Спосіб адаптивного управління параметрами системи мімо

Реферат: Спосіб адаптивного управління параметрами системи МІМО полягає у тому, що засіб радіозв'язку, який працює за технологією МІМО, використовує наявні передавальні антени для передачі та приймальні антени для прийому та обробки сигналів. За допомогою засобу радіозв'язку, в якому реалізована технологія МІМО, здійснюють вибір кількості приймальних і передавальних антен шляхом розрахунку сингулярних чисел для конкретної сигнальнозавадової обстановки та швидкості передачі інформації в каналі. Для оцінювання параметрів каналу засіб радіозв'язку, що працює за технологією МІМО, використовує процедуру безеталонної оцінки параметрів сигналу на виході демодулятора. UA 119284 U (12) UA 119284 U UA 119284 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 засобів радіозв'язку 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 в засобах радіозв'язку. Як аналоги [1-2], вибрані відомі способи просторово-часового кодування паралельних потоків інформації в засобах радіозв'язку, суть яких полягає в тому, що в системі МІМО передавач засобу радіозв'язку 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 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 аналог обрано спосіб адаптивної корекції сигналу [2-3] в засобах радіозв'язку, сутність 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 сигналів [3]. Як найближчий аналог вибрано спосіб оцінювання параметрів сигналів з цифровими видами модуляції, суть якого полягає у послідовному проведенні операцій демодуляції прийнятих символів, вимірювання коефіцієнта помилок модуляції по відновленому після оптимального детектування сузір'ю, коректування зсуву сигнальних точок сузір'я, розрахунку значення ймовірності помилкового приймання на виході демодулятора, розрахунку відношення сигнал/шум на виході декодера та розрахунку значення ймовірності помилкового приймання після декодера. Перевагою зазначеного способу є можливість оцінювання параметрів сигналу на виході демодулятора без використання еталонних послідовностей [4]. Проте, недоліками даного способу є неможливість адаптивного управління параметрами засобу радіозв'язку, що працює за технологією МІМО залежно від сигнально-завадової обстановки. Задача корисної моделі розробити спосіб адаптивного управління параметрами системи МІМО, що дозволить об'єднати переваги найближчого аналога та аналогів, без їх недоліків. Поставлена здача вирішується тим, що спосіб адаптивного управління параметрами системи МІМО, який полягає у тому, що засіб радіозв'язку, котрий працює за технологією МІМО, використовує наявні передавальні антени для передачі та приймальні антени для прийому та обробки сигналів, згідно з корисною моделлю, за допомогою засобу радіозв'язку, в якому реалізована технологія МІМО, здійснюється вибір кількості приймальних і передавальних антен шляхом розрахунку сингулярних чисел для конкретної сигнально-завадової обстановки та швидкості передачі інформації в каналі, а для оцінювання параметрів каналу засіб радіозв'язку, що працює за технологією МІМО, використовує процедуру безеталонної оцінки параметрів сигналу на виході демодулятора. У загальному випадку структура системи засобу радіозв'язку, який працює за технологією 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 55 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: 1 UA 119284 U H  UDV H , 5 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), 0   max 0   D 0  0 .  0 0  min    10 15 Припустимо, що A  ai  - набір можливих переданих векторів (тобто багатовимірне сузір'я сигналу). Сигнал, прийнятий без шуму, належить набору Y  y i , де y i  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 . 20 Мінімальна відстань може бути знайдена як:   dmin  min y i  y j  min H ai  a j . i j i j З лінійної алгебри відомо, що для будь-якого вектора s справедлива нерівність: 25 Hs   min s . Тоді H(ai  a j )  min ai  a j . Отже, 30 dmin  min min ai  a j . i j Таким чином, якщо мінімальна евклідова відстань на передачі дорівнює d0 , то після проходження радіоканалу dmin : 35 40 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: 2 Qk  E c gHhk k Mr G0 gk 45 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. 2 UA 119284 U Для спрощеного прийому методом форсування нуля відношення сигнал/шум визначається наступною формулою: Ec 2 Qk    1 H kk . H Mr G0 H 5 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: 10 15 20 2  min гран H  Qгран Mr G0 . Ec Запропонований спосіб адаптивного управління параметрами системи МІМО, схема алгоритму реалізації якого подана на фіг. 1, складається з наступних етапів. Введення вихідних даних. Вводяться параметри системи МІМО і 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. Оцінка стану каналу зв'язку. В даному способі використані процедура оцінки параметрів сигналу з цифровими видами модуляції, що не використовує еталонні послідовності. Процедура оцінки параметрів сигналів з цифровими видами модуляції, схема алгоритму реалізації якої подано на фіг. 2, складається з наступних етапів: вводяться параметри передавального пристрою і каналу зв'язку    i  i  1 m , де 1 ...m , , - позиційність ансамблю сигналів M , максимальна потужність корисного сигналу Pc макс , 2 порогові значення відношення сигнал/шум Qпор , швидкість передачі інформації i , параметри 25 30 35 коригувального коду (швидкість коду R ; кількість помилок, що виправляє код s ); в демодуляторі приймача здійснюється обробка прийнятої послідовності спотворених символів; вимірювання коефіцієнта помилок модуляції по відновленому після оптимального детектування сузір'ю. Оцінка середнього значення коефіцієнта помилок модуляції, яке чисельно дорівнює відношенню сигнал/шум, базується на визначенні вектора помилок між прийнятим символом і переданим символом (символом, відновленим на приймальному боці); коректування зсуву сигнальних точок сузір'я. Отримане значення відношення сигнал/шум порівнюється з пороговим значенням і при його перевищенні здійснюється коректування відношення сигнал/шум за заздалегідьрозрахованим законом; розрахунок значення ймовірності помилкового приймання на виході демодулятора. Для N вимірної КАМ вона розраховується за формулою Pпом   2   d F  1  1  21     M1 N   2G0         1 F d  M1 N  2G 0           N 2 40 де d - відстань між сигналами ансамблю КАМ; Fy   помилок, d 2G0 t 1   2 dt - додаткова функція e 2 x 2  2gQ c ;  - параметр модуляції (   1 - для класичної КАМ,   2 або 4 для ієрархічної КАМ); g   3 log 2 M 2N NM   1  3  1 M 1N 3    1 2 ; Qc  Ec Emax ; Emax і  G0 log 2 M П2G0 log 2 M UA 119284 U відповідно Ec  максимальна  і середня енергії сигналів КАМ; 2 Emax M1 N    2 - пік-фактор сигналу КАМ.  Ec M2 N  1  3  1 M1 N    1 Після перетворень отримаємо П2  5 Pпом  N  k CN k 1    2   d F 2 1   M1 N   2G0     k 1 k   1     1 F d  M1 N  2G 0       k Для класичної багатовимірної КАМ (  1) одержимо співвідношення Pпом  N  k CN k 1  1   2   d F 21     M1 N   2G0    k 1  k   .   10 При N  2 (двовимірна КАМ) дорівнює  2   d Pпом  4P11  P1 , P1  1  F  1/ N   M    2G0 15 Для сигналів КАМ ймовірність помилкового приймання залежить від евклідової відстані між сигналами d . Ймовірність помилкового приймання можна визначити за спрощеною формулою: Pпом  20  .   4 1    3  2, 1  F  Q    k M    M  1    де k - кількість біт/символ. розрахунок відношення сигнал/шум на виході декодера. Розраховується значення відношення сигнал/шум з врахуванням виправляючої здатності декодера; розрахунок значення ймовірності помилкового приймання після декодера. При необхідності ймовірність помилкового декодування кодової комбінації розраховується 25 Pпом кк  30 35 40 n j j  CnPпом 1  Pпом n  j , j  s випр 1 де sв ипр - кількість помилок, що виправляє коригувальний код; n - тривалість кодової комбінації. Адаптивний вибір кількості каналів системи засобу радіозв'язку, що працює за технологією МІМО. Засіб радіозв'язку проводить розрахунок сингулярних чисел. Якщо мінімальне сингулярне число більше граничного, то такий режим буде задовольняти вимогам до ймовірності бітової помилки - вихід із циклу. В противному 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 вихід із циклу. Якщо залишився один канал передачі - вихід із цикл. 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 релеєвського каналу зв'язку було проведено статистичне моделювання в середовищі MATLAB. Результати імітаційного моделювання показують, що запропонований спосіб дозволяє реалізувати адаптивне перемикання числа каналів при збереженні ймовірності бітової помилки нижче 4 UA 119284 U 5 10 15 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. 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. - прототип. 4. Шишацький А. В. Удосконалена методика оцінювання параметрів сигналів з цифровими видами модуляції / А. В. Шишацький, О. Г. Жук, В. В. Лютов, Р. М. Животовський // Наука і техніка Повітряних Сил Збройних Сил України. - 2016. - № 4. - С. 117-121. - найближчий аналог. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Спосіб адаптивного управління параметрами системи МІМО, який полягає у тому, що засіб радіозв'язку, який працює за технологією МІМО, використовує наявні передавальні антени для передачі та приймальні антени для прийому та обробки сигналів, який відрізняється тим, за допомогою засобу радіозв'язку, в якому реалізована технологія МІМО, здійснюють вибір кількості приймальних і передавальних антен шляхом розрахунку сингулярних чисел для конкретної сигнально-завадової обстановки та швидкості передачі інформації в каналі, а для оцінювання параметрів каналу засіб радіозв'язку, що працює за технологією МІМО, використовує процедуру безеталонної оцінки параметрів сигналу на виході демодулятора. 5 UA 119284 U 6 UA 119284 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7