Спосіб оптимального підсилення ofdm сигналу

Реферат: Спосіб оптимального підсилення OFDM сигналу для передачі дискретної інформації між передавачем і приймачем в безпроводовому каналі зв'язку, де піднесучі OFDM сигналу модульовані заданим видом багатопозиційної модуляції, де для кожної з піднесучих OFDM сигналу здійснюється підсилення та обмеження амплітуди рівня сигналу у підсилювачі потужності передавача, що досягається шляхом регулювання коефіцієнта підсилення сигналу в підсилювачі передавача, на основі використання накопиченого в процесі передачі статистичного розподілу амплітуд OFDM сигналу. Критерієм визначення оптимального коефіцієнта підсилення є такий коефіцієнт підсилення, за якого досягається рівність ймовірності появи нелінійних спотворень у підсилювачі потужності та ймовірність виникнення помилки прийому символу в приймачі. UA 95467 U (54) СПОСІБ ОПТИМАЛЬНОГО ПІДСИЛЕННЯ OFDM СИГНАЛУ UA 95467 U UA 95467 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до техніки електричного зв'язку для передачі інформації в безпроводовому каналі зв'язку на основі системи з ортогональним частотним мультиплексуванням піднесучих частот, кожна з яких модульована заданим видом модуляції, де здійснюється підсилення та обмеження амплітуди сигналу на виході підсилювача потужності передавача, що досягається шляхом регулювання коефіцієнта підсилення сигналу в підсилювачі передавача. Корисна модель може бути використана в системах дискретної передачі інформації від передавача до приймача з використанням технології OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [1]. Корисна модель включає підсилення OFDM сигналу з оптимальним коефіцієнтом підсилення за запропонованим у способі критерієм, що дає можливість використовувати технологію OFDM на межі допустимої регламентованої потужності випромінювання, що забезпечує кращу дальність і достовірність передачі інформації у порівнянні з використанням технології OFDM без використання підсилення. Запропонований спосіб підсилення OFDM сигналу показує, що можливо і доцільно застосовувати коефіцієнт підсилення для OFDM-сигналу з метою поліпшення енергетики сигналу з підтриманням умови лінійності підсилення в допустимих межах. Використання такої методики покращує енергетику OFDM сигналу, залишаючи рівень нелінійних спотворень не більше допустимих; при цьому достовірність прийому інформації в точці прийому поліпшується. Технологія ортогонального частотного мультиплексування піднесучих частот (OFDM) широко використовується в сучасних безпроводових телекомунікаційних системах (ТКС): WiFi, WiMAX; LTE [2,3]. OFDM є технологією, при якій послідовно реалізуються: розділення вхідного потоку біт від джерела на NOFDM субпотоків з рівною швидкістю, де кожен субпотік має швидкість в NOFDM разів меншу, ніж вхідний потік; модуляція кожного субпотоку заданим видом маніпуляції; формування з субпотоків (піднесучих) сумарного сигналу зі швидкістю вхідного потоку; передача сумарного сигналу в лінію зв'язку. Основна ціль застосування технології OFDM полягає в боротьбі з багатопроменевим поширенням, що проявляється в місцевостях з наявністю значимих об'єктів, що сприяють багатопроменевому поширенню радіохвиль. Відомий спосіб підсилення OFDM сигналу [4], де показано спосіб підсилення потужності, який виконує швидке зворотне перетворення Фур'є, перетворює дані часової області в аналоговий сигнал, виконує підсилення потужності аналогового сигналу, рівень насичення потужності якого регулюється відповідно до сигналу перемикання на основі порівняння амплітуди сигналу кожного символу OFDM сигналу та заздалегідь визначених порогів амплітуди, де насичення потужності підсилювача перемикається на основі порівняння заданих порогів амплітуди та виміряних значень амплітуди передаваних OFDM символів. Досягнутий технічний результат -адаптивне регулювання насичення потужності підсилювача OFDM сигналу на основі порівняння амплітуди кожного символу OFDM сигналу та заздалегідь визначених порогів амплітуди, в результаті чого приймається рішення про необхідність зміни потужності підсилювача потужності. Критерієм та умовою зміни підсилення сигналу є результат порівняння амплітуди символу OFDM сигналу та заздалегідь відомих порогів амплітуди. Недоліком способу [4] є те, що спосіб здійснює постійний аналіз рівня сигналу OFDM символу, що потребує додаткових пристроїв аналізу та підвищує складність пристрою у зв'язку з необхідністю постійного контролю рівня OFDM сигналу. Іншим недоліком способу [4] є те, що спосіб не враховує статистичні характеристики і властивості OFDM сигналу, що може бути ефективно використано для спрощення роботи адаптивної частини підсилювача сигналу у зв'язку з прогнозованою статистичною поведінкою розподілу амплітуд OFDM сигналу, і, в результаті, може бути використано для отримання оптимального коефіцієнта підсилення OFDM сигналу. Найбільш близьким до запропонованого способу підсилення OFDM сигналу є спосіб [5], що включає адаптацію підсилювача потужності для попередження виникнення нелінійних спотворень. Схема включає в себе модуль підсилення потужності, модуль управління адаптацією, модуль захисту стоячої хвилі і модуль управління лінійним підсиленням потужності, в якому модуль управління адаптацією здійснює налаштування сигналу відповідно до змін сигналів збудження для того, щоб підсилювач потужності міг здійснювати стабільне лінійне підсилення. Досягнутий технічний результат - адаптивне управління потужністю підсилювача OFDM сигналу для попередження виникнення нелінійних спотворень у підсилювачі та для максимально ефективного використання лінійної характеристики підсилення OFDM сигналу. Критерієм підсилення OFDM сигналу є підняття сигналу до рівня, що є максимальним з точки зору використання усієї лінійної характеристики підсилення, і в той же час не вище цього рівня для уникнення появи нелінійних спотворень. Недоліком способу [5] є те, що спосіб не враховує статистичні властивості розподілу амплітуд OFDM сигналу, що може бути використано для 1 UA 95467 U 5 10 15 20 25 більшого підсилення OFDM сигналу з низькою ймовірністю появи нелінійних спотворень у підсилювачі OFDM сигналу, а в результаті - кращою достовірністю і дальністю передачі OFDM сигналу. Ознакою запропонованого способу, яка збігається з ознаками прототипу [5], є те, що передбачається адаптивне збільшення коефіцієнта підсилення в підсилювачі потужності OFDM сигналу з метою покращення енергетики OFDM сигналу та забезпечення кращої достовірності передаваної інформації в точці прийому, і в той же час підсилення OFDM сигналу до деякого максимального і оптимального рівня із запобіганням виникнення нелінійних спотворень в підсилювачі потужності. Ознакою запропонованого способу, яка є новою порівняно з прототипом [5], є те, що запропонований спосіб використовує статистичні властивості розподілу амплітуд OFDM сигналу та інший критерій оптимального коефіцієнта підсилення OFDM сигналу, а саме - такий коефіцієнт підсилення OFDM сигналу, при якому досягається рівність ймовірності появи нелінійних спотворень у підсилювачі потужності та ймовірність виникнення помилки прийому символу в приймачі. В основу запропонованої корисної моделі поставлено задачу, яка включає підсилення OFDM сигналу з оптимальним коефіцієнтом підсилення, який відповідає такому підсиленню OFDM сигналу, при якому досягається насичення використання лінійної характеристики підсилювача передавача, причому ймовірність виникнення нелінійних спотворень у підсилювачі передавача дорівнює ймовірності помилки прийому символу в приймачі. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб оптимального підсилення OFDM сигналу включає етапи: 1) Передачу 1000 символів OFDM сигналу із заданим видом багатопозиційної модуляції (БПМ) піднесучих частот без підсилення та збір у передавачі статистичної інформації щодо рівнів амплітуди переданого OFDM сигналу; 2) На основі зібраної статистичної інформації про кількість та значення амплітуд OFDM сигналу, визначення максимального значення OFDM сигналу; U 3) На основі визначеного максимального значення амплітуди OFDM сигналу OFDM_ MAX та відомого значення лінійної області підсилювача U0 , визначення коефіцієнта підсилення OFDM KU  сигналу 30 35 U0 UOFDM_ MAX ; 4) Підсилення рівня амплітуди OFDM сигналу зі знайденим коефіцієнтом підсилення KU , покращуючи енергетику OFDM сигналу, а також достовірність прийому символів pсимв та бітів р 6 на приймальній стороні; 5) Продовження збору статистичної інформації про рівень амплітуди OFDM сигналу в передавачі із застосуванням коефіцієнта підсилення OFDM сигналу KU ; в цей же час початок збору статистичної інформації про ймовірність символьної помилки в приймачі pсимв та передачу цієї інформації від приймача до передавача для порівняння ймовірності символьної помилки pсимв в приймачі та ймовірності виникнення нелінійних спотворень pн.с. у підсилювачі передавача; 40 6) Згідно з корисною моделлю, збільшення коефіцієнта підсилення OFDM сигналу KU до KU _ ОПТ рівня оптимального коефіцієнта підсилення OFDM сигналу , коли ймовірності символьної помилки pсимв в приймачі та ймовірності виникнення нелінійних спотворень pн.с. у підсилювачі передавача зрівнюються: pсимв  рн.с. . Миттєві значення OFDM сигналу. Для дискретних моментів часу ti оцінюється миттєве значення OFDM сигналу UOFDM(ti ) : UOFDM(ti )  NOFDM  Un  sin( 2nt  n ) (1) n1 45 де Un  U0 NOFDM - амплітуда піднесучої, n - номер піднесучої, n - початкова фаза. 2 UA 95467 U 5 10 15 20 Розподіл миттєвих значень амплітуд OFDM сигналу. Функція розподілу значень амплітуд OFDM сигналу формується шляхом аналізу статистичних значень рівня амплітуди OFDM сигналу. Статистичні властивості групового OFDM-сигналу характеризуються високим Пікфактором [6, 7], що є обставиною, яка істотно знижує ефективність використання енергетичного ресурсу каналу зв'язку. Вирішальним кроком при цьому є утримання амплітуди групового сигналу OFDM в межах лінійної ділянки підсилювальної характеристики передавача. З ростом кількості піднесучих OFDM сигналу NOFDM й рівня багатопозиційної модуляції (БПМ) k  log 2 M , де k - число біт у символі БПМ, M - число позицій у сузір'ї БПМ, функція розподілу миттєвих значень OFDM сигналу все ближче наближається до усіченого нормального розподілу. Гіпотеза про те, що функція розподілу миттєвих значень OFDM сигналу відповідає нормальному розподілу, підтверджена критерієм Хі-квадрат. Той факт, що розподіл амплітуд OFDM сигналу описується усіченим нормальним розподілом, дає змогу використовувати цю властивість для прогнозу функції розподілу амплітуд OFDM сигналу та її наближений опис з високою точністю за законом нормального розподілу із певними характеристиками. Підсилення групового OFDM-сигналу в передавачі з деяким коефіцієнтом підсилення KU збільшує середній рівень прийнятого сигналу, що сприяє поліпшенню достовірності прийнятої інформації p 6 , однак спричиняє з деякою ймовірністю вихід амплітуди групового сигналу за межі лінійної ділянки характеристики підсилювача. За оптимальний коефіцієнт посилення KU _ ОПТ пропонується таке його значення, при якому досягається умова рівності ймовірності появи нелінійних спотворень рн.с. у підсилювачі передавача та ймовірності помилкового прийому символу pсимв в приймачі (Фіг. 1): pсимв  рн.с. 25 30 35 (2) Енергетична модель OFDM. Пік-фактор OFDM сигналу має велике значення, і це значення росте зі збільшенням піднесучих OFDM сигналу. Тому максимальне значення амплітуди OFDM сигналу є значно більшим середнього значення амплітуд за певний період часу. Максимальне значення амплітуди може бути досягнуте у випадку максимальних значень амплітуд та рівних фаз піднесучих OFDM сигналу. Але це надзвичайно малоймовірний випадок, тому середнє значення амплітуди OFDM сигналу є значно меншим максимального значення, і, відповідно, меншим за значення лінійної області характеристики підсилювача потужності передавача. У зв'язку з цим, стає можливим підсилення рівня амплітуди піднесучих OFDM сигналу, при цьому не перевищуючи лінійну ділянку підсилювача та не допускаючи появи нелінійних спотворень. У цьому випадку можна говорити про оптимальний коефіцієнт підсилення OFDM сигналу: KU _ ОПТ . За критерій оптимальності прийнято такий коефіцієнт підсилення рівня OFDM сигналу, при якому досягається умова рівності ймовірності появи нелінійних спотворень pн.с. і ймовірності символьної помилки pсимв OFDM сигналу: pсимв  рн.с. (2). 2 Енергетичний параметр сигналу в точці прийому hПРМ , що показує відношення величини енергії елемента сигналу ЕС  РСТ0 на вході приймального пристрою до спектральної щільності перешкоди Т 0 [8]: 40 2 hПРМ  РС Р T  С 0 N0 V0 N0 (3) де PC - потужність сигналу, Т 0 - довжина періоду сигналу. Ймовірність помилки символу pсимв й помилки біта pб у точці прийому, з одного боку, 45 2 залежить від відношення енергії сигналу до рівня спектральної щільності білого шуму hПРМ (3). З іншого боку, ймовірності помилки символу pсимв і помилки біта pб у точці прийому істотно залежать від кратності БПМ Μ так, що зростання продуктивності каналу зі збільшенням позиційності БПМ Μ супроводжується одночасним погіршенням показників достовірності 3 UA 95467 U 5 інформації, - помилки символу pсимв й помилки біта р6 у точці прийому. Таким чином, значний Пік-фактор групового OFDM-сигналу та висока кратність БПМ Μ є передумовами до доцільного збільшення потужності випромінювання передавача в межах припустимих нелінійних спотворень у підсилювачі сигналу передавача. Сумарна напруга для всіх піднесучих NOFDM OFDM сигналу: U  NO FDM  Ui  Ui  NOFDM (4) i 1 Потужність пропорційна квадрату напруги: 2 2 P  U2  (Ui  NOFDM)2  NOFDM  Ui2  NOFDM  Pi  (5) 10 З формули вище видно, що потужність, що виділяється на одну піднесучу OFDM сигналу, в 2 NOFDM Pi  15 разів менша за потужність при одночастотній передачі, а напруга менша в NOFDM разів: P 2 NOFDM ; Ui  U (6) NOFDM Швидкість в каналі Vi на одну піднесучу зменшується в NOFDM разів, а тривалість символу Ti збільшується в NOFDM разів: V0 Vi  NOFDM ; Ti  T0  NOFDM 20 (7) 2 Енергетичний параметр hi для однієї піднесучої OFDM в точці прийому менший в NOFDM 2 разів від hПРМ при одночастотній передачі: P hi2  25 30 Pi  N0 Vi 2 NOFDM N0 V0  P h2  PM NOFDMN0 V0 NOFDM (8) NOFDM Таким чином, на одну піднесучу OFDM припадає відповідно в NOFDM разів менше енергії, ніж у випадку одночастотної передачі, що показує зниження енергетики сигналу в точці прийому та погіршення достовірності прийому інформації при використанні OFDM. Оптимальний коефіцієнт підсилення OFDM сигналу. Нехай задана вимога до ймовірності -6 бітової помилки на приймальній стороні: pб.В. =10 . У початковий момент часу лінійна область характеристики підсилення рівномірно розподіляється між всіма піднесучими OFDM сигналу і ймовірність виникнення нелінійних спотворень дорівнює нулю: Ui  U0 NOFDM ; pн.с.  0 (9) При передачі інформації із застосуванням БПМ піднесучих OFDM, можна оцінювати як імовірність помилки прийнятого символу pсимв , так й імовірність помилки прийнятого біту pб на 35 2 приймальній стороні. На вході приймача з деяким hПРМ спочатку аналізується ймовірність 4 UA 95467 U символьної помилки pсимв , оскільки приймач обробляє символ, і тому можливо оцінити ймовірність символьної помилки pсимв . Наступним етапом, після декодування - оцінка ймовірності бітової помилки pб . Значення ймовірності бітової помилки pб є меншим за 5 2 значення ймовірності символьної помилки pсимв при однаковому значенні hПРМ : pСИМВ рб . Необхідним критерієм якості переданої інформації з позиції абонента виступає ймовірність бітової помилки pб . При збільшенні рівня піднесучих частот OFDM сумарна амплітуда OFDM збільшується й чисельно перевищує вихідне значення лінійної ділянки U0 підсилювача; імовірність нелінійних спотворень при цьому збільшується: 10 pн.с.  f (Ui ) (10) Відповідно, при підсиленні рівня піднесучих OFDM сигналу, ймовірність помилки прийому символу буде зменшуватися, оскільки енергетичні властивості OFDM сигналу покращуються: pСИМВ  f (Ui ) ) (11) 15 Таким чином, на початку підсилення OFDM сигналу pсимв  pн.с. . Якщо продовжувати K U Ui  U 0 NOFDM , то ймовірність помилки К U OFDM сигналу: збільшувати коефіцієнт підсилення прийому OFDM символу pсимв буде зменшуватися, а ймовірність появи нелінійних спотворень 20 pн.с. у підсилювачі буде зростати. При деякому значенні KU наступить такий момент, коли pсимв  рн.с. , і при цьому KU  KU _ ОПТ . Оптимальні значення напруги Ui _ ОПТ та потужності Рi _ ОПТ на одну піднесучу OFDM після оптимального підсилення: Ui _ ОПТ  Рi _ ОПТ  KU _ ОПТ  U0 (12) NOFDM K P _ ОПТ  P0 (13) 2 NOFDM 2 K P _ ОПТ  K U _ ОПТ (14) 25 На Фіг. 1 показано залежності ймовірностей: а) символьної помилки pсимв ; б) бітової p помилки pб ; в) виникнення нелінійних спотворень у підсилювачі н.с. , від кількості піднесучих OFDM сигналу NOFDM й виду БПМ при досягненні умови рівності символьної помилки pсимв та 30 ймовірності виникнення нелінійних спотворень pн.с. : pсимв  рн.с. . Таким чином, функціонал для K оптимального коефіцієнта підсилення U _ ОПТ OFDM сигналу визначається наступним чином:   2 KU _ ОПТ  f  СИМВ, рн.с.  f hПРМ,NOFDM, k p  pСИМВ рн.с.  (15) K U _ ОПТ - оптимальний коефіцієнт підсилення OFDM сигналу; pсимв - ймовірність появи помилки прийому символу в приймачі; pн.с. - ймовірність появи нелінійних спотворень у де 35 2 підсилювачі передавача; hПРМ - відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності 5 UA 95467 U шуму в точці прийому; k - число біт у символі багатопозиційної модуляції; NOFDM -число піднесучих OFDM сигналу. Таким чином, на прикладі, що показаний на Фіг. 1, досягнуто ймовірність помилки біта при -4 -6 OFDM pб =210 , тоді як вимога до бітової достовірності pб.в. =10 . Вимога до бітової помилки 5 pб.в. =10-6 - це необхідна ймовірність бітової помилки, що є вимогою користувача до достовірності передаваної інформації, і забезпечується на прийомній стороні при одночастотній 2 передачі з параметром каналу hПРМ та деяким видом БПМ піднесучих частот (QPSK, QAM-16, QAM-64 тощо). Для досягнення необхідного рівня бітової помилки pб.в. =10 , що задовольняє вимогу до достовірності, потрібно застосовувати додаткові методи підвищення достовірності, такі як, наприклад, завадостійке кодування [9]. На Фіг. 2 показана функція розподілу амплітуд OFDM сигналу до підсилення (1) і функція розподілу амплітуд OFDM сигналу після підсилення (2). На Фіг, 2 показано приклад розподілу амплітуд OFDM сигналу при вхідних параметрах: кількість піднесучих OFDM NOFDM , лінійна -6 10 15 20 25 область підсилення підсилювача потужності U0 , смуга задіяних частот F , позиційність БПМ k  log 2 M . Запропонований спосіб підсилення OFDM сигналу передбачає одержання й використання KU _ ОПТ оптимального значення коефіцієнта підсилення OFDM сигналу за критерієм pсимв  рн.с. в залежності від числа під несучих NOFDM і методу БПМ піднесучих OFDM. Підсилення OFDM сигналу за запропонованою методикою дає можливість використовувати технологію OFDM на межі припустимої регламентованої потужності випромінювання, що забезпечує кращу дальність і достовірність передачі інформації у порівнянні з використанням технології OFDM без підсилення. K -3 Фіг. 1. Приклад досягнення умови pсимв  рн.с. =1,1 10 при U _ ОПТ =5,1. Досягнутий рівень -4 ймовірності бітової помилки після підсилення OFDM сигналу pб =210 . Число піднесучих OFDM: NOFDM ,=10; вид БПМ піднесучих OFDM: QAM-64; вимоги до бітової помилки, яка -6 забезпечується при одночастотній передачі pб.в. =10 . Фіг. 2. Приклад функцій розподілу амплітуд OFDM сигналу до (1) та після підсилення (2) OFDM сигналу при NOFDM =10, вид модуляції піднесучих OFDM: QAM-64; вимоги до бітової 30 35 40 45 50 -6 -3 помилки, яка забезпечується при одночастотній передачі: pб.в. =10 ; pсимв  рн.с. =1,1 10 KU _ ОПТ =5,1; ймовірність досягнутого рівня бітової помилки підсилення OFDM сигналу: pб =210-4, Джерела інформації: 1. R.W. Chang, "Orthogonal Frequency Division Multiplexing," U.S. Patent 3388455, Jan 6, 1970, Filed Nov.4.1966. 2. R. Prasad. OFDM for wireless communications systems. - Artech House Universal Personal Communications series, 2004. - 291 p. 3. H. Schulze, C.Leuders. Theory and Applications of OFDM and CDMA: Wideband Wireless Communications. John Wiley & Sons Ltd, 2005. - 421 p. 4. S.Kusunoki, "Power amplifiacation apparatus, OFDM modilation apparatus, wireless transmission apparatus, and distortion deduction method for power amplification apparatus, " U.S. Patent 20110310990, 2011. 5. LI WEI; GAO DAN; WU YUANYUAN; TIAN WENQIANG; WANG YINGGUAN. "Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) self-adaption feedforward linear power amplifying device," CN103138685, 2013. 6. Η Ochiai and H. Imai, "On the Distribution of the PeaktoAverage Power Ratio in OFDM Signals," IEEE Trans Commun. - Feb. 2001. - Vol. 49. - № 2. - Р. 282-89,. 7. Seung H. Han, Jae H. Lee, "An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission," IEEE Wireless Communications, 2005. - Vol.12. - № 2. - Р. 56-65. 8. Финк Л.Μ. Теорія передачі дискретних повідомлень. - М.: "Радянське радіо", 1970. - 728 с. 6 UA 95467 U 9. В. Lu, X. Wang, and K. R. Narayanan, BLDPC-based space-time coded OFDM systems over correlated fading channels: Performance analysis and receiver design, [in Proc. 2001 IEEE Int. Symp. Information Theory (ISIT '01). -Jun. 24-29, 2001. -Vol. 1. - P. 313. 5 10 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб оптимального підсилення OFDM сигналу для передачі дискретної інформації між передавачем і приймачем в безпроводовому каналі зв'язку, де піднесучі OFDM сигналу модульовані заданим видом багатопозиційної модуляції, де для кожної з піднесучих OFDM сигналу здійснюється підсилення та обмеження амплітуди рівня сигналу у підсилювачі потужності передавача, що досягається шляхом регулювання коефіцієнта підсилення сигналу в підсилювачі передавача, на основі використання накопиченого в процесі передачі статистичного розподілу амплітуд OFDM сигналу, який відрізняється тим, що критерієм визначення оптимального коефіцієнта підсилення є такий коефіцієнт підсилення, за якого досягається рівність ймовірності появи нелінійних спотворень у підсилювачі потужності та ймовірність виникнення помилки прийому символу в приймачі. 7 UA 95467 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8