Способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями Российский патент 2022 года по МПК H04J11/00 

Способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями, относится к системам связи, использующим ортогональное частотное мультиплексирование и может быть использовано в системах мобильной связи 4-го и 5-го поколения.

Известен способ приема OFDM-радиосигнала Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи / Л.Н. Волков, М.С. Немировский, Ю.С. Шинаков. М.: Эко-Трендз, 2005, заключающийся в том, что сигнал из передающего устройства после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом поступает на вход приемного устройства, из аналогового входного сигнала выделяется последовательность отсчетов огибающей, из полученной последовательности удаляются отсчеты защитного интервала, оставшиеся отсчеты, характеризующие OFDM символ, после последовательно-параллельного преобразования подвергаются быстрому преобразованию Фурье, результатом которого является совокупность модулирующих символов, которые преобразуются в последовательность информационных бит, предназначенное для устранения межсимвольной интерференции. Но данный способ не позволяет сохранить помехоустойчивость приема в каналах с памятью, величина которой превосходит исправляющую способность защитного интервала, а также при воздействии на сигнал быстрых замираний.

Наиболее схожим к предлагаемому способу по своей технической сущности является способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью. Патент №2618211, дата приоритета 07.09.2015, опубликовано 03.05.2017, МПК H04J 11/00, заключающийся в том, что сигналы из передающего устройства после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом поступает на вход приемного устройства, из аналогового входного сигнала выделяется последовательность отсчетов огибающей, из полученной последовательности удаляются отсчеты защитного интервала, оставшиеся отсчеты, характеризующие OFDM символ, после последовательно-параллельного преобразования подвергаются быстрому преобразованию Фурье, результатом которого является совокупность модулирующих символов, преобразуемых далее в последовательность информационных бит, перед удалением отсчетов защитного интервала производится измерение импульсной характеристики канала по содержимому в структуре передаваемого сигнала пилот-символам в известным информационным содержанием, и далее по измеренной импульсной характеристике осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции из последовательности отсчетов огибающей. Но данный способ, в ситуации, когда в канале с рассеянием лучи распространения сигнала подвергаются воздействию быстрых замираний, также не позволяет сохранить помехоустойчивость приема.

Поставленная задача решается за счет того, что согласно предлагаемому способу, заключающемуся в том, что для каналов с памятью и быстрыми замираниями:

- в передающем устройстве пилот-сигнал вставляется в каждый OFDM символ, при этом сформированная посредством параллельно-последовательного преобразования последовательность отсчетов огибающей пилот-сигнала, длина которой выбирается таким образом, чтобы интервал временного рассеяния при заданной скорости передачи позволял измерить все отсчеты импульсной характеристики, подвергается операции ОБПФ отдельно от отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа, которые, в свою очередь, также подвергаются операции ОБПФ, после чего обе последовательности отсчетов мультиплексируется в единый поток последовательности отсчетов OFDM символа и далее поступают на блок параллельно-последовательного преобразования и отправляются в канал;

- на приемной стороне по последовательности отсчетов огибающей пилот-сигнала с известным информационным содержанием осуществляется измерение отсчетов импульсной характеристики, после чего в последовательности отсчетов огибающей информационного символа осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции, производится оценивание отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа, которые подвергаются операции БПФ.

Способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями реализуется устройством, поясненным чертежами, где на фигурах 1 и 2 изображено:

- передатчик: кодеры (для информационного сигнала 1(a) и для пилот-сигнала 1(б)), блок отображения сигнала 2(a), блок отображения пилот-сигнала 2(б), блоки ОБПФ (обратного быстрого преобразования Фурье) для информационного сигнала (рабочий пакет) 3(a) и для пилот-сигнала 3(б), мультиплексор 4, Пр/Пс (параллельно-последовательный) преобразователь 5, блок добавления защитного интервала 6, Ц/А (цифро-аналоговый) преобразователь 7, РЧ (радиочастотный) процессор;

- приемник: РЧ процессор 1, А/Ц (аналогово-цифровой) преобразователь 2, блок измерения 3, компенсатор межсимвольной интерференции 4, блок удаления защитного интервала 5, Пс/Пр (последовательно-параллельный) преобразователь 6, блок БПФ (быстрого преобразования Фурье) 7, блок выделения пилотного символа 8, блок оценки канала 9, эквалайзер 10, Пр/Пс (параллельно-последовательный) преобразователь 11, блок обратного отображения символа 12, декодер 13, приемник данных 14.

Способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями реализуется следующим образом:

- в передатчике: передаваемые информационные данные и пилот-сигнал формируются параллельно друг другу, для начала они кодируются 1 (а, б), затем поступают на блок отображения сигнала 2(a) и блок отображения пилот-сигнала 2(б), после этого операция ОБПФ совершается отдельно как для информационных данных 3(a), так и для пилот-сигнала 3(б), только после этого полученные сигналы мультиплексируются 4 и из параллельного состояния преобразуются в последовательное 5, таким образом структурная схема OFDM системы становится адаптированной к быстрым замираниям, позволяя передавать пилот-сигналы более короткой длительности в каждом OFDM символе, далее добавляется защитный интервал 6 для борьбы с межсимвольной интерференцией и преобразуется из цифрового сигнала в аналоговый 7, затем поступая в РЧ процессор 8, сигнал переносится в высокочастотную область и передается с помощью антенны;

- в приемнике: сигналы из передающего устройства после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом поступают на антенну приемного устройства, вводятся в РЧ процессор 1, где принимаемый сигнал переносится на промежуточную частоту, далее поступает на аналого-цифровой преобразователь 2, в котором аналоговые сигналы преобразуются в цифровые отсчеты огибающей OFDM символа и поступают на блок измерения 3 импульсной характеристики канала, и на блок выделения пилотного-сигнала 8, после измерения импульсной характеристики канала по пилот-сигналам (информационное содержимое которых, известно на приеме) происходит удаление пилот-сигналов из каждого OFDM символа, затем информационный сигнал поступает на компенсатор межсимвольной интерференции, где по измеренной импульсной характеристике канала осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции из последовательности отсчетов огибающей, очищенные сигналы поступают на блок удаления защитного интервала 5, затем поступают на блок 6 для последовательно-параллельного преобразования сигнала, затем в блоке 7 БПФ (быстрого преобразования Фурье) формируется совокупность модулирующих символов, которые корректируются по фазе и амплитуде в блоке эквалайзера 10 с помощью выделенного пилотного сигнала в блоке 8 и определенного в блоке оценки канала 9, коэффициента передачи канала на каждой поднесущей скорректированные сигналы подвергаются параллельно-последовательному преобразованию в блоке 11, затем поступают на блок обратного отображения символа 12, на декодер 13 и обработанные сигналы поступают на приемник данных 14.

Способ реализуется следующим образом. Обозначим импульсную характеристику канала связи с памятью через h(t), длительность которой

определяется как М⋅Δt, где

Т - длительность OFDM символа,

N - число поднесущих OFDM символа,

М - количество отсчетов огибающей OFDM символа, пораженных межсимвольной интерференцией.

На передаче комплексная огибающая OFDM символа имеет вид [4]:

где - комплексная огибающая модулирующего символа,

t_k - момент начала OFDM символа.

Полагая для простоты t_k=0, отсчеты комплексной огибающей взятые через интервал Δt, представим как

Если рассеяние энергии передаваемых отсчетов во времени отсутствует, то в месте приема по накопленной совокупности отсчетов с помощью ДПФ (реализуемого через БПФ) при высоких отношениях сигнал/шум решения о передаваемых символах выносится практически безошибочно.

При небольшом временном рассеянии, называемым также памятью канала или явлением межсимвольной интерференции, для сохранения ортогональности поднесущих OFDM символа его длительность увеличивается на время рассеяния, формированием защитных интервалов до и после OFDM символа.

Если фактическое время рассеяния в канале превосходит предполагаемое, то приемник OFDM символов становится неработоспособным даже при высоких отношениях сигнал/шум, т.к. нарушается ортогональность поднесущих в структуре OFDM сигнала и операция ДПФ не может осуществить демодуляцию, т.е. выделить из символы .

При любых способах формирования сигнала на передаче и алгоритмах обработки в месте приема влияние канала связи (в предположении его линейности) остается неизменным - при наличии явно выраженного временного рассеяния τ_p ≈ M⋅Δt (М - количество отсчетов импульсной характеристики узкополосного канала, Δt - интервал времени между отсчетами комплексной огибающей OFDM-символа) на любой передаваемый отсчет , l = 0,1, … N - 1 на приеме будет оказывать интерференционное воздействие каждый из (М -1) предшествующих отсчетов.

Если импульсная характеристика канала с постоянными параметрами определяется отсчетами h₀, h₁, … h_M-1, то на приемной стороне сигнал, соответствующий OFDM-символу и наблюдаемый на интервале анализа T_a = (N+М - 1)Δt, запишется в виде

где - вектор отсчетов огибающей OFDM-символа,

w(t) - реализация аддитивной помехи, [⋅]^T - символ транспонирования.

В данном способе предлагается использовать в качестве алгоритма обработки сигналов на приеме алгоритм ПЦППР - прием «в целом» на интервале рассеяния (памяти) с поэлементным принятием решения. Этот алгоритм неоднократно обсуждался в публикациях, например, в работах [2,3,4,5,6] и в более ранних работах, где было показано, что алгоритм ПЦППР обладает помехоустойчивостью, практически совпадающей с помехоустойчивостью «алгоритма Витерби» (АВ) и имеет минимально возможную для алгоритмов, работающих в каналах с памятью, задержку в принятии решения. Последнее свойство алгоритма обусловлено использованием «обратной связью по решению» (ОСР), использование которой определяет принципиальное отличие ПЦППР от АВ.

Согласно алгоритму ПЦППР для канала с постоянными параметрами и аддитивным белым гауссовским шумом w(t) совместно оптимальные, согласно критерию минимума среднеквадратической ошибки, оценки составляющих вектора U могут быть найдены по правилу

Полученные из (5) оценки отсчетов огибающей OFDM-символа используются далее [1] для решения задачи демодуляции посредством реализации дискретного преобразования Фурье. Очевидно, минимизация в (5) невозможна с использованием переборных алгоритмов. С учетом того, что нахождение из выражения (5) оценок составляющих вектора U, например, по критерию минимума среднеквадратической ошибки, эквивалентно решению обратной задачи по оценке вектора U из матричного уравнения (аналог уравнения (4))

где: - вектор отсчетов шума, Н - диагонально-блочная матрица, составленная из отсчетов импульсной характеристики.

Если элементы матрицы Н известны (что всегда реализуется на основе использования тестовых последовательностей в структуре канального сигнала), то оценки компонент вектора U с вероятностью 1 определяют главное квазирешение уравнения (6) [7]. Данное квазирешение минимизирует невязку и норму , а элементы вектора U ищутся из условия минимизации функционала с параметром регуляризации α. Как показано в [2], оценки составляющих вектора и могут быть получены из решения системы линейных алгебраических уравнений для каждой квадратурной составляющей сигнала . Обратная связь «по решению» при формировании оценок, а не решений, теперь может быть названа обратной связью «по оценке».

Например, для косинусной составляющей система уравнений будет иметь вид

где

α - параметр регуляризации.

Очевидно, .

Как показано в [2], оценки, формируемые из решения системы уравнений (7) могут иметь малое значение среднеквадратической ошибки оценивания, которое определяется дисперсией отсчетов аддитивной помехи и смещением, неизбежно сопровождающим данную процедуру оценивания и зависящим от выбора параметра регуляризации α. Всегда возможен выбор такого α, при котором смещение будет пренебрежимо мало, а среднеквадратическая ошибка оценивания достаточно мала для обеспечения малой вероятности ошибки при формировании решений .

Если теперь для формирования решений в приемнике использовать оценки из (7), то влияние межсимвольной интерференции, превосходящей исправляющую способность защитного интервала в структуре OFDM символа, будет устранено. Здесь .

Согласно алгоритму ПЦППР после получения оценки первого отсчета огибающей путем минимизации в (5) интервал анализа T_a сдвигается по оси времени на величину Δt. На новом интервале анализа сначала составляющие вектора z очищаются от последействия, порожденного отсчетом, который был оценен на предыдущем интервале анализа (с использованием обратной связи «по оценке»), и далее повторяется последовательность действий предыдущего интервале анализа, что дает формирование оценки следующего отсчета огибающей. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут оценены все отсчеты огибающей OFDM-символа. После получения оценок всех отсчетов огибающей операцией дискретного преобразования Фурье формируется решение относительно модулирующих символов.

Из изложенного становится очевидным, что использование алгоритма ПЦППР для решения задачи демодуляции в канале с рассеянием не требует формирования на передаче отсчетов префикса и постфикса в структуре OFDM-символа. Отказавшись от таких «вставок» в OFDM-символ на передаче можно повысить спектральную эффективность системы сигналов в раз по отношению к системе, использующей для борьбы с памятью канала префиксы и постфиксы.

Важной проблемой, решение которой необходимо для использования алгоритма ПЦППР, является оценка импульсной характеристики канала в месте приема. Как показано в [6], при использовании пилот-сигналов, периодически повторяющихся между передаваемыми OFDM-символами, информационное содержание которых известно, решение задачи сводится к оценке отсчетов импульсной реакции из соотношения (4), в котором неизвестными теперь являются элементы матрицы Н, а содержание вектора U известно на приеме. Совершенно очевидно, что решение данной задачи может быть осуществлено минимизацией выше приведенного регуляризующего функционала через решение системы линейных алгебраических уравнений, в которой коэффициенты уравнения определяются через известные в данном случае значения отсчетов огибающей OFDM-символа.

В случае, когда в канале с многолучевостью лучи распространения сигналов подвергаются замираниям квадратурная модуляция в составе OFDM не может обеспечить требуемых показателей помехоустойчивости (вероятности ошибки на бит). Возможной альтернативой QAM в данной ситуации может служить модуляция QPSK или BPSK. Кроме того, традиционно используемая структура группового сигнала, при которой в поток информационных символов OFDM периодически вставляются пилот-символы, предназначенные для оценивания характеристик используемого канала в месте приема, не позволяет для каждого OFDM-символа получать оценки параметров канала с необходимой точностью.

Поэтому для канала с памятью и быстрыми замираниями предлагается структура группового сигнала, не содержащая специальных «измерительных» пилот-символов. Для получения оценок параметров канала в месте приема каждый OFDM-символ должен содержать пилот-сигнал (ПС), информационное содержание которого априори известно, и условно называемый «рабочий пакет» (РП) с символами, которые несут сообщение для получателя. Теперь поток OFDM-символов будет выглядеть так, как показано на фиг. 3

На фиг. 3 обозначено: L_ПС - размер пилот-сигнала, L_РП - размер рабочего пакета. Размер L_ПС должен быть таким, чтобы интервал временного рассеяния τ_p при заданной скорости передачи позволял оценить все отсчеты импульсной характеристики. Размер рабочего пакета L_РП выбирается из соображения, чтобы к концу интервала времени его обработки оценки отсчетов импульсной характеристики не устарели настолько, что вероятность ошибки на бит будет стремиться к 0,5. Для предлагаемой структуры OFDM-символов модель системы показана на фиг. 1., где АБГШ - аддитивный белый гауссовский шум.

Из схемы фиг. 1 следует, что операция ОБПФ (обратное быстрое преобразование Фурье) производится отдельно для модулированных символов ИК и модулированных символов данных (Для примера, можно использовать QPSK модуляцию или BPSK). Затем полученные комплексные отсчеты сигнала поступают в блок параллельно-последовательного преобразования и отправляются в канал. Аналогичный подход к формированию структуры сигнала для канала с быстрыми замираниями рассматривался в работе [8], где, однако, для борьбы с рассеянием в канале использовались традиционные методы, основанные на использовании префиксов, постфиксов и других «вставок», снижающих спектральную эффективность системы.

Структурная схема моделирования работы передающего и приемного устройств (фиг. 1 и фиг. 2) согласно предлагаемому способу представлена на фиг. 4.

Результаты моделирования в пакете Matlab работы системы, согласно структурной схеме фиг. 4, приведены на графиках фиг. 5. Структура сигнала на передаче: L_ПС=16, L_РП=256. Оценивание отсчетов огибающей каждого OFDM-символа на приеме перед совершением операции БПФ осуществлялось алгоритмом ПЦППР. Алгоритмы оценивания отсчетов импульсной характеристики указаны на фиг. 5, где МП - это алгоритм максимального правдоподобия, а обозначение «детерминированная ИХ» соответствует случаю, когда импульсная характеристика канала известна точно в месте приема.

В эксперименте предполагалось, что канал характеризуется шестью отсчетами импульсной характеристики (независимыми лучами), замирающими по рэлеевскому закону с параметром формы σ=1 при стартовой реализации импульсной характеристики: h₀=1,3; h₁=-0,5; h₂=0,4; h₃=-0,25; h₄=0,15; h₅=0,05.

Анализ кривых, представленных на фиг. 5, показывает, что потенциальные возможности алгоритма ПЦППР (при известной импульсной характеристике) в сочетании с модуляцией QPSK и предлагаемой структурой группового сигнала и OFDM-символа реализуют неплохие показатели помехоустойчивости при сохранении высокой спектральной эффективности всей системы. В работе [3], например, приведены данные по помехоустойчивости алгоритма ПЦППР в шестилучевом канале с постоянными параметрами с использованием QAM: при ОСШ (отношении сигнал/шум) 15дБ вероятность битовой ошибки составляет 2⋅10^-2. В описанном эксперименте при ОСШ 15дБ вероятность ошибки - 3⋅10^-4. Выигрыш по вероятности ошибки составляет два порядка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С.Системы цифровой радиосвязи/ Л.Н. Волков, М.С. Немировский, Ю.С. Шинаков. М.: Эко-Трендз, 2005, 392 с.

2. Карташевский В.Г. Обработка пространственно-временных сигналов в каналах с памятью / В.Г. Карташевский. М.: Радио и связь, 2000, 272 с.

3. Карташевский В.Г., Вельский К.А., Слипенчук К.С. Прием сигналов OFDM в каналах с рассеянием // Радиотехника. 2015. №2. С. 62-68.

4. Карташевский В.Г., Коняева О.С, Семенов Е.С. Прием «в целом» для системы MIMO в канале с памятью // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. №11. С. 49-53.

5. Карташевский В.Г., Вельский К.А., Филимонов А.А. Прием сигналов OFDM в системе MIMO в каналах с памятью // Радиотехника. 2016. №2. С. 91-95.

6. Карташевский В.Г., Семенов Е.С, Филимонов А.А. Прием сигналов OFDM в каналах с рассеянием при оценивании параметров канала // Радиотехника. 2016. №12. С. 48-55.

7. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин. М.: Наука, 1979, 288 с.

8. Vasudevan, K. Coherent detection of turbo coded OFDM signals transmitted through frequency selective rayleigh fading channels. In Proceedings of the IEEE ISPCC. Shimla, India, Sept. 2013.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах мобильной связи, в которых требуется применять ортогональное частотное мультиплексирование. Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости приёма OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями. Для этого в передающем устройстве пилот-сигнал вставляется в каждый OFDM символ, при этом сформированная посредством параллельно-последовательного преобразования последовательность отсчетов огибающей пилот-сигнала, длина которой выбирается таким образом, чтобы интервал временного рассеяния при заданной скорости передачи позволял измерить все отсчеты импульсной характеристики, подвергается операции ОБПФ отдельно от отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа, а на приемной стороне по последовательности отсчетов огибающей пилот-сигнала с известным информационным содержанием осуществляется измерение отсчетов импульсной характеристики, после чего в последовательности отсчетов огибающей информационного символа осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции. 5 ил.

Способ передачи и приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями, заключающийся в том, что в передающем устройстве формируют параллельно друг другу передаваемые информационные данные и пилот-сигнал, затем каждый из них передают на свой блок отображения и мультиплексируют, и из параллельного состояния преобразуют в последовательное, добавляют защитный интервал и преобразуют из цифрового сигнала в аналоговый для переноса в высокочастотную область и передачи с передающего устройства, после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом сигнал поступает на вход приемного устройства, из аналогового входного сигнала выделяют последовательность отсчетов огибающей OFDM символов, позволяющей по пилот-сигналам с известным информационным содержанием произвести измерение отсчетов импульсной характеристики канала связи и далее по измеренным отсчетам импульсной характеристики осуществить компенсацию сигналов межсимвольной интерференции из последовательности отсчетов огибающей, отличающийся тем, что для каналов с памятью и быстрыми замираниями:

- в передающем устройстве пилот-сигнал вставляют в каждый OFDM символ, при этом длину сформированной посредством параллельно-последовательного преобразования последовательности отсчетов огибающей пилот-сигнала выбирают таким образом, чтобы интервал временного рассеяния при заданной скорости передачи позволял измерить все отсчеты импульсной характеристики, передаваемые информационные данные и пилот-сигнал подвергают операции ОБПФ отдельно от отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа, которые, в свою очередь, также подвергают операции ОБПФ, после чего обе последовательности отсчетов мультиплексируют в единый поток последовательности отсчетов OFDM символа, который поступает на блок параллельно-последовательного преобразования, и отправляют в канал;

- на приемной стороне по последовательности отсчетов огибающей пилот-сигнала с известным информационным содержанием осуществляют измерение отсчетов импульсной характеристики, после чего в последовательности отсчетов огибающей информационного символа осуществляют компенсацию сигналов межсимвольной интерференции, производят оценивание отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа и подвергают операции БПФ.