Спосіб адаптивного вибору виду багатопозиційної модуляції

Реферат: UA 94019 U UA 94019 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки електричного зв'язку на основі систем з поєднанням двох або більше видів модуляції несучої і призначених для передачі інформації в безпроводовому каналі зв'язку. Корисна модель може бути використана в адаптивній системі передачі даних, що використовує багатопозиційні методи модуляції BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64, та призначена для передачі даних між передавачем та приймачем саме з максимальною пропускною здатністю в безпроводовому каналі зв'язку, нарівні з невисокими вимогами абонента до якості передачі даних, а саме - вимогами абонента до бітової помилки на -2 приймальній стороні на рівні 10 . Така система може бути застосована для передачі потокового відео чи голосу, що вирішує задачу передачі інформації до приймача абонента саме основного змісту повідомлень, в той час як втрата незначної кількості інформації з коефіцієнтом бітових -2 помилок на рівні 10 не є суттєвою в контексті передачі основного змісту повідомлень. Технічний результат - забезпечення максимальної пропускної здатності в безпроводовому каналі зв'язку на основі адаптивного вибору багатопозиційної модуляції та невисоких вимог абонента до якості передачі даних, тобто ймовірності бітової помилки. Відомий спосіб адаптивного вибору виду модуляції [1], запропонований для роботи в безпроводовому каналі із непостійними параметрами, передбачає адаптивний вибір виду модуляції (QPSK, QAM-16) та завадостійкого кодування для високошвидкісної передачі даних. Критерієм вибору оптимального виду модуляції та завадостійкого кодування є оцінка відношення рівня сигналу до рівня шуму та контроль якості передачі даних на основі циклічного надлишкового коду CRC (Cyclic Redundancy Code) зі зворотнім зв'язком. Недоліком способу [1] адаптивного вибору виду модуляції є те, що критерієм вибору виду багатопозиційної модуляції є періодичне підтвердження від приймача до передавача про успішне доставлення вибраних пакетів даних, що були отримані, і в результаті неуспішного підтвердження про доставку пакету приймається рішення про зміну виду модуляції на вид модуляції з меншим числом біт на символ, що призводить до неоптимального використання пропускної здатності каналу зв'язку, в результаті чого не всі можливості фізичного каналу зв'язку по пропускній здатності будуть використані, проте вимоги до достовірності передачі інформації при цьому задовольняються. Іншим недоліком способу адаптивної модуляції [1] є також те, що спосіб не враховує такі якісні і кількісні характеристики каналу зв'язку, як ймовірність символьної помилки та пропускна здатність при використаному методі багатопозиційної модуляції, в результаті чого ресурси каналу зв'язку використовуються неефективно. Ще одним недоліком способу адаптивної модуляції [1] є те, що цей спосіб враховує тільки два види багатопозиційної модуляції, а саме QPSK та QAM-16, в той час як інші види багатопозиційної модуляції, можливо, будуть забезпечувати кращі характеристики передачі даних в безпроводовому каналі, наприклад, PSK, QAM-64, PSK-8 чи PSK-16. Найбільш близьким аналогом до запропонованого способу вибору адаптивного виду модуляції є відомий винахід [2], що відноситься до систем бездротового зв'язку і може використовуватися для переключення системи модуляції при погіршенні якості каналу зв'язку. Досягнутий технічний результат - забезпечення додаткової надійності каналу після перемикання системи модуляції під час погіршення якості каналу. У цьому способі виконують моніторинг каналу, і коли спостерігають погіршення якості каналу, кількість рівнів у багаторівневій модуляції зменшують для забезпечення зв'язку з гарною якістю з частотою передачі бітів на мінімальному рівні, а коли якість каналу покращується, то кількість рівнів багаторівневої модуляції збільшують для збільшення бітової швидкості передавання даних із задоволенням вимог щодо достовірності передачі. Ознаки запропонованого способу вибору багатопозиційної модуляції, які збігаються з ознаками найближчого аналогу, - це адаптивне перемикання виду модуляції на модуляцію більш низького рівня при погіршенні якості каналу зв'язку. Ознаки запропонованого способу вибору багатопозиційної модуляції, які є новими порівняно з найближчим аналогом, це критерій вибору виду модуляції, а саме: в найближчому аналозі передбачається задоволення вимог щодо передачі інформації із бітовою помилкою, не гірше заданої, в той час як запропонований спосіб приймає рішення про зміну виду модуляції на основі забезпечення максимальної пропускної здатності в каналі зв'язку; при цьому ймовірність бітової помилки не розглядається, а розглядається ймовірність символьної помилки. Такий спосіб може бути ефективно використаний в системах передачі, де вимоги до якості передачі інформації не є головними, а головним критерієм є максимальна пропускна здатність в каналі зв'язку з допустимою низькою достовірністю передачі. Прикладом такої системи передачі може бути система для передавання потокового відео, де незначні втрати інформації відображаються на незначній втраті якості відеокадрів та не мають принципового значення для кінцевого результату. Недоліком відомого винаходу [2] є те, що цей спосіб не бути використаний в 1 UA 94019 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 системах, де якість передачі інформації є другорядним критерієм, оскільки в цьому випадку система буде намагатися покращувати достовірність передавання інформації ціною зменшення пропускної здатності в каналі зв'язку. Іншим недоліком винаходу [2] є те, що у ньому розглянуто роботу менше видів багатопозиційної модуляції, а саме - QPSK, QAM-16, QAM64, в той час у запропонованому способі враховано модуляції BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64. В основу запропонованої корисної моделі поставлено задачу, яка передбачає досягнення максимальної пропускної здатності в каналі зв'язку після оцінки значення відношення рівня енергії сигналу до рівня спектральної потужності шуму в точці прийому. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб адаптивного вибору виду багатопозиційної модуляції для передачі дискретної інформації між передавачем і приймачем, згідно з корисною моделлю, передбачає періодичну оцінку відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому, що здійснюють за допомогою аналізатора спектру, передачі отриманого числового значення відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому на передавальну сторону, де передавач на основі заздалегідь розрахованих характеристик залежності пропускної здатності від відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому та на основі прийнятого значення відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому приймає рішення про використання оптимального виду модуляції з набору BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64 за критерієм максимальної пропускної здатності в каналі зв'язку при отриманому значенні відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому від приймача. Спосіб адаптивного вибору багатопозиційної модуляції включає 2 етапи: - визначення значення відношення рівня енергії сигналу до рівня спектральної потужності шуму в точці прийому за допомогою аналізатора спектру; - згідно визначеного значення відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому на кроці 1, та заздалегідь розрахованих характеристик залежності пропускної здатності від відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому, приймається рішення щодо використання певного виду багатопозиційної модуляції із набору BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64 в діапазоні відношень рівнів сигналу до рівня шуму 1…100 разів, який має найбільшу пропускну здатність при визначеному значенні відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому. Розрахунок характеристик залежності пропускної здатності від відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому, що повинні бути відомі на передавальній стороні для реалізації запропонованого способу адаптивного вибору модуляції, проводять заздалегідь з використанням наступних кроків: 1) розрахунок ймовірності символьної помилки для кожного виду багатопозиційної модуляції з набору BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64 в діапазоні відношень рівня сигналу до рівня шуму 1…100; 2) розрахунок пропускної здатності при використанні кожного виду багатопозиційної модуляції з набору BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64 в діапазоні відношень рівня сигналу до рівня шуму 1…100; В результаті, вибір методу модуляції на передавальній стороні здійснюється за фактом максимальної пропускної здатності при використанні певного виду модуляції та відомого значення відношення рівня сигналу до рівня шуму. На фіг. 1 зображено схематично систему передачі. Відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому (Фіг. 1): E P h2  C  C N0 N0 VC , (1) де h2 - відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому; EC - енергія сигналу; 50 55 N0 - спектральна потужність шуму; PC - потужність сигналу; VC - швидкість передачі даних в каналі зв'язку. Нехай для всіх видів багатопозиційної модуляції виділено однакову смугу частот і швидкість передачі даних в каналі незмінна: VC  const , (2) 2 UA 94019 U де VC - швидкість в каналі зв'язку. Швидкість джерела даних відноситься до швидкості в каналі зв'язку за наступним виразом: VS  VC  log2 M , (3) 5 де VS - швидкість джерела даних; VC - швидкість в каналі зв'язку; M - число можливих сигнальних комбінацій для заданого виду багатопозиційної модуляції і визначається за наступним виразом: 10 15 20 M  2k , (4) де M - число можливих сигнальних комбінацій для заданого виду багатопозиційної модуляції; k - число біт кожної сигнальної комбінації заданого виду багатопозиційної модуляції. Таким чином, швидкість джерела даних відноситься до швидкості в каналі зв'язку як VS  k  VC , (5) де VS - швидкість джерела даних; VC - швидкість в каналі зв'язку; k - число біт кожної сигнальної комбінації заданого виду багатопозиційної модуляції. Вираз показує можливість збільшення швидкості джерела пропорційно числу біт в символі сигнальної конструкції заданого виду багатопозиційної модуляції. Пропускна здатність на фізичному рівні моделі OSI розглядається як міра граничних можливостей фізичного каналу із заданими характеристиками по передачі інформації за заданого виду багатопозиційної модуляції. Пропускна здатність дискретного каналу представляє максимум питомої швидкості передачі взаємної інформації на одне вимірювання по всіх можливих розподілах сигналу і визначається наступним чином: p   C  VC  log 2 M  pc log 2 c  1  pc log 2 1  pc  M1   , (6) 25 де C  - пропускна здатність дискретного каналу; VC - швидкість в каналі зв'язку; M - число можливих сигнальних комбінацій для заданого виду багатопозиційної модуляції; pc - ймовірність помилки в приймачі при детектуванні символу заданого виду 30 багатопозиційної модуляції як функція параметру h2 - відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому.   2 Ймовірність символьної помилки pc h визначається для кожного виду багатопозиційної модуляції за різними виразами і залежить від відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому h2 . - BPSK:   pc h 2 35 2 1 2  u e 2  2h 2 du , (7) 2 де h - відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому;   pc h2 - ймовірність символьної помилки. - QPSK: 3 1   1   pc h2   Ф h2   Ф2  h2  4 2   4   , (8)   40 де h2 - відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому;   pc h2 - ймовірність символьної помилки. - PSK-8: 3 UA 94019 U  3  1      pc  2T 2h2 sin ; tg   1  Ф 2h2 sin  8 8  2 8  , (9)   де h2 - відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому;   pc h2 - ймовірність символьної помилки; TH, a  Фx   5 1   2 H 2   dx1x 2 - функція Оуена; 0 x e  2 / 2 2 0 - PSK-16; pc  1   ax1  1 x 2  x 2 1 2 e 2 d - функція Крампа. 1   1    Ф 2h2 sin    2V 2h2 sin , 2h2 cos  2  8 8 8 8  , (10)  де h2 - відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому;   pc h2 - ймовірність символьної помилки; y t 1 xx  V x, y   e 2 0 0 10 t 2 u 2 2 dtdu - функція Нікольсона; 2 x  2 / 2 d e 2 0 - функція Крампа. - QAM-16/64: Фx       21  1     M p c  1  1   2    2    u  2 du  e  3k 2 h  M1  , (11) 2 де h2 - відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому; 15 20   pc h2 - ймовірність символьної помилки; M - число можливих сигнальних комбінацій для заданого виду багатопозиційної модуляції; k - число біт сигнальної комбінації. Значення ймовірності символьної помилки та пропускної здатності за різних видів багатопозиційної модуляції розраховані та показані на Фіг. 2 і Фіг. 3 відповідно. Згідно Фіг. 3, з набору модуляцій BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64, рекомендується використовувати наступні види модуляцій за критерієм максимальної пропускної здатності в залежності від відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому (див. таблицю): Таблиця Відношення сигнал/шум, h , разів Оптимальний вид багатопозиційної модуляції за критерієм максимальної пропускної здатності 1 0  h2  7,7 QPSK 2 7,7  h2  47 QAM-16 3 47  h2  100 QAM-64 2 25 Для реалізації запропонованого способу на практиці, дані таблиці повинні бути відомі передавачу для прийняття рішення про використання певного виду модуляції. Таким чином, при відомому значенні відношення рівня сигналу до рівня шуму, користуючись даними таблиці, 4 UA 94019 U 5 можна приймати рішення про застосування оптимального виду багатопозиційної модуляції за критерієм досягнення максимальної пропускної здатності в каналі зв'язку із визначеним значенням відношення рівня сигналу до рівня шуму в точці прийому. Джерела інформації: 1. Adaptive modulation and coding. European patent Application. EP 1 505 756 A3, 2005. 2. УСТРОЙСТВО БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ И СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЕГО СИСТЕМЫ МОДУЛЯЦИИ. RU 2 420 902, 2007. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Спосіб адаптивного вибору виду багатопозиційної модуляції з набору BPSK, QPSK, PSK-8, PSK16, QAM-16, QAM-64, для передачі дискретної інформації між передавачем і приймачем, який відрізняється тим, що передбачає періодичну оцінку відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому, що здійснюється за допомогою аналізатора спектра, передачі отриманого числового значення відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому на передавальну сторону, де передавач на основі заздалегідь розрахованих характеристик залежності пропускної здатності від відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому та на основі прийнятого значення відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому приймає рішення про використання оптимального виду модуляції з набору BPSK, QPSK, PSK-8, PSK-16, QAM-16, QAM-64 за критерієм максимальної пропускної здатності в каналі зв'язку при отриманому значенні відношення рівня енергії сигналу до спектральної потужності шуму в точці прийому від приймача. 5 UA 94019 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 6