Текст книги "Исследование новых и нестандартных видов модуляции на основе OFDM-технологии"

– Снижается минимально необходимая частота дискретизации в системе связи благодаря использованию теоремы Котельникова и переносу высших гармоник на низшие частоты.

– Предложенный метод позволяет оставлять минимальный частотный разнос без усложнения аппаратной части и скорости вычислений. А также размещать поднесущие с помощью технологии NOFDM (SEFDM). При этом полоса сигнала не ограничена аппаратными возможностями конкретной системы связи, а алгоритм реализуется с помощью дополнительного видоизменения исходного сигнала перед процессом создания радиосигнала, что показано на рис. 1.6.

Недостатки:

– Метод нацелен на увеличение полосы сигнала. Если необходим относительно узкополосный сигнал, то выгоднее использовать сравнительно мощное программное обеспечение со сравнительно большой длиной ОБПФ, БПФ, работающее на высокой частоте дискретизации.

– При неограниченных аппаратных ресурсах можно сгенерировать несколько поднесущих частот с одинаковой информацией и без схемы, предложенной на рис. 1.6.

Выводы по главе 1

Исследовано математическое описание системы связи, для которой требуется найти и исследовать возможности повышения помехоустойчивости. Сигнал OFDM представляет собой множество поднесущих частот, которые могут генерироваться разным способами, такими как: с помощью БПФ и за счет отдельных однополосных генераторов, банка цифровых фильтров и сумматора всех гармоник в один многочастотный сигнал.

Рассмотрена классификация различных подвидов систем связи с OFDM-сигналами. Технологию OFDM можно рассматривать как надстройку над классическими квадратурными модуляторами, позволяющими модулировать одну поднесущую частоту. В отличие от классических систем связи, OFDM-модуляция позволяет с высокой спектральной эффективностью распределить сигнал между несколькими поднесущими частотами. И к системе связи применимы кодирование, базисы преобразования, отличные от Фурье, фильрация поднесущих частот и т. д.

В разделе 1.2 выполнен расчет для канала подводной связи для конкретных параметров среды при статической импульсной характеристике, при этом использована программа для расчета структуры лучей в зависимости от параметров среды и внешних условий [1, 7]. Результаты исследования импульсной характеристики канала связи, представленные в данном разделе, представляют научную новизну. Разработана модель гидроакустического канала связи на основе работ А. В. Вагина и К. В. Авилова, которая позволяет с помощью математической модели, а не натурных экспериментов, получить сигнал на выходе многолучевого канала гидроакустической связи с OFDM-сигналами. Предыдущие разработки имеют возможность расчета лучей для задач локации применительно к монотональным системам связи или системам с немногочисленным количеством частот.

Произведено сравнение накопления информации в системах принятия решения классических корреляционных приемников и OFDM-системы. Сравнение показывает эквивалентность процесса накопления в OFDM-системах за исключением факта, что в корреляторе в качестве АКФ используется М-последовательность, в системе же с OFDM-сигналами используется гармонический сигнал без изменения фазы. Теоретически это позволяет рассмотреть вопросы введения М-последовательностей в OFDM-системы, так как известны их хорошие корреляционные свойства [14]. Известно использование кодирующих функций в технологии MC-CDMA, но о применении М-последовательности речи не идет, так как используются коды Уолша для разделения абонентов в системе. На основании этого появляется вывод, что внедрение в OFDM М-последовательности для применения, например, в тропосферной связи – задача неисследованная. а Технология OFDM не уступает другим классическим видам модуляции, так как в этой технологии, принципиально, можно также использовать М-последовательности, но достигается более высокая спектральная эффективность.

Выявлена возможность генерации OFDM-сигналов с использованием теоремы Котельникова. Это позволяет использовать в таких сигналах принципиально другие алгоритмы адаптации мощности на каждой поднесущей, например. Если в классических системах параметры адаптации мощности известны и в передатчике, и в приемнике, то можно увеличить мощность передачи на частотах со слабым уровнем замираний в канале связи, и уменьшить мощность на других частотах, тогда как мощность сигнала в полосе частот останется неизменной. Если в схеме с использованием теоремы Котельникова увеличить мощность на одном из интервалов ni. _fd… (ni+1) f_d (ni – номер интервала на оси частот), то при приеме, если высшие гармоники перенесутся в низкочастотную область, мощность сигнала вырастет благодаря суммированию мощностей на нескольких поднесущих частотах. Причем если мощность увеличится именно там, где уровень замираний наименьший, то все поднесущие частоты могут быть приняты с минимальной ошибкой на максимальной скорости. Но необходимо учитывать время дисперсии задержек в канале связи, так как длительность OFDM-символа должна быть в любом случае больше этой дисперсии. Таким образом, использование теоремы Котельникова для генерации нескольких поднесущих частот с одной и той же информацией позволяет, теоретически, бороться с узкополосными замираниями за счет увеличения полосы информационного сигнала в условиях одновременного разброса этих частот в пределах целого спектра OFDM сигнала.

Из теоремы Котельникова следует, что сигнал может быть однозначно восстановлен, когда наибольшая частота в спектре не превышает половины частоты дискретизации. В ходе изучения математической модели стало видно, что информация может быть заложена как выше половины частоты дискретизации, так и в высших зонах Найквиста. У оборудования всегда было и будет ограничение по полосе генерируемых частот, по скорости связи и помехоустойчивости. В настоящее время имеется ограничение по мощности, но начинает исчезать ограничение по спектру с появлением широкополосных сигналов и сетей 5G. Дублирование составляющих спектра позволяет сделать своеобразную корреляцию в частотной области, что позволяет добиться улучшений в скорости связи или ее помехоустойчивости при ограниченных ресурсах системы связи и относительно неограниченных частотных ресурсах.

Глава 2. Исследование алгоритмов, используемых в системах связи с OFDM-сигналами

Анализ продукции предприятий, производственных и научных организаций, в которых применяется OFDM-технология

Компания Huawei (в настоящее время активно исследует методы помехоустойчивого кодирования для систем связи с OFDM-сигналами) производит оборудование для мобильных систем связи на основе OFDM-сигналов [84]. Известны системы связи для контроля радиоуправляемых моделей, например, модуль OFDM-приемника для квадрокоптера [103].

Технология OFDM эффективна для борьбы с многолучевыми замираниями. Однако в канале спутниковой связи многолучевость выражена очень слабо или отсутствует. При полосе сигнала в 50 МГц возможна относительно равномерная передаточная функция канала [104]. В данном случае OFDM система не имеет преимущества по сравнению с классическим ФМ-модемом [104]. Имеется стандарт широкополосной спутниковой связи DVB-S. Однако в стандарте идет речь о методах расширения спектра, а технология OFDM не затрагивается.

Но OFDM-технология способна повысить эффективность использования спектра в космических системах связи, поэтому необходимо пересмотреть возможности внедрения OFDM-технологии в такие системы. Известна, например, работа [21], в которой обосновывается целесообразность развития OFDM-технологии в современных системах спутниковой связи.

Для оценки уровня развития текущих OFDM решений в России и в Мире рассмотрим продукцию предприятий, основанную на применении OFDM-технологии. Известны российские производители: ЗАО «Микран» (WiMIC 600 по стандарту WiMAX со скоростью 37 Мб/с в полосе 10 МГц) [35], ЗАО «Современные Беспроводные Технологии» (решения-системы связи на кристалле) [26], МНИРТИ (мобильные точки доступа в самолетах на скорости до 4 Мб/с) [5]. Зарубежные: Huawei [84], Motorolla [56] (мобильные сети и точки доступа WiFi). Компании Comtech и Raytheon (Америка) сравнительно недавно начали производство и испытания OFDM-модемов для систем тропосферной связи.

Рассмотрим предприятия по изготовлению систем связи, не использующие в настоящее время OFDM-технологию: АО «НПП «Радиосвязь» [55], АО «ИСС им. Академика Решетнева» [3], концерт «АГАТ» [24] и другие. Чтобы судить об алгоритмах, применяемых в современных системах с OFDM-сигналами, необходимо проанализировать подробнее продукцию отдельных компаний, рассмотреть, есть ли у них системы с OFDM технологией. Поэтому рассмотрим некоторые системы связи, а по результату их анализа можно сделать заключения о современном состоянии OFDM-систем.

Исследование алгоритмов, достижимых значений скорости передачи данных и помехоустойчивости в системах тропосферной связи

Внедрение новых технологий возможно как в вышки, расположенные по всему Миру и являющиеся расширением радиорелейной связи (среди которых известны ACE High, British Telecom, Portugal telecom, CNT, Cuba-Florida, AT&T Corporation, Texas Towers, Mid Canada Linem Pinetree Line, Север, India – USSR, Indian Air Force и другие). Стоит отметить тактические системы связи (передвижные, являются продукцией компаний АО «НПП «Радиосвязь», АО «МНИРТИ» (обе из России), Comtech technologies, Raytheon (обе из Америки), CETC (Китай)) [89, 72

Известна модификация мобильной тропосферной станции «Сосник» на Радиозаводе – Р-423-ПМ, в его состав входит прибор И248Б. Существует стационарный вариант Р-423-АМК, характеристики лучше, но за счет повышения излучаемой мощности до 300Вт, относительно больших полосы частот (4.4—5.0 ГГц), диаметра (2.5м) и коэффициента усиления антенны (39дБ) [55]. Имеется станция тропосферной связи «Ладья», разрабатываемая и выпускаемая АО «МНИРТИ». Скорость таких систем не превышает 2048 кб/с [5, 55].

Известны станции тропосферной связи фирм Comtech и Raytheon. Скорость таких систем для гражданского назначения не превышает 20 Мб/с. Военные разработки Raytheon, по заявлениям производителя [113], позволяют достичь скоростей до 100 Мб/c при сравнительно малых расстояниях. Причем, эти расстояния не указаны на сайте Raytheon, поэтому количества информации недостаточно, чтобы говорить о скоростях 100 Мб/с.

В настоящее время на сайте [55] появилось замечание о возможности организации тропосферной связи на скорости 8Мб/с с применением технологии OFDM. Однако готового решения не предлагается.

В тропосферных станциях используются режимы частотного разноса, пространственного, временного. Известны технологии ЧВМ-2 и ЧВМ-4 (частотно-временная матрица – показывает, на каких частотах в текущий момент времени ислучается сигнал) [27].

Для борьбы с замираниями желательно, чтобы 2 соседние поднесущие частоты были некоррелированы. Если интервал корреляции по частоте составляет 5МГц, то в диапазоне частот 4.4ГГц – 5.0ГГц можно, на первый взгляд, разместить 100 поднесущих при соблюдении этого условия, если не меньше. Но пусть будет 128 (определяется функцией k = 2ⁿ, где n – любая требуемая степень). Отталкиваемся от того, что на расстоянии 160км скорость типовой системы тропосферной связи с ЧВМ-4 – 512 кбит/с. То есть если поставить более высокую скорость, проявится МСИ, вероятность ошибки станет неприемлемой. Тогда даже при передаче по разным каналам разных сообщений, то есть при разделении скорости потока на 128 каналов без повторяющихся битов, скорость будет выше: 512 кбит/с / 4.128 = 16384 кбит/с.

Кроме спектральной эффективности, которая в тропосферных системах связи ограничена разносом между поднесущими частотами, OFDM-технология отлична борьбой с межсимвольными помехами и с помехами между поднесущими частотами. Если дублировать потоки и каждую копию размещать на интервале корреляции от предыдущей, то при условии использования 8 потоков на одном интервале корреляции скорость будет 128кбит/c.8 = 1024кбит/c, а неискаженная информация может быть хотя бы на одном интервале корреляции. И если ее можно восстановить без учета других интервалов, ошибка будет минимальная.

Без учета других факторов, а так же с учетом того, что можно сделать значение частотного разноса менее интервала корреляции, адаптируя при этом скорость на каждой поднесущей частоте, OFDM получается эффективнее, чем ЧВМ-технология. За счет относительной неограниченности в числе поднесущих можно добиться высокой суммарной скорости всех потоков, передавая информацию, по сути, медленно и относительно помехоустойчиво.

С другой стороны, возможно использование ЧВМ для OFDM-сигналов. В частности, это позволит уходить от медленных замираний, перестраивая отдельные частоты или смещая весь частотный диапазон сигнала в зависимости, например, от передаточной функции канала связи. Если OFDM-сигнал будет в узкой полосе частот, и будут возможности, то, возможно, это позволит существенно повысить помехоустойчивость к медленным замираниям в канале связи с нормально-логарифмическим законом распределения, ведь будет частотный диапазон, где большинство поднесущих частот будут передаваться с минимальным ослаблением.

На предприятии АО «НПП «Радиосвязь» имеется прототип OFDM-модема на базе шасси NI PXI для решения задач тропосферной связи. Работы по разработке модема связи с использованием OFDM-технология были начаты в АО «НПП «Радиосвязь» для диапазона частот до 6 ГГц (классическое значение частоты – 5 ГГц). Известно оборудование фирмы National Instruments (NI) для лабораторных испытаний систем связи – шасси PXI. Имеется модуль FlexRIO 7966R, программное обеспечение – LabVIEW [28]. Рассмотрим положительные стороны и недоработки данной системы. В качестве устройств в интерфейсе программы выбираются RIO (7966R с кристаллом Virtex-5, ресурсов одного достаточно либо для приема, либо для передачи) и гетеродины (upconverter и downconverter). В таблицах 2.1 и 2.2 представим параметры, соответствующие наиболее скоростному режиму «21R». Для индикации переданной информации имеется светодиодная панель.

Таблица 2.1 – Параметры, использованные для создания передатчика на RIO PXI

Таблица 2.2 – Параметры, использованные для создания приемника на RIO PXI

Теперь установим центральную частоту 4,7 ГГц. Если установить параметры неправильно, состояния индикации на приемной и передающей сторонах могут совпадать. Но в действительности программа передатчика показывает уже кодированную последовательность, а на приеме видно непосредственно сообщение (рисунок 2.1, значение BER показывает, что все верно).

Для первого тестирования приемник и передатчик соединены кабелем. Созданный bit-файл автоматически прошивается при запуске приложения в Virtex-5. На рис. 2.2 приведен приемник OFDM-сигналов в программе LabVIEW.

A

Б

Рисунок 2.1 – Работа системы связи с OFDM-сигналами на аппаратной платформе NI PXI (А – передатчик, Б – приемник)

Запустим работу через GPS (получение временных меток с МРК-103М). Для этого необходимо согласующее устройство NI6581, по шлейфу подсоединяемся к разъему DIO10. Антенна выносится на улицу. Сигнал принимается с большой ошибкой BER, созвездие искажено, что происходит из-за того, что не выждано некоторое время (минут 15) после запуска GPS-навигаторов. При выключении GPS-навигаторов приема не происходит.

Рисунок 2.2 – Прием данных в разработанной OFDM-системе на базе шасси PXI с GPS в режиме 1

В настоящее время на АО «НПП «Радиосвязь» испытания представленного модема не дало заметных преимуществ по сравнению с OFDM-технологией, хотя теоретически предполагался выигрыш от 512 кб/c до 1024 кб/с. Благодаря изменчивости канала связи и комплесности настройки параметров OFDM-систем инженеры предприятия говорят о сложности запуска реальных систем связи. По каким причинам не получилось достичь существенного выигрыша в скорости связи – возможно, это связано с эквалайзером, нелинейностью усилителя, неправильно выбранным частотным разносом, отсутствием адаптивных техник, и эти вопросы носят исследовательский характер.

Алгоритмы, применяемые в системах связи стандарта WiMAX на базе оборудования Albentia Systems PRO

Модем Albentia Systems предназначен для создания высокоскоростных беспроводных соединений по стандарту WiMAX. На рис. 2.3 представлена схема экспериментальной установки, где изображены два компьютера, два устройства Albentia systems, две антенны и соединения. Оборудование и возможность эксперимента предоставлена компанией Albentia systems в Испании. Для связи используются всенаправленные антенны Horizon IH-G12-F5458-V, обладающие коэффициентом усиления +12 dBi.

Рисунок 2.3 – Экспериментальная установка для тестирования модема Albentia Systems в лабораторных условиях

Установим несущую частоту 5500 МГц, полосу – 10 МГц, излучаемую мощность -5 dBm. На рис. 2.4 приведены настройки радиосигнала. В распоряжении имеются виды модуляции, начиная от BPSK и заканчивая 64 QAM. Более высокие порядки модуляции выбрать невозможно.

Рисунок 2.4 – Параметры радиосигнала, при которых произведена оценка скорости системы связи

Создание сетевой папки позволяет второму компьютеру получить с нее данные, помещенные в нее с первого компьютера. Для этого необходимо перейти на соответствующий IP адрес компьютера, к сетевой папке которого выполняется подключение, и ввести имя пользователя (не имя компьютера) и пароль. На рис. 2.5 представлены параметры, характеризующие качество канала системы связи.

Применим программу «Test Speed», сервер установим на компьютере, подключенном к BS (базовая станция), а клиент установим на компьютере, подключенном к SU (пользовательское устройство). Прежде всего, необходимо отключиться от Интернета, так как, несмотря на другие IP-адреса в сети Интернет, желательно просто уйти от возможного фактора с дополнительным соединением, чтобы использовать исключительно беспроводную сеть, организованную BS Albentia Systems. При заданной максимальной скорости 34816 Кб/с для 16-QAM модуляции получим следующие параметры системы, показанные ниже. Значение RSSI мало по той причине, что антенны располагаются под углом 90 градусов относительно друг друга на расстоянии около 3 м.

Рисунок 2.5 – Параметры соединения в системе Albentia Systems

На рис. 2.6 приведены данные о скорости передачи музыкального файла при использовании, соответственно, сверху вниз: 64QAM ¾, 16QAM ¾, QPSK, BPSK. Таким образом, зафиксирован максимум 155.11 кБ/c, что соответствует значению 1.24 Мб/c. Данная скорость, может быть обусловлена необходимостью других сетевых настроек, так как видно, что для файла размером в несколько Мб при относительно хорошем значении параметра CINR скорость мало отличается для разных видов модуляций. При заданной полосе и выбранном виде модуляции можно сделать вывод, что используется та скорость, которой достаточно для передачи того или иного конкретного файла.

Рисунок 2.6 – Измерение скорости связи

В таблице 2.3 представлены основные параметры системы связи Albentia Systems.

Таблица 2.3 – Параметры системы Albentia systems

Рассмотрим рисунок 2.5. Видим, что при лимите мощности -5 dBm на приемнике и передатчике, в действительности получаем мощности около -67 дБм для центральной частоты 5500 МГц и около -57 дБм для центральной частоты 5000 МГц.

Однако если в стандарте WiMAX предполагается использование, например, 512 поднесущих частот, то в данной коммерческой системе связи имеется только вариант с 256 поднесущими частотами, где 8 из них – пилот-сигналы, 196 – информационные, а 52 – нулевые. Этот параметр определен в микрочипе, который внедряет компания Albentia Systems в своих разработках, и не может быть изменен, что накладывает определенные ограничения. Эта система связи – закрытый коммерческий продукт, и применение его в экспериментах ограничено, о чем заявляют сами производители Albentia во время обращения по электронной почте.

На рис. 2.7 приведены натурные условия, в которых произведены замеры характеристик Albentia Systems при конкретных условиях. Уровни излучения BS и SU выставлены эквивалентными – по +23 дБ. Использована BPSK модуляция, чтобы оценить, какой дальностью действия может обладать система Albentia Systems в реальных условиях. База BS установлена на высоте 20 м относительно уровня земли. Высота самой высокой крыши CASEM – 22 м. Выбрана длина циклического префикса ¼ от длины фрейма. Эксперимент производится на частоте 5450 МГц, что в эфире на данное время является свободной частотой. Это было найдено с помощью встроенной функции анализа спектра в интерфейсе SU Albentia Systems, приведенного ранее.

В зону излучения антенны BS попадает библиотека университета Кадиса, бетонное здание, связь на обратной стороне которого, предположительно, невозможна. За библиотекой также находится исследовательский корпус и лаборатория морских телекоммуникаций. Однако это единственная преграда, так как с крыши CASEM наиболее удаленная точка SU-4, например, расположена в зоне прямо видимости, и находится на расстоянии 940 метров.

Дальше учебно-исследовательских корпусов находится лесной массив, высота которого визуально не превышает, однако, высоты, на которой размещена BS. Применяются всенаправленные антенны с коэффициентом усиления 12 dBi. Расстояния не превышают 1 км, и в данных условиях должна быть хотя бы выборочная связь, согласно параметрам по дальности, заявленным в стандарте WiMAX. Самое большое расстояние, используемое в данном эксперименте – 940 м. Вопрос состоит в том, возможна ли связь при таких относительно толерантных условиях, простом виде модуляции, длинном CP.

Рисунок 2.7 – Карта для измерения параметров связи оборудования Albentia Systems в натуральных условиях

Блок SU находился в автомобиле, тогда как антенна выносится в ходе эксперимента на расстояние 2 м от автомобиля, то есть она ставится около него. Затем аналогичный эксперимент был проведен, не выходя из автомобиля, антенна при этом вынесена из окна автомобиля. Соблюдается поляризация антенн, то есть антенны, как BS, так и SU, стоят вертикально. В результате эксперимента, получены данные, представленные в таблице 2.4. На расстоянии выше 130 м, как и предполагалось, сигнал резко пропадает, связь с BS прекращается. Все расстояния получены в программе Google Earth.

Таблица 2.4 – Параметры связи в условиях реальных измерений

Однако уже на точке SU-3 SU начинает устанавливать соединение с BS. При этом соотношение CINR наблюдается на уровне 1 дБ. Но затем связь пропадает вплоть до точки SU. И в точке SU-4 сигнал не принимается. Следовательно, канал, в окрестности годора Рио Сан Педро, которая показана на рис. 2.7, требует применения множества ретрансляторов для получения канала связи. Сигнал проходит через лесной массив в точку SU-3, однако этой мощности уже недостаточно, чтобы дойти до точки SU-4. И морская среда вносит здесь свои поправки, в результате чего очевидна необходимость повышения помехоустойчивости систем связи для решения подобных задач.

В системе связи необходимо также устанавливать правильные параметры связи. На рисунках 2.8 и 2.9 приведены настройки параметров соты системы Albentia systems.

Рисунок 2.8 – Параметры соты системы WiMAX

Можно задать максимальное время инициализации соединения BS с SU, настроить частоту квантования сигналов, максимальное число запросов, что важно при наличии большого уровня замираний. Можно изменить число запросов на изменения положения поднесущих частот в спектре сигнала (по умолчанию 16). При данных на рис. 2.8 и 2.9 параметрах проведен вышеописанный эксперимент.

А

Б

Рисунок 2.9 – Настройки параметров соты системы Albentia Systems Wimax, А – настройки периодичных запросов, Б – Настройки сети и правил подключения базовых станций