Спосіб вибору раціональних значень параметрів системи мімо-афар
Номер патенту: 119153
Опубліковано: 11.09.2017
Автори: Шишацький Андрій Володимирович, Гриценок Костянтин Миколайович, Бєляков Роберт Олегович, Кувшинов Олексій Вікторович, Гурський Тарас Григорович, Животовський Руслан Миколайович
Формула / Реферат
Спосіб вибору раціональних значень параметрів системи ΜІМО-ΑΦАР, який полягає у тому, що в системі ΜΙΜΟ (Multiple-Input Multiple-Output) передавач може застосовувати безліч передавальних антен для передачі даних до приймача, обладнаного безліччю приймаючих антен, при цьому передавач може передавати до Τ потоків даних одночасно від Τ передавальних антен, щоб поліпшити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Τ передавальних антен, щоб покращити надійність, який відрізняється тим, що як фізичні антенні системи використані активні фазовані антенні решітки (АФАР).
Текст
Реферат: Спосіб вибору раціональних значень параметрів системи ΜІМО-ΑΦАР полягає у тому, що в системі ΜΙΜΟ (Multiple-Input Multiple-Output) передавач може застосовувати безліч передавальних антен для передачі даних до приймача, обладнаного безліччю приймаючих антен. Передавач може передавати до Τ потоків даних одночасно від Τ передавальних антен, щоб поліпшити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Τ передавальних антен, щоб покращити надійність. При цьому як фізичні антенні системи використані активні фазовані антенні решітки (АФАР). UA 119153 U (12) UA 119153 U UA 119153 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" (ΜΙΜΟ- 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 ΜΙΜΟ передавач може застосовувати безліч передавальних антен для передачі даних до приймача, обладнаного безліччю приймаючих антен, при цьому передавач може передавати до Τ потоків даних одночасно від Τ передавальних антен, щоб поліпшити 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 прототип, для створення способу вибору раціональних значень параметрів системи МІМО-АФАР, вибрано спосіб вибору раціональних значень параметрів системи АФАР (активні фазовані антенні решітки) [3], суть якого полягає у виборі значень параметрів сигналу системи АФАР, в залежності від сигнально-завадової обстановки, при якому мінімізується відношення сигнал/завада при заданій пропускній спроможності. Проте зазначений підхід має недолік, суть якого полягає у неефективному використанні радіочастотного ресурсу [3]. Тому для вирішення зазначеного протиріччя доцільно розробити спосіб вибору раціональних значень параметрів системи МІМО-АФАР, що дозволить об'єднати переваги прототипу та аналогів, без їх недоліків. Спосіб вибору раціональних значень параметрів системи МІМО-АФАР, який полягає у тому, що в системі ΜΙΜΟ передавач може застосовувати безліч передавальних антен для передачі даних до приймача, обладнаного безліччю приймаючих антен, при цьому передавач може передавати до Τ потоків даних одночасно від Т передавальних антен, щоб поліпшити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Τ передавальних антен, щоб покращити надійність, який, згідно з корисною моделлю, відрізняється тим, що як фізичні антенні системи використані активні фазовані антенні решітки. У загальному випадку структура системи ΜΙΜΟ має в своєму складі Τ передавальних антен і Τ приймальних антен. Передані сигнали після впливу релеєвських завмирань і білого гаусівського шуму (БГШ) у радіоканалі надходять в Т приймальних трактів. Сигнали на вході Τ приймальних трактів системи ΜΙΜΟ описуються рівнянням: Ζ = НА + В, де Ζ - вектор прийнятих комплексних символів; Η - матриця, кожний елемент якої hij комплексний коефіцієнт передачі тракту поширення сигналу, який випромінюється j-ю антеною і приймається і-ю антеною; А - вектор переданих символів; В - 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 Η має вигляд: H H=UDV , де U і V - унітарні матриці з комплексними елементами; верхній індекс Η означає транспонування матриці та комплексне сполучення її елементів; D - діагональна матриця сингулярних чисел λ (коефіцієнтів підсилення по напрузі для власних векторів), max D 0 0 50 55 0 0 . 0 min 0 Припустимо, що A ai - набір можливих переданих векторів (тобто багатовимірне сузір'я сигналу). Сигнал, прийнятий без шуму, належить набору Y yi , де yi Hai . Імовірність помилки залежить від мінімальної евклідової відстані між векторами в наборі Υ. Приймач максимальної правдоподібності вибирає елемент набору Υ, що найбільш близький до прийнятого вектора Ζ. Тоді, щоб відбулася символьна помилка, необхідне виконання умови, щоб норма шумового вектора В була б більше половини мінімальної евклідової відстані dmin : 1 UA 119153 U B dmin 2 . Мінімальна відстань може бути знайдена як: dmin min yi y j min Hai a j . i j 5 i j З лінійної алгебри відомо, що для будь-якого вектора s справедлива нерівність: Hs min s . Тоді H ai a j min ai a j . Отже, dmin min min ai a j . i j 10 15 Таким чином, якщо мінімальна евклідова відстань на передачі дорівнює d0, то після проходження радіоканалу dmin : dmin min d0 . 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-το каналу може бути записано як: 2 Qk Ec gHhk k 2 Mr G0 gk 20 Ec gHh j k Ec j k 1 H 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: 2 min гран H Qгран 35 40 45 , H Mr G0 H 30 2 де E c - 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 25 2 Mr G0 . Ec Запропонований спосіб вибору раціональних значень параметрів системи ΜІМО-АФАР, схема алгоритму реалізації якого складається з наступних етапів. - Введення вихідних даних. Вводяться параметри системи ΜΙΜΟ та АФАР, каналу зв'язку Ф 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. - Визначення умовної відстані до кореспондента або ретранслятора зв'язку для вибору типу розподілу (амплітудно-фазовий/фазовий). - Оцінка стану канапу зв'язку. На даному етапі за допомогою одного з відомих методів [4] оцінюється стан багатопроменевого каналу зв'язку та визначається його канальна матриця. - Адаптивний вибір кількості каналів системи ΜΙΜΟ. Проводиться розрахунок сингулярних чисел. Якщо мінімальне сингулярне число більше граничного, то такий режим буде задовольняти вимогам до ймовірності бітової помилки - вихід із циклу. В іншому випадку зменшуємо число каналів на один. 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. Якщо залишився один канал передачі - вихід із циклу. Запропонований алгоритм дозволяє не тільки визначити максимально припустиме число паралельних каналів для передачі даних, але й вибрати найбільш завадостійкі з них. 2 UA 119153 U - Розподіл потужності сигналу між власними каналами. За допомогою водоналивного методу [4], здійснюється розподіл потужності між власними каналами. Дана процедура повторюється з інтервалом гр тривалість групи символів, на які розділяється потік сигналів. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - Адаптивне управління параметрами АФАР. В системах радіозв'язку актуальною є проблема виділення сигналів з адитивної суміші із завадами, при відсутності апріорної інформації про завадову обстановку. У цьому випадку просторова обробка сигналів у АФАР полягає в визначенні вагового вектора, що забезпечує автоматичне формування глибоких провалів у діаграмі спрямованості в напрямку на джерела завади; оцінці кількості діючих джерел сигналів або завад, а також їх параметрів - амплітуднофазових значень на кожному із модулів АФАР. При подавленні завади в АФАР основну складність представляє необхідність обернення вибіркової кореляційної матриці вхідного процесу в приймальних антенах. Для знаходження вагового вектора в АФАР використовуються градієнтні методи, методи поводження оцінки кореляційної матриці вхідного процесу і методи рекурентного оцінювання зворотної кореляційної матриці [4]. Розглянемо більш докладно характеристики антенних решіток, які використовуються в системі ΜΙΜΟ. Як відомо [4], АФАР складаються з великої кількості випромінюючих елементів, розташованих відповідним чином один відносно одного. Коли сигнали, що надходять до всіх елементів, узгоджуються за амплітудою і фазою, утворюється промінь, перпендикулярний площині антенної решітки. - Переміщення променів в просторі досягається відповідно фазовому або амплітуднофазовому розподілу сигналів в елементах антенної решітки. - Вибір раціональних сигнально-кодових конструкцій. На даному етапі зі скінченої кількості коригувальних кодів та видів модуляції, що визначаються вихідними даними, в залежності від поточного відношення сигнал/завада, для кожного підканалу визначається СКК, яка дозволяє отримати максимальне значення швидкості передачі при забезпеченні заданої ймовірності бітової помилки. Основні етапи вибору оптимальних сигнально-кодових конструкцій наступні: На підставі параметрів радіозасобів та каналу зв'язку i , а також значення допустимої величини ймовірності бітової помилки радіозасобів вибираємо розмірність ансамблю сигналів N (конструкції з одномірними, двомірними і багатомірними сигналами), а також структура ансамблю сигналів. Отримано аналітичні залежності для розрахунку ймовірності бітової помилки при використанні М-позиційних сигналів з фазовою маніпуляцією (ФМ-М) та амплітудно-фазовою маніпуляцією (АФМ-М) для випадку передачі інформації по одному каналу системи ΜΙΜΟ в умовах впливу флуктуаційного шуму та навмисних завад. У каналі з селективними завмираннями та білим шумом при когерентному прийманні відомі точні формули ймовірності бітової помилки для модуляції ФМ-М (М>2) [4]. У каналі з селективними завмираннями та білим шумом при когерентному прийманні відомі точні формули ймовірності бітової помилки для модуляції ФМ-М (М>2) [4]. Цілком очевидно, що формування відповідного амплітудного розподілу і тим паче повне відключення активних елементів (для зменшення апертури) призведе до втрат не тільки коефіцієнта підсилення, а й потенціалу. Тому актуальність пошуку оптимального фазового або амплітудно-фазового розподілу для забезпечення зв'язку на різну відстань до кореспондента не викликає сумніву. Застосування того чи іншого методу залежить як від коефіцієнта розширення, так і від інших параметрів діаграми спрямованості (ДС), до яких висуваються специфічні вимоги. Параметри рівняння, необхідні для заданого виду розподілу, задаються автоматично і залежать від геометрії АФАР. Дослідження фазового розподілу [4] при різних значеннях параметрів конуса показало, що розширення сумарного променя ДС без його подвоєння - незначне і не перевищує одиниць відсотків. Для того, щоб це компенсувати, додатково вводиться нелінійність амплітудного розподілу. Змішаний амлітудно-фазовий метод управління параметрами ДС призводить до додаткових втрат підсилення, але дозволяє збільшити крутизну й лінійні пеленгаційні характеристики, ніж просто фазовий метод. Однак, подібні ДС можуть застосовуватись, наприклад, при роботі радіостанцій із вузькоспрямованими антенами в ближній зоні, коли не має необхідності визначення координат об'єкта (кореспондента). Результати такого селективного вибору розподілу дозволять найбільш повно використовувати енергетичні ресурси радіостанцій по управлінню ДС (з мінімальними втратами 3 UA 119153 U 5 10 15 20 25 30 по коефіцієнту підсилення і швидкістю передачі усіх видів трафіку) як із літальними апаратами, так і з наземними об'єктами. Запропонований спосіб дозволяє підвищити завадозахищеність та пропускну спроможність гібридної системи МІМО-АФАР. Зазначений спосіб дозволяє забезпечити вибір типу управління діаграмою направленості багатоантенних систем військового призначення за рахунок сумісного адаптивного управління параметрів багатоантенних систем військового радіозв'язку та активних фазованих антенних решіток на різні відстані. Технічний результат від застосування зазначеного способу полягає у зменшенні обчислювальних затрат, підвищення завадозахищеності багатоантенних систем та збільшенні швидкості передачі інформації в складній радіоелектронній обстановці. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Слюсар В. Системы ΜΙΜΟ: 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. - № 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. - Прототип. 4. Шишацький А.В. Методика адаптивного управління параметрами МІМО-АФАР / А.В. Шишацький, P.O. Беляков, О.Г. Жук / Системи озброєння і військова техніка. - 2016. - № 4. - С. 77-82. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб вибору раціональних значень параметрів системи ΜІМО-ΑΦАР, який полягає у тому, що в системі ΜΙΜΟ (Multiple-Input Multiple-Output) передавач може застосовувати безліч передавальних антен для передачі даних до приймача, обладнаного безліччю приймаючих антен, при цьому передавач може передавати до Τ потоків даних одночасно від Τ передавальних антен, щоб поліпшити пропускну здатність, або передавати єдиний потік даних зі всіх Τ передавальних антен, щоб покращити надійність, який відрізняється тим, що як фізичні антенні системи використані активні фазовані антенні решітки (АФАР). 35 Комп’ютерна верстка О. Гергіль 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
ДивитисяДодаткова інформація
МПК / Мітки
Мітки: раціональних, вибору, системі, спосіб, мімо-афар, значень, параметрів
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/6-119153-sposib-viboru-racionalnikh-znachen-parametriv-sistemi-mimo-afar.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб вибору раціональних значень параметрів системи мімо-афар</a>
Попередній патент: Спосіб одержання потрійного триортофосфату csni2sn(po4)3
Наступний патент: Спосіб реєстрації екг коня в стандартному відведенні
Випадковий патент: Спосіб неінвазійної діагностики патології, зумовленої конфліктом по групових та резус-антигенах