Хазов Михаил Леонидович. Разработка и исследование алгоритмов переключения антенн в системах связи MIMO

brief description

Хазов Михаил Леонидович. Разработка и исследование алгоритмов переключения антенн в системах связи MIMO;[Место защиты: ОТКЗ ФГБОУ ВО «Московский технический университет связи и информатики»], 2023

Ордена Трудового Красного Знамени
федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Московский технический университет связи и информатики»
На правах рукописи
Хазов Михаил Леонидович
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ
АЛГОРИТМОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ АНТЕНН
В СИСТЕМАХ СВЯЗИ MIMO
Специальность 2.2.15 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Крейнделин В.Б.
Москва, 2023

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ MIMO ИЗВЕСТНЫХ АЛГОРИТМОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ АНТЕНН С ИЗВЕСТНЫМИ КРИТЕРИЯМИ ОПТИМАЛЬНОСТИ 16
1.1. Модель системы MIMO без переключения (автовыбора) антенн 16
1.2. Модель системы MIMO с переключением антенн 20
1.3. Алгоритмы переключения антенн с полным и неполным перебором 27
1.4. Анализ известных алгоритмов переключения антенн, использующих
известные критерии оптимальности 33
1.5. Вычислительная сложность алгоритмов переключения антенн 35
1.6. Выводы к разделу 1 41
2. НОВЫЙ КРИТЕРИЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ. ОЦЕНКА ЭФФЕКТА ОТ
ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В АЛГОРИТМЕ ПОЛНОГО ПЕРЕБОРА. 43
2.1. Предлагаемый новый критерий оптимальности для автовыбора антенн
43
2.2. Анализ предлагаемого критерия оптимальности в условиях отсутствия
пространственной корреляции замираний 47
2.3. Вычислительная сложность для алгоритма полного перебора с новым
критерием оптимальности 51
2.4. Упрощение вычисления следа корреляционной матрицы ошибок
оценивания 53
2.5. Вычислительная сложность для алгоритма полного перебора с новым
упрощенным критерием оптимальности 57 
2.6. Анализ предлагаемого критерия оптимальности с упрощенным
вычислением следа корреляционной матрицы ошибок оценивания в условиях отсутствия пространственной корреляции замираний 61
2.7. Выводы к разделу 2 64
3. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ НОВЫХ АЛГОРИТМОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
АНТЕНН В СИСТЕМАХ СВЯЗИ MIMO НА ОСНОВЕ НОВОГО КРИТЕРИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ 65
3.1. Новый упрощенный алгоритм переключения антенн № 1 65
3.2. Новый упрощенный алгоритм переключения антенн № 2 68
3.3. Анализ характеристик известных и предлагаемых алгоритмов в
условиях отсутствия пространственной корреляции замираний 69
3.4. Анализ характеристик предлагаемых алгоритмов в условиях наличия
пространственной корреляции замираний 77
3.5. Вычислительная сложность для алгоритма неполного перебора с
новым критерием оптимальности 89
3.6. Выводы к разделу 3 93
4. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
ПРЕДЛОЖЕННЫХ АЛГОРИТМОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ АНТЕНН 95
4.1. Оценка вычислительной сложности при использовании различных критериев переключения антенн в условиях полного и неполного перебора 95
4.2. Оценка энергетических потерь в антенных переключателях 104
4.3. Выводы к разделу 4 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 111
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 

bibliography

Заключение
Основными результатами диссертационной работы являются:
1. Новый оптимальный алгоритм полного перебора с новым критерием оптимальности в виде минимума следа корреляционной матрицы ошибок демодуляции MinTrVzf (43) с наилучшими результатами в сравнении с лучшим из известных алгоритмов MaxCapFull (12) независимо от антенной конфигурации и значений BER. Выигрыш в помехоустойчивости системы при значении BER = 10-3 составляет до 0,75 дБ в отсутствии пространственных корреляций замираний для конфигурации MIMO 10x14. Характеристики помехоустойчивости при использовании нового критерия оптимальности MinTrVzf (43) улучшаются с ростом количества активных и пассивных антенн. Также растет выигрыш от использования критерия оптимальности MinTrVzf (43) в сравнении с использованием критерия MaxCapFull (12) с усилением корреляционных связей и при более низких значениях BER . Выигрыш в помехоустойчивости системы увеличивается до 1 дБ при более низких значениях BER = 10-4. Алгоритм MinTrVzf (43) демонстрирует при значении BER = 10-3 выигрыш в 0,8 дБ в условиях наличия пространственных корреляций замираний для MIMO низкой размерности 4x8 и при значениях корреляционных коэффициентов p = -0,6, pt= 0,6 (66).
2. Новый оптимальный алгоритм полного перебора с новым критерием оптимальности MinTrVzf (43) является в 1,5 раза менее сложным в реализации в сравнении с лучшим из известных оптимальных алгоритмов полного перебора с критерием оптимальности MaxCapFull (12).
3. Характеристики помехоустойчивости системы связи MIMO с новым алгоритмом неполного перебора IIZF (59) и новым критерием оптимальности (40) сопоставимы с характеристиками лучших оптимальных алгоритмов с критериями MinTrVzf (43) и MaxCapFull (12). Система с алгоритмом IIZF (59) демонстрирует потери 0,2 - 0,5 дБ в сравнении с оптимальным алгоритмом с критерием
MaxCapFull (12), при этом алгоритм IIZF (59) обладает до двух - трех порядков более низкой вычислительной сложностью. Алгоритм неполного перебора IIZF (59) с новым критерием оптимальности (40) можно реализовать в реальных системах связи MIMO, что обосновано оценкой времени, затрачиваемого современным микропроцессором на его реализацию, а также подсчетом примерного времени, требуемого для переключения антенн, в том числе при использовании микропроцессоров отечественной архитектуры.
4. Используемые в системах MIMO с автовыбором антенн антенные переключатели вносят дополнительные потери, при этом на частотах от 2 до 6 ГГц величина внутренних потерь антенных переключателей минимальна и составляет 0,5 - 1 дБ. Этот диапазон частот является основным для современных систем связи.
5. Вычисление нового критерия оптимальности MinTrVzf (43) также можно упростить, используя выражение (54) (Рис. 11).
Таким образом, цель диссертационного исследования достигнута, поставленные задачи решены.