, что переданные в нем данные не выходят за диапазоны допустимых показателей, соответствующих используемым в передающей части данной стороны радиолинии параметрам типа модуляции (m) и информационной скорости (nTx) передачи. Для вычисления указанных диапазонов можно, например, использовать показатели соответствий, приведенные в [2] на стр. 218-219.
Tx
Tx
Tx
Tx
Tx
При нарушении одного или нескольких допустимых диапазонов блок 10 формирования новых параметров формирует новые значения для параметров типа модуляции (m) и информационной скорости (n), но не передает их сразу на соответствующие управляющие входы передающей части 1, а сохраняет их, до момента прихода подтверждения от удаленной стороны радиолинии. Одновременно с этим блок 10 формирования новых параметров через блок 11 формирования команды формирует служебное сообщение в виде команды к удаленной стороне радиолинии, содержащей новые значения параметров типа модуляции (m) и информационной скорости (n), которые нужно применить на приеме на удаленной стороне. Указанная команда поступает на третий вход блока 6 формирования служебной информации и включаются в формируемые блоки служебной информации, которые поступают на соответствующий вход блока 12 миультиплексирования служебной и полезной информации. В блоке 12 мультиплексирования служебной и полезной информации формируются последовательности кадров, включающие как полезную, так и служебную информацию в форматах сообщений, зафиксированных в протоколах, используемых системой связи, в рамках которой производится работа. В качестве указанных форматов могут использоваться, например, приведенные в [3] и [5]. Далее в блоке 12 мультиплекисрования служебной и полезной информации сформированные последовательности сообщений разделяются на k информационных битовых потоков, которые через соответствующие k информационных выхода подаются на k входа передающей части 1, которая, используя текущие значения параметров, задающих тип модуляции (m) и коэффициент информационной скорости (nTx) для передающего тракта, транслирует сообщения в эфир к удаленной стороне радиолинии так, как описано в прототипе.
Rx
Rx
Tx
Tx
В случае приема команды от удаленной стороны радиолинии, в блоке 8 управления параметрами приема выделяются переданные значения параметров, задающих тип модуляции (m) и коэффициент информационной скорости (n), которые используются для формирования сигналов, подающихся с выходов блока 8 управления параметрами приема на соответствующие управляющие выходы приемной части 2. Одновременно с этим блок 7 разделения служебной информации формирует служебное сообщение подтверждения выполнения команды переключения, которое в блоке 6 формирования служебной информации включается в формируемые блоки служебной информации, которые, в свою очередь, поступают на служебный вход блока 12 мультиплексирования служебной и полезной информации. В блоке 12 мультиплексирования служебной и полезной информации формируются последовательности кадров, включающие как полезную, так и служебную информацию в форматах сообщений, зафиксированных в протоколах, используемых системой связи, в рамках которой производится работа. В качестве указанных форматов могут использоваться, например, приведенные в [3] и [5]. Далее в блоке 12 мультиплексирования служебной и полезной информации сформированные последовательности сообщений разделяются на k информационных битовых потоков, которые через соответствующие k информационных выхода подаются на k входа передающей части 1, которая, используя текущие значения параметров, задающих тип модуляции (m) и коэффициент информационной скорости (n) для передающего тракта, транслирует сообщения в эфир к удаленной стороне радиолинии.
Tx
Tx
В случае приема подтверждения от удаленной стороны радиолинии блок 9 управления параметрами передачи формирует команду на применение ранее сформированных и сохраняемых до этого момента значений параметров, задающих тип модуляции (m) и коэффициент информационной скорости (n) передачи, которые используются для формирования сигналов, подающихся через управляющие выходы модуля управления 9 на соответствующие входы передающей части 1.
В результате этого удается получить заявленный технический результат, состоящий в повышении показателя информационной пропускной способности при наблюдении различных условий распространения в направлениях передачи и приема и различной помеховой обстановки на противоположных концах линий радиосвязи.
Источники информации, принятые во внимание:
[1] Патент №2684636, МПК Н04В 7/00, 25.05.2018
[2] Sessia S., Toufic I., Baker M. LTE - The UMTS Long Term Evolution. From Theory to Practice. 2nd Edition/ Published by John Willey & Sons Ltd., 2011. - 752 p.
[3] ГОСТ P 58166-2018. Технические требования к радиоинтерфейсу широкополосной подвижной радиосвязи (ШПР). Организация протоколов и алгоритмов на канальном и физическом уровнях. Основные параметры и технические требования// Москва, Стандартинформ, 2018. - 142 с.
[4] Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. М.: «Сов. радио», 1978. - 304 с.
[5] CCITT Recommendation Q.922 - ISDN Data Link Layer Specification for Frame Mode Bearer Services// Geneva, 1992. - 112 p.