Имитационная модель системы передачи спектрально-эффективных сигналов с OFDM

-

Проблемы передачи и обработки информации

УДК 621.395.44

С.В. Волвенко, С.В. Завьялов, С.Б. Макаров

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ СПЕКТРАЛЬНО-ЭФФЕКТИВНЫХ СИГНАЛОВ С OFDM

В сетях беспроводного широкополосного доступа используются сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием (сигналы с OFDM) с двоичной фазовой, многопозиционной фазовой, амплитудно-фазовой и др. видами манипуляции амплитуды и фазы колебания. При использовании таких методов манипуляции на каждой поднесущей частоте применяется прямоугольная форма вещественной огибающей сигналов. Одним из недостатков сигналов с OFDM является высокий уровень внеполосных излучений по краям занимаемой полосы частот (малая скорость спада уровня внеполосных излучений). Это оказывается серьезным препятствием на пути увеличения скорости передачи информации за счет увеличения числа каналов передачи в отведенной для передачи информации полосе частот телекоммуникационных систем.

Основной метод снижения уровня внеполосных излучений - использование на каждой поднесущей частоте оптимальных спектрально-эффективных сигналов, формы которых получены в результате решения оптимизационной задачи, при наличии ограничений на уровень внеполосных излучений. В статье рассматривается построение имитационной модели системы передачи спектрально-эффективных сигналов с OFDM по каналу связи с аддитивным белым га-уссовским шумом (АБГШ).

Описание имитационной модели

Имитационная модель включает в себя источник цифровой двоичной последовательности символов, модулятор, формирователь спектрально-эффективных сигналов с OFDM, непрерывный канал передачи, демодулятор спектрально-эффективных сигналов с OFDM,

а также блоки для определения вероятности ошибки и анализа спектральных характеристик сигналов.

Применяемый метод формирования спектрально-эффективных сигналов с OFDM основан на линейном преобразовании вектора входных символов [1], что позволяет использовать обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ).

Алгоритм работы имитационной модели заключается в следующем.

1. Задается количество N используемых под-несущих частот, объем выборки, равный 2*N, отношение энергии сигнала к односторонней спектральной плотности мощности шума (отношение сигнал/шум), вектор коэффициентов в разложении огибающей сигналов в ряд Фурье.

2. Формируется псевдослучайная выборка последовательности символов указанного объема.

3. Производится преобразование информационных символов в символы канального алфавита, последовательный поток данных преобразуется в параллельный (по числу используемых поднесу-щих).

4. На основании заданных коэффициентов в разложении огибающей в ряд Фурье формируется матрица М линейного преобразования для формирования спектрально-эффективных огибающих. Осуществляется соответствующее линейное преобразование входных данных.

5. К полученным символам применяется обратное быстрое преобразование Фурье.

6. Сигнал до передачи в канал подается на блок контроля и анализа спектральных характеристик.

7. В канале к последовательности сигналов добавляется шумовое воздействие:

Рис. 1. Блок-схемы устройств формирования и обработки оптимальных канальных сигналов

АБГШ с учетом заданного отношения сигнал/

шум;

гармоническое колебание с учетом заданного отношения сигнал/помеха.

8. В демодуляторе производится выделение используемых поднесущих и обратные операции преобразования данных, быстрое преобразование Фурье, демодуляция данных одним из двух методов: методом последовательного анализа или демодуляции по решетке.

9. Полученная последовательность символов сравнивается с исходной последовательностью и определяется средняя вероятность ошибочного приема.

Оптимальные спектрально-эффективные сигналы с OFDM получены путем решения оптимизационной задачи [1], в основе которой процедура минимизации функционала, определяющего

спектральные характеристики энергетического спектра. В частности, задача минимизации уровня внеполосных излучений сводится к минимизации функционала при наличии граничных условий и различного рода ограничений, например, на энергию и длительность сигнала, коэффициент корреляции, величину пик-фактора колебаний и является задачей вариационного исчисления.

Численное решение вариационной задачи для четной функции огибающей а(?) спектрально-эффективных сигналов на каждой поднесущей частоте сводится к получению коэффициентов разложения функции а(?) в ряд Фурье на интервале [-772; 772]:

а) = ОТ + ^ ак 008 (7 Ы }

где коэффициенты разложения имеют значения

a0 a2 a3 a 4 a5 a6 a7 a8 a9 a10

1,7823 0,626 -0,1239 0,053 —0,0294 0,0187 —0,013 0,0095 —0,0073 0,0057 —0,0046

Скорость спада уровня внеполосных излучений энергетического спектра случайной последовательности спектрально-эффективных сигналов, при условии использования фазовой манипуляции на 180 градусов, составляет величину l/f6 .

На рис. 1 приведена общая структурная схема имитационной модели, разделенная условно на две части: устройство формирования спектрально-эффективных сигналов и устройство обработки спектрально-эффективных сигналов.

Устройство формирования спектрально-эффективных сигналов выполняет процедуры построения канальных сигналов для передачи по каналам связи информационных последовательностей. Устройство формирования сигналов позволяет создавать на поднесущих частотах различные формы комплексной огибающей сигналов: от прямоугольной формы до спектрально-эффективной. Выбор форм происходит с помощью матрицы значений огибающей сигналов (подблок «Матрица для формирования огибающей»).

Блок «Устройство формирования спектрально-эффективных сигналов» состоит из следующих подблоков:

«Матрица для формирования огибающей»;

«Модулятор»;

«Добавление нулей»;

«Преобразование последовательного потока данных в параллельный»;

«Линейное преобразование для получения спектрально-эффективных сигналов с OFDM»;

«Добавление нулевых поднесущих»; «ОБПФ»;

«Преобразование параллельного потока данных в последовательный».

Подблок «мМодулятор»

На вход данного подблока поступает псевдослучайная последовательность единиц и нулей с вероятностью появления символов, равной 0,5. Выполняется фазовая модуляция (ФМ-4). Блок обладает следующими параметрами:

смещение фазы - п/4;

порядок - код Грея.

Подблок «Добавление нулей»

В подблоке происходит выполнение операции приведения формата сигнала к формату, требуемому для перемножения данных на числа, записанные в матрице формирования огибающей сигналов.

Подблок «Преобразование последовательного потока данных в параллельный»

В подблоке осуществляется процедура преобразования входного последовательного потока данных в параллельный поток.

Подблок «Матрица для формирования огибающей»

На основе информации о количестве подне-сущих, коэффицентах разложения спектрально-эффективной огибающей сигналов и требуемом количестве спектрально-эффективных огибающих в матрице формируются числа, необходимые для формирования огибающей сигналов. При использовании 64 информационных поднесущих и 10 коэффициентов разложения спектрально-эффективной огибающей размерность матрицы для формирования огибающей составляет 84.

Подблок «Линейное преобразование для получения спектрально-эффективных сигналов с OFDM»

В подблоке выполняется линейное преобразование чисел, необходимое для получения на выходе сигнала, содержащего заданное количество спектрально-эффективных и прямоугольных огибающих. Линейное преобразование заключается в матричном перемножении входного вектора с выхода подблока добавления нулей и сформированной матрицы для формирования огибающей. Количество спектрально-эффективных огибаюших и форма комплексной огибающей сигналов определяется матрицей значений огибающей сигналов. На выходе блока получаются числа, соответствующие спектрально-эффективным сигналам.

Подблок «Добавление нулевых поднесущих»

На выходе данного блока формируется сигнал с информационными и двумя блоками защитных поднесущих по бокам от информационных. Данное преобразование необходимо для того, чтобы размерность данных на входе подблока ОБПФ была кратна второй степени.

Подблок «Обратное быстрое преобразования Фурье»

Осуществляет обратное преобразование Фурье по алгоритму быстрого преобразования Фурье:

размерность преобразования Фурье - 256 точек;

основание преобразования - 2.

Сформированный описанным выше образом сигнал передается в блок симуляции канала передачи.

Подблок «Преобразование параллельного потока данных в последовательный»

Осуществляется процедура преобразования входного параллельного потока данных в последовательный поток.

«Построение спектральных характеристик» Осуществляются процедуры построения спектральных характеристик рассматриваемых сигналов.

«Отображение мгновенной мощности сигнала»

Данный блок предназначен для отображения мгновенной мощности сигнала.

«Канал передачи»

Оуществляет процедуры моделирования канала передачи в случае воздействия аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) и гармонической помехи.

Устройство обработки спектрально-эффективных сигналов выполняет процедуры приема и демодуляции оптимальных канальных сигналов. Устройство обработки сигналов позволяет осуществлять прием на поднесущих частотах различных форм комплексной огибающей сигналов.

Блок «Устройство обработки спектрально-эффективных сигналов» состоит из следующих подблоков:

«Преобразование последовательного потока данных в параллельный»;

«Быстрое преобразование Фурье»; «Преобразование параллельного потока данных в последовательный»;

«Удаление нулевых поднесущих»; «Алгоритм демодуляции спектрально-эффективных сигналов по Витерби».

Подблок «Преобразование последовательного потока данных в параллельный»

Осуществляет процедуру преобразования входного последовательного потока данных в параллельный.

Подблок «Быстрое преобразование Фурье» Осуществляет расчет прямого преобразования Фурье над входным сигналом посредством реализации алгоритма быстрого прямого преобразования Фурье:

размерность преобразования Фурье - 256 точек; основание преобразования - 2. Подблок «Преобразование параллельного потока данных в последовательный»

Осуществляет процедуру преобразования входного параллельного потока данных в последовательный.

Подблок «Удаление нулевых поднесущих» В блоке происходит удаление защитных под-несущих частот, добавленных при формировании сигнала.

Подблок «Алгоритм демодуляции спектрально-эффективных сигналов по Витер-би»

В данном блоке осуществляется демодуляция спектрально-эффективных сигналов по алгоритму Витерби. При использовании сигналов с прямоугольными огибающими производится классическая демодуляция встроенным в данный блок демодулятором. Выбор формы используемой огибающей осуществляется с помощью матрицы для формирования огибающей. Встроенный демодулятор после выполнения алгоритма Витерби обладает следующими параметрами: смещение фазы — п/4; порядок — код Грея; тип входных данных — бит; тип решений — жесткие решения. Полученный сигнал поступает в блок «Расчета вероятности ошибки».

«Расчет вероятности ошибки» Данный блок предназначен для расчета вероятностных характеристик ошибочного приема передаваемой информации.

Временные и спектральные характеристики сигналов

Во временной области сигнал с OFDM представляет собой суперпозицию большого количества отрезков гармонических колебаний различной частоты. С увеличением количества спектрально-эффективных сигналов форма огибающей суммарного сигнала приближается к форме огибающей одиночного сигнала. Пик-фактор такого сигнала может принимать относительно высокие значения.

Пик-фактор П сигналов с OFDM представляет собой отношение наибольшей (пиковой) мощности к средней мощности сигнала s(t):

max{ s(t) }

П = te[Q;r ] 1 1

J

1 -Jl s(t )f

dt.

' cp 0

Большое внимание к изучению возможностей снижения пик-фактора колебаний связано в первую очередь с тем, что именно этот параметр сигналов с OFDM существенно ограничивает область их применения, особенно в портативных приемно-передающих устройствах с малым потреблением

О 20 40 60 80 100

Количество спектрально-эффективных огибающих, %

Рис. 2. Пик-фактора сигналов с OFDM при различном количестве спектрально-эффективных сигналов

) без переноса; (•.......) с переносом

мощности. Высокое значение пик-фактора колебаний приводит к амплитудному ограничению сигналов с OFDM в выходных цепях передатчика и появлению в сигнале межканальных помех и, как следствие, к снижению помехоустойчивости приема информации и увеличению значений уровня внеполосных излучений.

Результаты исследования пик-фактора сигналов с OFDM при различном количестве спектрально-эффективных огибающих показаны на рис. 2.

Увеличение количества спектрально-эффективных огибающих от 0 % до 100 % приводит к росту пик-фактора более чем на 2,5 дБ как при рассмотрении случая переноса на несущую частоту, так и в случае отсутствия переноса на несущую частоту. Данный эффект объясняет-

ся тем фактом, что при переходе к спектрально-эффективным сигналам форма результирующей огибающей суммарного сигнала приближается к огибающей одиночного сигнала. Пик-фактор таких сигналов превышает пик-фактор классических сигналов с OFDM с прямоугольными огибающими.

Спектральные характеристики (значение занимаемой полосы частот в зависимости от значения Gf)/G(0)) оптимальных сигналов с минимальным уровнем внеполосных излучений с различным количеством спектрально-эффективных сигналов на поднесущих частотах при условии фиксированной средней мощности представлены в табл. 1.

Полученные результаты экспериментальных исследований модели справедливы для случая

Таблица 1

Значение занимаемой полосы частот в зависимости от значения G(/)/G(0) для случая фиксированной средней мощности огибающих

Доля спектрально-эффективных сигналов, %

Gf)/G(0), дБ 0 20 50 100

AJT

-20 0,630 0,506 0,506 0,506

-30 1,910 0,690 0,540 0,526

-40 - - - 0,584

-50 - - - 0,680

Отношение сигнал/шум, дБ

Рис. 3. Помехоустойчивость приема оптимальных сигналов с OFDM (ФМ-4) для случая фиксированной средней мощности при применении классического алгоритма приема (-) 0,0; (*) 0,1; (*) 0,2; ( ) 0,5; (-♦-) 1,0

фиксированной средней мощности передаваемых сигналов и при большой длине последовательности символов.

Помехоустойчивость приема оптимальных сигналов

В качестве помехи использовался аддитивный нормальный случайный процесс со спектральной плотностью средней мощности, равной N0. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 3.

В качестве алгоритма демодуляции сигналов использовался алгоритм когерентного оптимального поэлементного приема для сигналов с прямоугольной огибающей. Такой алгоритм применяется в существующих системах с OFDM — WiMAX. Увеличение доли оптимальных сигналов с минимальным уровнем внеполосных излучений (0; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 на рис. 3) приводит к увеличению вероятности ошибки и энергетическому проигрышу по отношению сигнал/шум при фиксированной вероятности ошибки (табл. 2),

что обусловлено происходящим при этом увеличением помех из-за неортогональности между сигналами, расположенными на соседних поднесущих частотах. Худшей помехоустойчивостью обладают сигналы с OFDM со 100 % спектрально-эффективных сигналами на подне-сущих частотах.

Из анализа зависимостей на рис. 3 видно, что при классическом алгоритме приема переход от сигналов с прямоугольными огибающими к сигналам со 100 % спектрально-эффективных огибающих приводит к энергетическому проигрышу в 5,3 дБ для вероятности ошибки 102 и 10,8 дБ для вероятности ошибки 10—3.

Для повышения достоверности приема оптимальных сигналов с минимальным уровнем внеполосных излучений применяется алгоритм Витерби [3]. Основой этого алгоритма является использование при принятии решения информации о принятых символах, переданных на соседних поднесущих частотах. Принятие решения о переданном комплексном символе осуществляет-

Т аб л и ц а 2

Значения отношения сигнал/шум (дБ) при фиксированной вероятности ошибки для различной доли оптимальных сигналов при фиксированной средней мощности и классическом алгоритме приема

Вероятность ошибки Доля спектрально-эффективных огибающих

0 0,5 1,0

10—2 4,3 7,1 9,6

10—3 6,8 14,8 17,4

Рис. 4. Помехоустойчивость приема оптимальных сигналов с OFDM (ФМ-4) для случая фиксированной средней мощности при применении алгоритма приема по Витерби (-) 0,0; 0,1; 0,2; ( ) 0,5; (-#-) 1,0

ся после анализа всех поднесущих в сигнале. Это приводит к тому, что в процессе декодирования в памяти декодера сохраняется набор возможных комплексных символов для каждой поднесущей, а окончательное принятие решения о символах осуществляется после учета всех связей между всеми поднесущими.

Результаты измерения вероятности ошибок для оптимальных сигналов с OFDM (вид модуляции на каждой поднесущей ФМ-4) для случая фиксированной средней мощности при применении алгоритма приема по Витерби показаны на рис. 4 и приведены в табл. 3.

Видно, что энергетический проигрыш при переходе от сигналов с прямоугольными огибающими к сигналам со 100 % спектрально-эффективных огибающих (2,8 дБ для вероятности ошибки 10-2 и 3,1 дБ для вероятности ошибки 10-3) меньше по сравнению со случаем применения классического алгоритма приема (10,8 дБ для вероятности ошибки 10-3). То есть

энергетический выигрыш за счет применения алгоритма приема по Витерби составляет более 7 дБ для вероятности ошибки 10-3.

Переход к применению оптимальных сигналов с OFDM с минимальным уровнем внеполос-ных излучений позволяет существенно сократить занимаемую полосу частот. При этом, как видно из результатов имитационного моделирования, полоса занимаемых частот по уровню -50 дБ по отношению к спектральной маске классических сигналов с OFDM уменьшается более чем на 40 % или в 1,47 раза.

Энергетические потери при переходе от классических сигналов с OFDM к оптимальным составляют не более 2,8 дБ для вероятности ошибки 10-2 и 3,1 дБ для вероятности ошибки 10"3\

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.», госконтракт № 07.514.12.4008.

Т а б л иц а 3

Значения отношения сигнал/шум (дБ) при фиксированной вероятности ошибки для различной доли оптимальных сигналов при фиксированной средней мощности и алгоритме приема по Витерби

Вероятность ошибки Доля спектрально-эффективных огибающих

0 0,5 1,0

10-2 4,3 6,1 7,1

10-3 6,8 9,1 9,9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макаров, С.Б. Метод формирования спектрально-эффективных OFDM-сигналов на основе неортогональных базисных функций [Текст] / С.Б. Макаров, А.В. Рашич // Научно-технические ведомости СПбГПУ Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2009. -№ 2 (76). -С. 94-98.

2. Рашич, А.В. Снижение пик-фактора сигналов с ортогональным частотным уплотнением [Текст] /

А.В. Рашич, С.Б. Макаров // Научно-технические ведомости СПбГПУ Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. —2008. —№ 2(55). — С. 79—84.

3. Макаров, С.Б. Формирование и прием спектрально-эффективных сигналов с OFDM [Текст] / С.Б. Макаров, А.В. Рашич // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. —2011. —№ 6-2 (138). —С. 19—26.

УДК 004.056

С.С. Бондарчук, А.Л. Додохов, А.Г. Сабанов

ТЕХНОЛОГИЯ ЗАЩИТЫ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ДАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУБД ORACLE

В связи с вступлением в силу Федерального закона от 25 июля 2011 г. № 261-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон № 152-ФЗ О персональных данных» вопросу разработки практических методов защиты персональных данных (ПДн) уделяется повышенное внимание.

Как известно, самые большие базы данных, содержащие персональные данные, используют промышленные масштабируемые СУБД. Одной из самых распространенных в России является СУБД Oracle. Как показано в работе [1], эта СУБД имеет в настоящее время самые развитые встроенные сервисы безопасности по сравнению с другими СУБД, однако встроенные средства шифрования не удовлетворяют требованиям российского законодательства, и для защиты ПДн необходима разработка наложенных средств в соответствии с ГОСТ — 28147-89, глубоко интегрированных с безопасными сервисами, заложенными вендором. Как известно, разработка таких решений является сложной задачей, поскольку к ним одновременно предъявляются повышенные и противоречащие друг другу требования как по производительности, так и по безопасности — для задачи шифрования бах данных давно известна зависимость: чем лучше зашифрованы данные, тем больше падает производительность вычислений с данными.

В данной статье рассматривается метод по-

строения решения по защите персональных данных на платформе Oracle в соответствии с требованиями российского законодательства.

Постановка задачи. Одно из самых уязвимых мест при передаче, обработке и хранении персональных данных — это непосредственно базы данных (БД), где содержатся ПДн. Для БД известны следующие основные функции защиты информации:

• защита доступа — доступ к данным пользователь получает только при успешном прохождении им процедур идентификации и аутентификации;

• разграничение доступа — каждый пользователь, включая администратора, имеет доступ только к необходимой ему согласно занимаемой должности информации;

• шифрование данных — шифровать необходимо как передаваемые в сети данные для защиты от перехвата, так и данные, записываемые на носитель, для защиты от кражи носителя и несанкционированного просмотра/изменения нештатными средствами системы управления БД (СУБД);

• аудит доступа к данным — действия с критичными данными должны протоколироваться. Доступ к журналу не должны иметь пользователи, на которых он ведется.

Задачу данной статьи можно сформулировать следующим образом: необходима разработка