Оценка OFDM канала при осуществлении защищенной передачи данных

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Студенческая наука

№ 150

УДК 621.233

ОЦЕНКА OFDM КАНАЛА ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ ЗАЩИЩЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Е.П. ЯШКОВА

Статья представлена доктором технических наук, профессором Емельяновым В.Е.

Статья подготовлена под руководством кандидата технических наук Сидоркиной Ю.А.

Рассматриваются возможности применения принципа мультиплексирования посредством ортогональных несущих частот для защищенной передачи данных.

При передаче радиосигналов в открытом пространстве неизбежно такое паразитное явление, как многолучевая интерференция, которая приводит к искажению принимаемого сигнала [1,2]. Эффект многолучевой интерференции заключается в том, что в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приемник разными путями. Но различные пути распространения имеют и разные длины, а потому ослабление сигнала для них будет неодинаковым. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию многих сигналов с различными амплитудами и начальными фазами, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами.

Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. При использовании широкополосного сигнала в результате интерференции одни частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а другие, наоборот, противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превышает длительности одного символа и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, так возникает межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

Межсимвольная интерференция оказывает значительное влияние при высоких скоростях передачи данных, так как расстояние между битами (или символами) мало. Использование механизма мультиплексирования посредством ортогональных несущих частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) позволят подавить межсимвольную интерференцию и осуществлять защищенную передачу данных на высоких скоростях.

Чтобы избежать, а точнее, частично компенсировать эффект многолучевого распространения, используются частотные эквалайзеры, однако по мере роста скорости передачи данных либо за счет увеличения символьной скорости, либо за счет усложнения схемы кодирования эффективность их применения падает.

При скорости передачи 11 (стандарт 802.11b) или 22 Мбит/с в случае использования CCK-кодов или пакетного сверточного кодирования схемы компенсации межсимвольной интерференции вполне успешно справляются с возложенной на них задачей, но при более высоких скоростях такой подход становится неприемлемым [1, 5]. Поэтому для реализации более высоких скоростей передачи в стандарте 802.11g применяется принципиально иной метод кодирования данных - ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием (OFDM), который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая ско-

рость передачи достигается именно за счет одновременной передачи данных по всем каналам, причем скорость передачи в отдельном подканале может быть и невысокой, что создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции.

Увеличение числа каналов приводит к общему увеличению эффективности системы. Кроме того, с увеличением числа каналов часть из них может быть использована для передачи служебной информации и мониторинга каналов без сколько-нибудь значительной потери скорости передачи данных.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина каждого канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в его пределах, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно плотнее расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. Ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции [1,2].

Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции. На рис.1. изображены перекрывающиеся частотные каналы с ортогональными несущими.

Часипныс каналы

А У Т А, А

Частота, /

Рис. 1. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) - циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа (рис. 2).

Циклическое копирование

*—

GI Symbol

Рис. 2. Охранный интервал GI

Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения меж-символьной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. Наличие охранного интервала создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то меж-символьной интерференции не возникает (рис. 3).

Ек'пмыи LMbimi.i ЕїічІГНІИ смыты

Ol 1 5утп>аІЯІ 01 1 Sympal мг

О! Symbol # |. GI Symbol **2.

-4  !

Gl 1 Symbol fl 1 Gl 1 Symbol ПІ

ГиіІИЖ H-]iyiJHlUII!'ir-OJI[JIUlji littгирф.рсми.ии

Mj.kciimü.ii.iiüm

ыширжкм

ыэтниненмымч ни терферсшспя

L'L.iii ilu лт^утстіюііал ill

Рис. 3. Избежание межсимвольной интерференции за счет использования охранных интервалов

В системах широкополосного беспроводного доступа используется технология OFDM, при которой данные кодируются по алгоритму быстрого преобразования Фурье (FFT) и передаются пакетами (символами) посредством множества частотных подканалов. OFDM обеспечивает высокую спектральную плотность и чрезвычайную устойчивость к помехам от многолучевой интерференции и к частотным выпадениям.

Для OFDM технологии разработан ряд стандартов, в которых особое внимание уделяется планированию пользовательских потоков в информационном обмене, а также средствам защиты пользовательских данных и безопасности связи. В соответствии со стандартом IEEE 802.16 для предотвращения несанкционированного доступа к беспроводным службам и защиты пользовательских данных осуществляется шифрование трафика в пределах всей беспроводной сети [6].

Сама же технология OFDM-модуляции была заимствована из стандарта 802.11a [1,5]. Для ее реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное.

Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье в демодуляторе приемника приемопередающего устройства [1, 4].

Радиосигнал OFDM на интервале символа представляет собой результат суммирования ортогональных гармонических колебаний с заданными в процессе обработки и кодирования данных амплитудами. Более того, формулы для обратного преобразования Фурье и радиосигнала OFDM тождественны, если положить N=Tu/T и ввести в формулу для сигнала OFDM суммирование от 0 до (N-1), причем считать нулевыми значения модуляционных символов для вновь введенных дополнительных номеров. Таким образом, частотное уплотнение с ортогональными несущими представляет собой обратное дискретное преобразование Фурье (точнее, его вещественную часть, рис. 4).

Мадушггор

Обратное преобразование Фуры;

Рис. 4. Реализация ортогонального частотного разделения каналов

Открытой проблемой при разработке OFDM приемников является оптимальная оценка канала, когда одновременно присутствуют фазовый шум и смещение несущей частоты. Проблема оценки такого канала вызвана одной причиной - сложным введением связанных неизвестных параметров. Решение проблемы заключается в оптимизации функций вероятностей возникновения ошибок для импульсного отклика (CIR), фазовых шумов (PHN) и смещения несущей частоты (CFO) [1,4].

Упрощение основывается на введении метода сопряженных градиентов и неустойчивого фактора реализации, использующего быстрое преобразование Фурье (FFT) с незначительной потерей качества. Некоторые особенности функции вероятности дают возможность уникального соединения схем оценки для достижения оптимальной характеристики. Такая оценка называется оценочная функция CFO/PHN/C1R соединения (JCPCE).

На рис. 5 показано сравнение функций распределения вероятностей нормированной S Гауссовского предсказания, где S нормировано при моделировании средней разницы между в’ и во. Заметно, что эти оценки имеют очень большие различия в отношениях сигнал/шум.

Однако на данный момент мы имеем больше знаний о поведении остаточного общего фазового вращения и знаем, что оно существенно, так как его изменение - это часть фазового шума. На практике мы также имеем альтернативный вариант оценки и избавления от S на стадии обнаружения данных, используя экспериментальные символы, вложенные в передаваемые символы OFDM. Принимается допущение, что S может быть отлично скорректирована, для того чтобы облегчить определение оценки качества канала.

Преимущества OFDM и устойчивость системы передачи данных

Основным преимуществом OFDM является способность противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эк-вализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, нежели как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольные искажения.

Схема OFDM имеет несколько преимуществ. Во-первых, селективному замиранию будут подвержены только некоторые подканалы, а не весь сигнал. Если поток данных защищен кодом прямого исправления ошибок, то с этим замиранием легко бороться. Во-вторых, в схеме OFDM скорость передачи данных уменьшается в N раз, что позволяет увеличить время передачи сим-

вола в N раз. Таким образом, если время передачи символа для исходного потока составляет Ts, то период сигнала OFDM будет равен NTs. Это позволяет существенно снизить влияние меж-символьных помех. При проектировании системы N выбирается таким образом, чтобы величина NTs значительно превышала среднеквадратичный разброс задержек канала. Одним из преимуществ использования большего числа каналов в OFDM-системах является увеличение концентрации спектра и энергетики сигнала внутри полосы пропускания системы, что уменьшает помехи между соседними частотными каналами и увеличивает общую устойчивость системы передачи к шумам.

В--------------------------і---------------------------1--------------------------1--------------------' -г

і ________________I_________________I__________________I__________- I______________________L-

10 20 30 40 50 60

Sample

Sample

Рис. 5. Эффект остаточного фазового вращения при использовании JCPCE алгоритма

Например, четырехкратное увеличение числа каналов, предусмотренное одним из вариантов стандарта IEEE 802.16a, WiMAX, позволит уменьшить паразитные шумы вне полосы рабочих частот в среднем на 6 дБ [3,6].

IEEE 802.16 - это стандарт, предназначенный для создания территориально распределенных сетей широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access) в масштабе города (Wireless MAN). В стандарте описывается интерфейс для систем ШБД типа «точка-многоточка», работающих в диапазонах частот 2-11 ГГц и 10-66 ГГц и осуществляющих связь на расстояниях в десятки километров. Стандарт IEEE 802.16, помимо одночастотной передачи (Single Carrier, SC), предусматривает режимы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) и множественного доступа на основе такого мультиплексирования (OFD Multiple Access, OFDMA) [3,6].

В стандарте особое внимание уделяется планированию пользовательских потоков данных (Service Flow), на которых строится весь информационный обмен между базовой станцией и абонентскими устройствами, а также средствам защиты пользовательских данных (privacy sub layer) и безопасности связи.

В режиме OFDM допускается одновременная передача на 256 поднесущих. За счет увеличения (примерно в такое же число раз) длительности элементарного символа можно одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы, либо вообще работать только на отраженных сигналах вне пределов прямой видимости базовой станции.

Стандарт IEEE 802.16 регламентирует работу на физическом и канальном уровнях. Для поддержки протоколов верхнего уровня (АТМ, IP и др.) предусмотрен подуровень «преобразо-

вания сервиса», основная задача процедур которого распознать и классифицировать тип данных для эффективной их передачи через сети IEEE 802.16.

Описание профилей пакетов, управление доступом, механизмы криптозащиты, динамическое изменение работы системы и т.д. (т.е. все функции управления, предоставления доступа, запроса и подтверждения) реализуются через управляющие сообщения.

Конфиденциальность и безопасность

В соответствии со стандартом IEEE 802.16 для предотвращения несанкционированного доступа к беспроводным службам и защиты пользовательских данных осуществляется шифрование трафика в пределах всей беспроводной сети [6].

Базовые станции передают данные о ключах (DES/3DES) на абонентские комплексы с помощью протокола обмена ключами безопасности (Privacy Key Management, PKM). Этот протокол используется базовой станцией для предоставления условного доступа к сети и во время синхронизации информации о ключах с абонентской стороной.

Авторизация абонентских комплексов осуществляется на базе сертификата X.509, который «зашит» производителем оборудования и не может быть изменен даже после окончания срока действия сертификата - 10 лет. На основании цифровой подписи происходит аутентификация абонентского комплекса на базовой станции, при этом базовая и абонентская станции обмениваются зашифрованными ключами и устанавливают безопасное (зашифрованное) соединение. Множество ключей для шифрования и сам алгоритм (3-DES) обеспечивают сложность расшифровки даже при перехвате. Механизм шифрования трафика работает одновременно с двумя ключами для каждого виртуального соединения, что обеспечивает синхронизацию в среде с возможными потерями пакетов, а перекрывающиеся времена жизни ключей - надежность соединения.

Также в системе может быть предусмотрена защита паролем (до 16 различных символов) доступа к интерфейсу GUI-управления. Таким образом, обеспечивается защита служб управления, конфигурирования и обновления паролей и программного обеспечения системы.

В некоторых системах беспроводной передачи данных могут быть встроены дополнительные средства защиты, которые запрещают неопознанной удаленной станции посылать данные на порт Ethernet другой удаленной станции системы. В результате уменьшается вероятность утечки данных с подключенного сегмента локальной сети.

Канальное кодирование

Защитный интервал при OFDM-модуляции - мощное средство борьбы с межсимвольными помехами (межсимвольной интерференции), возникающими вследствие неизбежных в городских условиях переотражений и многолучевого распространения сигнала. Для предотвращения потери информации вследствие внутрисимвольной интерференции при пропадании отдельных символов или их фрагментов стандарт IEEE 802.16 предусматривает эффективные средства канального кодирования [3,6].

Кодирование данных на физическом уровне включает три стадии: рандомизацию, помехозащитное кодирование и перемежение. Кодирование данных предполагает каскадный код с двумя стадиями: кодер Рида-Соломона из поля Галуа GF (256) и сверточный кодер. В базовом виде код Рида-Соломона оперирует блоками исходных данных по 239 байт, формируя из них кодированный блок размером 255 байт (добавляя 16 проверочных байт). Такой код способен восстановить до 8 поврежденных байт. Поскольку в действительности используются блоки данных меньшей длины K, перед ними добавляются (239 - K) нулевых байт. После кодирования эти байты удаляются. Если необходимо сократить число проверочных слов, так чтобы

уменьшить число восстанавливаемых байт Т, используются только 2Т первых проверочных байтов.

После кодера Рида-Соломона данные поступают в сверточный кодер с порождающими последовательностями (генераторами кода) G1 = 1718 (для выхода Х) и G2 = 1338 (для Y) так называемый стандартный код NASA. Кодер Рида-Соломона не используется с двухпозиционной модуляцией BPSK (например, при начальной инициализации АС или запросе полосы). Он также пропускается, когда используется часть субканалов OFDM. В этом случае скорость сверточного кодирования принимается равной общей скорости кодирования

Помимо описанного механизма кодирования стандарт IEEE 802.16 предусматривает опциональное применение блоковых турбо-кодов (основанных на кодах Хемминга и контроле четности) и сверточных турбо-кодов.

После кодирования следует процедура перемежения перемешивания битов в пределах блока кодированных данных, соответствующего OFDM-символу. Эта операция проводится в две стадии. Цель первой - сделать так, чтобы смежные биты оказались разнесенными по несмежным несущим. На второй стадии смежные биты оказываются разнесенными в разные половины последовательности. Все это делается для того, чтобы при групповых ошибках в символе повреждались несмежные биты, которые легко восстановить при декодировании.

Канальное кодирование используется для повышения помехоустойчивости и в системах цифрового эфирного вещания и согласования форматов передачи данных кадра OFDM и транспортных пакетов MPEG. Канальный кодек включает в себя систему внешнего и внутреннего кодирования модема. Такая структура кодека позволяет унифицировать ряд его функциональных узлов для эфирных, спутниковых и кабельных систем цифрового вещания за счет того, что общие для этих систем вещания операции по обработке данных выполняются во внешней системе кодирования, а дополнительная обработка данных, зависящая от вида модуляции и среды передачи, выполняется в составе внутренней системы кодирования модема.

ЛИТЕРАТУРА

1. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. - М.: Радио и связь,

2000.

2. Прокис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000.

3. Шахнович И. Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16 для диапазонов ниже 11 ГГц. // Электроника: НТБ, 2005. - №1.

4. Optimal OFDM channel estimation with carrier frequency offset and phase noise. Lin, D.D.; Pacheco, R.A.; Teng Joon Lim; Hatzinakos, D. - Wireless Communications and Networking Conference, 2006. WCNC 2006. IEEE. Volume 2, Issue , 3-6 April 2006 Page(s):1050 - 1055.

5. IEEE 802.11 —стандарт, высокоскоростные беспроводные локальные сети (1997).

6. IEEE Std IEEE 802.16-2001 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. - IEEE, 8 April 2002. (беспроводная городская сеть, WiMAX).

ESTIMATION OFDM CHANNEL AT REALISATION OF THE PROTECTED DATA TRANSFER

Yashkova E.P.

Possibilities of application of a principle of Orthogonal Frequency Division Multiplexing for the protected data transfer are considered

Сведения об авторе

Яшкова Екатерина Петровна, студентка факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА, область научных интересов - методы и средства передачи и защиты информации в телекоммуникационных системах.