Тимощук, Роман Сергеевич. Исследование методов повышения помехоустойчивости систем радиосвязи с использованием технологии MIMO и пространственно-временной обработки сигнала

Краткое описание

Тимощук, Роман Сергеевич. Исследование методов повышения помехоустойчивости систем радиосвязи с использованием технологии MIMO и пространственно-временной обработки сигнала : диссертация ... кандидата технических наук : 05.12.04 / Тимощук Роман Сергеевич; [Место защиты: Новосиб. гос. техн. ун-т].- Новосибирск, 2013.- 136 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/1798

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего
профессионального образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
На правах рукописи
0135*700
Тимощук Роман Сергеевич
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ
СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ MIMO И
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Специальность 05 Л 2.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства
телевидения
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Носов Владимир Иванович
НОВОСИБИРСК - 2013 
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИЕМА 17
1.1 Применение техники STP в системах MIMO 17
1.2 Особенности применения схемы с разнесенной передачей 19
1.3 Пространственно-временные блочные коды 22
1.4 Коды STBC высокого порядка 28
1.5 Квазиортогональные пространственно-временные блочные коды 30
1.6 Помехоустойчивость разнесенного приема в каналах с наличием
корреляции между параметрами 32
1.7 Адаптивный разнесенный прием сигналов OFDM 35
1.8 Постановка задачи исследования 36
1.9 Выводы по разделу 1 38
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ
КОРРЕЛЯЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАДИОСИСТЕМ С РАЗНОСОМ ПЕРЕДАЧИ 40
2.1 Коэффициент пространственной корреляции 40
2.1.1 Модель канала связи 41
2.1.2 Модель пространственной корреляции 41
2.1.3 Коэффициент корреляции сигналов в двух соседних антеннах 43
2.2 Корреляция квазиортогонального пространственно-временного кода 47
2.2.1 Корреляция сигналов в схеме Аламоути 49
з
2.2.2 Коэффициент корреляции сигналов для четырехантенной системы ..50
2.2.3 Коэффициент корреляции сигналов для восьмиантенной системы ....51
2.2.4 Методика расчета обобщенной корреляционной модели для N-
антенных систем 52
2.2.5 Методика расчета коэффициента взаимной корреляции двух векторов
сигнала в квазиортогоналыюм коде 54
2.3 Выводы к разделу 2 58
3 ОЦЕНКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РАДИОСИСТЕМ С РАЗНЕСЕННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ И ПРИЕМОМ 60
3.1 Помехоустойчивость приема в каналах с корреляцией 60
3.1.1 Влияние пространственной и кодовой корреляции 62
3.1.2 Анализ матрицы коэффициентов передачи 63
3.2 Расчет вероятности ошибки для частных случаев 68
3.2.1 2-х антенная система 68
3.2.2 4-х антенная система 70
3.2.3 8-ми антенная система 73
3.3 Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для систем с
2-я, 4-я и 8-ю передающими антеннами в условиях пространственной и кодовой корреляции 74
3.4 Зависимость вероятности ошибки от SNR для систем SISO, MISO, SIMO
75
3.5 Анализ помехоустойчивости разнесенного приема сигналов OFDM 77
3.5.1 Разработка алгоритмов приема 77
3.5.2 Помехоустойчивость приема 81
3.6 Выводы по разделу 3 93
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 94
4Л Принципы компьютерного моделирования в среде MATLAB 94
4.2 Описание используемых моделей 95
4.2.1 Модель канала связи с 2-мя передающими антеннами и кодированием
по схеме Аламоути 95
4.2.2 Модель канала связи с 4-мя передающими антеннами и
использованием квазиотртогонального метода кодирования 99
4.2.3 Модель канала связи с 8-ю передающими антеннами и
использованием квазиортогонального метода кодирования 102
4.3 Особенности моделирования радиосистем, использующих множественные
антенны на передаче 105
4.4 Результаты исследования 106
4.5 Выводы по разделу 4 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
Список использованных источников 118
Приложение А 129
Приложение Б 131
Приложение В 131

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Схема с разнесенной передачей улучшает качество сигнала на приеме путем простого распределения сигнала по двум передающим антеннам. Получаемая кратность разнесения эквивалентна применению дифференциально-взвешенного приема по принципу максимального правдоподобия (MRRC) с двумя антеннами в приемнике. Схема может быть обобщена до М передающих антенн и 1 приемной антенны, для обеспечения кратности разноса М-го порядка. Это выполняется без какой-либо обратной связи от приемника к передатчику и с применением небольшой сложности вычислений. Схема разнесенной передачи не предполагает расширение полосы, т.к. избыточность обеспечивается в пространстве и во времени, а не по частоте.
Код Аламоути для систем с разнесенной передачей уменьшает коэффициент ошибок, увеличивает скорость передачи, или емкость канала беспроводных систем связи. Уменьшенная чувствительность к замираниям может позволить использование многопозиционных методов модуляции для повышения скорости передачи или уменьшения фактора переиспользования в многосотовых средах - для увеличения емкости всей системы. Разнос передачи может быть также использован для увеличения зоны покрытия беспроводной системы. Другими словами, он эффективен во всех приложениях, где емкость системы ограничена замираниями вследствие многолучевости.
В ходе исследования разработан ряд методик и решены следующие задачи:
1. Разработан подход к унификации техники пространственно- временного кодирования Аламоути. С помощью данного подхода представляется возможным оценка помехоустойчивости систем радиосвязи с М передающими антеннами, работающих с одной приемной антенной.
В качестве математического обоснования проводимых исследований рассматривается классическая схема суммирования дифференциально¬взвешенных сигналов, которая является основой реализации кода Аламоути. Использование данной схемы с разнесенной передачей на практике, применительно к 4-х, 8-й и более антенным системам, возможно при помощи метода Аламоутизации, в ходе которого схема Аламоути масштабируется до необходимого порядка, с использованием рекурсивного правила Уолша-Адамара.
Для определения помехоустойчивости систем с множественными передающими антеннами создана корреляционная модель, которая описывается как совокупность коэффициентов корреляции от различных влияющих факторов: пространственная корреляция и кодовая корреляция.
Коэффициент пространственной корреляции используется в виде матрицы коэффициентов корреляции между антеннами. Для определения коэффициента корреляции между двумя антеннами в зависимости от расстояния между ними, дано определение понятию углового рассеивания.
В квазиортогональных пространственно-временных кодах коэффициент корреляции между кодовыми словами представляет собой матрицу корреляции соответствующих векторов сигналов. В разделе 3 показано, что для ортогональных кодов данная матраца корреляции равна единичной матрице, т.к. коэффициенты корреляции между всеми векторами равны нулю. Коэффициент кодовой корреляции между двумя векторами рассчитан для случаев с 4-мя и 8-ю передающими антеннами, и далее это понятие обобщено для М антенн.
Вероятность ошибки в каналах MISO рассчитывается через собственные числа матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом матрицы взаимной корреляции. Корреляция, зависящая от нескольких факторов (пространственная и кодовая корреляция) рассчитывается с использованием коэффициента множественной корреляции.
2. Получена матрица коэффициентов передачи канала для системы MISO с М передающими антеннами, для каналов передачи с релеевскими замиранияхми, с учетом пространственной корреляции между антеннами, а также с учетом неортогональности любого пространственно-временного кода STBC.
Для расчета помехоустойчивости системы необходимо найти собственные числа матрицы коэффициентов передачи. В качестве примера, рассмотрены частные случаи расчета вероятности ошибки для 2-х, 4-х и 8-ми антенной системы.
3. На основе данных сравнительного анализа кривых помехоустойчивости МІМО-систем различных порядков построенных по аналитически полученной формуле, и полученных экспериментально при моделировании в среде MatLAB, делается вывод, что полученные формулы для расчета матрицы коэффициентов передачи и определения вероятности ошибки совпадают с экспериментальными результатами.
Наиболее значимыми новыми научными результатами являются:
4. Разработана обобщенная корреляционная модель канала связи MIMO, использующего квазиортогональное пространственно-временное кодирование сигналов, коэффициенты которой учитывают степень неортогональности векторов излучаемых сигналов и пространственную корреляцию между антеннами.
5. Разработана методика оценки помехоустойчивости MISO систем с множеством передающих и одной приемной антенной, на основе собственных чисел матрицы коэффициентов передачи канала, с учетом обобщенной корреляционной модели канала.
6. Разработан алгоритм приема сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью и конечной скоростью изменения параметров.
7. Разработана методика анализа помехоустойчивости синтезированного алгоритма разнесённого приёма сигналов OFDM с использованием обучающей последовательности в каналах с многолучевостью.
8. Разработаны компьютерные модели MISO-систем в среде MATLAB для случаев 2-х, 4-х, 8-ми передающих антенн, использующих методы
квазиортогонального пространственно-временного кодирования.