Спосіб адаптивного вибору кількості каналів в системі мімо

Реферат: Спосіб адаптивного вибору кількості каналів в системі МІМО полягає у тому, що засіб радіозв'язку, який працює за технологією МІМО, може використовувати наявні передавальні антени для передачі даних до приймача, обладнаного приймальними антенами, при цьому передавач може передавати до Т потоків даних одночасно від Т передавальних антен, щоб покращити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Т передавальних антен, щоб покращити надійність. При цьому кількість задіяних передавальних та приймальних антен для конкретної сигнально-завадової обстановки та швидкості передачі інформації в каналі визначають шляхом розрахунку сингулярної матриці каналу. UA 118695 U (12) UA 118695 U UA 118695 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до галузі багатоантенних систем передачі даних спеціального призначення і може бути використана в перспективних системах управління і передачі даних спеціального призначення. Однією з технологій, що дозволяє значно збільшити пропускну здатність радіоканалів, є технологія "багато входів-багато виходів" (МІМО - Multiple-Input Multiple-Output), яка дозволяє більш ефективно використовувати потужність передавача і боротися із завмираннями сигналів [1]. Підвищення ефективності досягається за рахунок використання методів просторово-часової обробки (STC-Space Time Coding), що забезпечують передачу і приймання паралельних потоків інформації. Як аналоги [1-2] вибрані відомі способи просторово-часового кодування паралельних потоків інформації, суть яких полягає в тому, що в системі МІМО передавач може застосовувати безліч передавальних антен для передачі даних до приймача, обладнаного безліччю приймаючих антен, при цьому передавач може передавати до Т потоків даних одночасно від Т передавальних антен, щоб покращити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Т передавальних антен, щоб покращити надійність. Недоліками зазначених способів просторово-часового кодування є низька завадозахищеність та низька швидкість передачі інформації. Як найближчий аналог, для створення способу адаптивного вибору кількості каналів в системі МІМО, вибрано спосіб адаптивної корекції сигналу [2-3], суть якого полягає у фільтрації сигналу, вимірювання сигналу різниці між сигналом оцінки та еталонним сигналом, зміни коефіцієнтів фільтра-коректора до досягнення мінімуму середнього квадрата сигналу різниці. Проте зазначений підхід має недоліки, суть яких полягає у великій обчислювальній складності проведення операцій просторово-часового кодування [3]. Тому для вирішення зазначеного протиріччя доцільно розробити спосіб адаптивного вибору кількості каналів в системі МІМО, що дозволить об'єднати переваги аналогів, без їх недоліків. Поставлена задача вирішується тим, що у способі адаптивного вибору кількості каналів в системі МІМО, який полягає у тому, що засіб радіозв'язку, який працює за технологією МІМО може використовувати наявні передавальні антени для передачі даних до приймача, обладнаного приймальними антенами, при цьому передавач може передавати до Т потоків даних одночасно від Т передавальних антен, щоб покращити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Т передавальних антен, щоб покращити надійність, згідно з корисною моделлю, кількість задіяних передавальних та приймальних антен для конкретної сигнально-завадової обстановки та швидкості передачі інформації в каналі визначають шляхом розрахунку сингулярної матриці каналу. У загальному випадку структура системи МІМО має в своєму складі Т передавальних антен і Т приймальних антен. Передані сигнали після впливу релеєвських завмирань і білого гаусівського шуму (БГШ) у радіоканалі, надходять в Т приймальних трактів. Сигнали на вході Т приймальних трактів системи МІМО описуються рівнянням: Z  HA  B , де Z - вектор прийнятих комплексних символів; H - матриця, кожний елемент якої h ij комплексний коефіцієнт передачі тракту поширення сигналу, який випромінюється j-ю антеною і приймається i-ю антеною; A - вектор переданих символів; B - вектор, кожний компонент якого bi - відлік суміші гаусівського шуму та завади на i-му вході демодулятора. Розглянемо МІМО-канал з однаковою кількістю передавальних та приймальних антен. Сингулярне розкладання матриці H має вигляд: H  UDV H , 50 де U і V - унітарні матриці з комплексними елементами; верхній індекс H означає транспонування матриці та комплексне сполучення її елементів; D - діагональна матриця сингулярних чисел  (коефіцієнтів підсилення по напрузі для власних векторів), 55 0   max 0   D 0  0 .  0 0  min    1 UA 118695 U 5 Припустимо, що A  ai  - набір можливих переданих векторів (тобто багатовимірне сузір'я сигналу). Сигнал, прийнятий без шуму, належить набору Y  yi , де yi  Ha i . Імовірність помилки залежить від мінімальної евклідової відстані між векторами в наборі Y . Приймач максимальної правдоподібності вибирає елемент набору Y , що найбільш близький до прийнятого вектора Z . Тоді, щоб відбулася символьна помилка, необхідне виконання умови, щоб норма шумового вектора B була б більше половини мінімальної евклідової відстані dmin B  dmin 2 . 10 Мінімальна відстань може бути знайдена як:   dmin  min y i  y j  min H ai  a j . i j 15 i j З лінійної алгебри відомо, що для будь-якого вектора s справедлива нерівність: Hs  min s . Тоді 20   H ai  a j  min ai  a j . Отже, dmin  min min ai  a j . i j 25 30 Таким чином, якщо мінімальна евклідова відстань на передачі дорівнює d0 , то після проходження радіоканалу dmin : dmin  mind0 . Це означає, що велике мінімальне сингулярне число гарантує велику мінімальну евклідову відстань після проходження радіоканалу та, як наслідок, малу ймовірність бітової помилки на прийомі. Відношення сигнал/шум для k-го каналу може бути записано як: Ec gHhk k 2 Qk  Mr G0 gk 35 40 2  Ec 2  jk gHh j k 2 , де Ec - енергія сигналу, G0 - спектральна щільність шуму, g - вектор підставки в кореляторі k-го каналу. Для спрощеного прийому методом форсування нуля відношення сигнал/шум визначається наступною формулою: 2 Qk  Ec   1 . Mr G0 HHH kk Апроксимація для виразу може бути отримана з використанням теореми Релєя-Рітца. Оскільки відношення сигнал/шум обмежено мінімальним сингулярним числом, то граничне мінімальне сингулярне число дорівнює: 45 2  min гран H  Qгран Mr G0 . Ec 2 UA 118695 U 5 10 15 20 25 Запропонований спосіб адаптивного вибору кількості каналів в системі МІМО, схема алгоритму реалізації якого подана на кресленні, складається з наступних етапів. Введення вихідних даних. Вводяться параметри системи МІМО і каналу зв'язку   i  i  18 , де 18 - кількість передавальних та приймальних антен, вид модуляції, , , розмірність ансамблю сигналів, тривалість кадру на виході демодулятора, тривалість кадру на виході декодера, швидкість коригувального коду, величина кодової відстані. Оцінка стану каналу зв'язку. На даному етапі за допомогою одного з відомих методів оцінюється стан багатопроменевого каналу зв'язку та визначається його канальна матриця. Адаптивний вибір кількості каналів системи МІМО. Проводиться розрахунок сингулярних чисел. Якщо мінімальне сингулярне число більше граничного (блок 4), то такий режим буде задовольняти вимогам до ймовірності бітової помилки - вихід із циклу. В іншому випадку зменшуємо число каналів на один (блок 5). Для кожної комбінації каналів, що залишилися, будемо мати по одному мінімальному сингулярному числу. Залишимо ті комбінації, у яких мінімальне сингулярне число більше порога. Якщо такі комбінації є, виберемо ту з них, у якої мінімальне сингулярне число є максимальним (блок 7) вихід із циклу. Якщо залишився один канал передачі - вихід із циклу (блок 6). Запропонований спосіб дозволяє не тільки визначити максимально припустиме число паралельних каналів для передачі даних, але й вибрати найбільш завадостійкі з них. Для системи МІМО 4×4 з чотирипозиційною квадратурною модуляцією для релєєвського каналу зв'язку було проведено статистичне моделювання в середовищі MATLAB. Результати імітаційного моделювання показують, що запропонована методика дозволяє реалізувати адаптивне перемикання числа каналів при збереженні ймовірності бітової помилки нижче заданої межі й працювати при низьких значення відношення сигнал/шум в режимах з обмеженою кількістю паралельних каналів передачі. Технічний результат від застосування зазначеного способу полягає у зменшенні обчислювальних затрат, підвищення завадозахищеності багатоантенних систем та збільшенні швидкості передачі інформації в складній радіоелектронній обстановці. 30 35 Джерела інформації: 1. Слюсар В. Системы МІМО: принципы построения и обработка сигналов / В. Слюсар // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2005. - № 8. - С. 52-58. - аналог, 2. Larsson E.G. On maximum-likelihood detection and decoding for space-time coding systems / Larsson E.G., Stoica P., Li J. // IEEE Trans. Signal Processing. - 2002. - V. 50. - No. 4. - P. 937-944. аналог. 3. Tarokh V. Space-time block coding for wireless communication: Performance results / Tarokh V., Jafarkhanii H., Calderbank A.R. // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - March 2005. - V. 17. - P. 451-460. - найближчий аналог. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Спосіб адаптивного вибору кількості каналів в системі МІМО, який полягає у тому, що засіб радіозв'язку, який працює за технологією МІМО, може використовувати наявні передавальні антени для передачі даних до приймача, обладнаного приймальними антенами, при цьому передавач може передавати до Т потоків даних одночасно від Т передавальних антен, щоб покращити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Т передавальних антен, щоб покращити надійність, який відрізняється тим, що кількість задіяних передавальних та приймальних антен для конкретної сигнально-завадової обстановки та швидкості передачі інформації в каналі визначають шляхом розрахунку сингулярної матриці каналу. 3 UA 118695 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4