Автореферат (Исследование и разработка алгоритмов адаптации пространственного мультиплексирования к канальным условиям в системах беспроводного доступа)

На правах рукописиМухин Илья АлександровичИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АДАПТАЦИИПРОСТРАНСТВЕННОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯК КАНАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ В СИСТЕМАХБЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПАСпециальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникацийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМОСКВА – 2016Работа выполнена на кафедре «Радиотехнические системы» ордена Трудового КрасногоЗнамени федерального государственного бюджетного образовательного учреждениявысшего образования «Московский технический университет связи и информатики»(МТУСИ)Научный руководитель:д.т.н.

профессор Немировский Михаил СеменовичОфициальные оппоненты:д.т.н. профессор Паршин Юрий Николаевич, заведующийкафедрой «Радиотехнические устройства» федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования«Рязанскийгосударственный радиотехнический университет», г. Рязаньк.т.н.

доцент Маврычев Евгений Александрович, доценткафедры «Информационные радиосистемы» федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования«Нижегородскийгосударственный технический университет им. Р.Е.Алексеева», г. Нижний НовгородВедущая организация:Федеральное государственное автономное образовательноеучреждениевысшегообразования«НациональныйисследовательскийНижегородскийгосударственныйуниверситет им. Н.И. Лобачевского», г. Нижний НовгородЗащита состоится 30 сентября 2016 г. в 15.00 на заседании диссертационного советаД212.131.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждениивысшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА) по адресу:119454, г.

Москва, Проспект Вернадского, д. 78, аудитория Д-117.СдиссертациейможноознакомитьсявбиблиотекеМИРЭАинаhttps://www.mirea.ru/upload/medialibrary/888/dissertatsiya-mukhin-2016.pdf.Автореферат разослан «__» __________ 2016 г.Учёный секретарь диссертационногосовета к.т.н., доц.Стариковский А. И.2сайтеОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫПостановка проблемы и её актуальностьMIMO (multiple input multiple output) – это система беспроводного доступа, имеющаянесколько передающих и несколько приемных антенн. Тематика исследований, связанных стеоретическими и практическими аспектами использования MIMO, стала особенно актуальна в последнее десятилетие и остается таковой на сегодняшний день. Основным мотивомувеличивающегося интереса к этому направлению является постоянный рост требований кобеспечению более высоких скоростей передачи сообщений и повышению помехоустойчивости приема, что обуславливает необходимость разработки новых технологий.

На основеMIMO может быть реализован целый ряд технологий (пространственное мультиплексирование, прекодирование и формирование луча, пространственное кодирование, множественныйдоступ на основе пространственного разделения), способных повысить энергетическую испектральную эффективность систем связи. Именно поэтому MIMO рассматривается какодна из основ систем беспроводного доступа пятого поколения 5G.MIMO позволяет при передаче сообщений по многолучевым каналам связи осуществить их уплотнение за счет разделения лучей, приходящих в место приема. При ее применении появляется возможность передавать сигналы в заданной полосе частот с большей скоростью, нежели это возможно в традиционных системах.

Кроме того, возможно повышениепомехоустойчивости приема сообщений за счет применения нескольких приемных антенн,что хорошо известно практически с истоков радиотехники. MIMO система из NПРДА передающих антенн и NПРМА приемных антенн описывается канальной матрицей H. Выполняя сингулярное разложение (SVD – singular value decomposition) матрицы H, можно найти её сингулярные вектора и числа, которые им соответствуют. Имея в виду прекодирование передаваемых сигналов с помощью сингулярных векторов канальной матрицы, возможно созданиенескольких ортогональных каналов. Стоит заметить, что мощность по каналам может бытьраспределена оптимальным образом для достижения максимальной пропускной способности.

Трудность заключается в том, что необходимо знание матрицы сингулярных векторов,полученной из оцененной канальной матрицы H, на передающей стороне. Для этого необходимо передавать достаточно большой объем информации по каналу обратной связи, приэтом канальная матрица должна соответствовать текущему состоянию радиоканала, чтотрудно реализуемо для высокомобильных абонентов. Исследованию технологии пространственного мультиплексирования путем передачи на сингулярных векторах посвящены работы Флаксмана А.Г., Ермолаева В.Т., Маврычева Е. А. из Нижнего Новгорода. Описание алгоритмов выбора прекодирующих матриц приведено в книге Бакулина М.Г., ВарукинойЛ.А., Крейнделина В.Б.: «Технология MIMO: принципы и алгоритмы».3Существует упрощенный метод пространственного мультиплексирования путем смешения сигналов в канале связи без использования прекодирования – BLAST (Bell Labs layered space-time).

При этом регулярное разделение здесь невозможно, так как передача ведется не на ортогональных векторах. То как различные сигналы, передаваемые параллельно,интерферируют друг с другом, зависит от канальной матрицы H. Рабочий диапазон отношения сигнал/шум, когда все параллельные каналы передачи при BLAST могут работать с заданной вероятностью ошибки, зависит от радиоканала. Межканальная интерференция возможна и при уплотнении с помощью сингулярного разложения, но при этом существующийалгоритм адаптации определяет, сколько ортогональных каналов использовать и с какоймощностью – некоторые вообще могут быть выключены в виду их сингулярных чисел близких к нулю. Последнее случается при большой обусловленности канальной матрицы H.

Число обусловленности канальной матрицы отражает во сколько раз коэффициент передачи понапряжению в лучшем канале передачи отличается от самого плохого. Используя число обусловленности, можно оценить насколько реализация радиоканала в виде канальной матрицыH подходит для пространственного мультиплексирования N потоков.Если в системе предусмотрена низкоскоростная обратная связь, способная передаватьмалое число информационных бит, то возможна адаптация числа передаваемых потоков кканалу связи при пространственном мультиплексировании BLAST.

Например, в стандартесвязи LTE предусмотрен режим работы пространственного мультиплексирования TM3 внисходящем канале связи, с возможностью выбора числа каналов для мультиплексирования.Базовая станция использует передаваемый абонентским устройством индикатор ранга (RankIndicator), который вычисляется с учетом реализации канальной матрицы H. Существующиеалгоритмы адаптации направлены на максимизацию теоретической пропускной способностисистемы связи с пространственным мультиплексированием, при этом они напрямую не связаны с вероятностью ошибки на бит.

Разработка алгоритма адаптации, связанного с требованием к вероятности ошибки на бит, представляется актуальной задачей, решение которойпозволит расширить рабочий диапазон отношений сигнал/шум систем связи с адаптивнымпространственным мультиплексированием BLAST. Иная задача возникает, когда одинаковаяскорость передачи данных может быть достигнута несколькими режимами работы MIMO.Адаптация состоит в выборе такого режима работы, который обеспечил бы максимальнуюпомехоустойчивость для конкретной реализации радиоканала.

Переключение может бытьосуществлено между числом каналов пространственного мультиплексирования, а такжемежду пространственным мультиплексированием BLAST и пространственно-временнымблочным кодированием с целью повышения помехоустойчивости. Оптимальные схемы переключения характеризуются высокой вычислительной сложностью, поэтому поиск упро-4щенных решений является актуальной задачей. Исследованиям алгоритмов адаптации режимов работы MIMO посвящены работы R.W. Heath из университета штата Техас, США.Проблема адаптации пространственного мультиплексирования к радиоканалу можетрассматриваться не только с точки зрения мультиплексирования потоков от одной передающей станции, но и от нескольких параллельно.

MU-MIMO (multiuser MIMO) – это многопользовательский режим пространственного мультиплексирования, позволяющий реализовать множественный доступ. Положения, связанные с влиянием радиоканала на помехоустойчивость пространственного мультиплексирования, актуальны и здесь.

В MU-MIMOсуществует возможность формирования канальных матриц H при группировке N пользователей для совместного пространственного мультиплексирования из всех имеющихся в системе NП пользователей (N<NП). Стоит задача выбора групп пользователей, в которых взаимовлияние мультиплексируемых пользователей было бы минимальным. Такая группировкарассматривается как способ адаптации группового пространственного мультиплексированияк канальным условиям. Актуальной представляется задача поиска новых алгоритмов группировки пользователей в MU-MIMO, которые позволили бы повысить помехоустойчивостьпередачи данных или упростить реализацию.Цель настоящей работыЦелью данной работы является исследование и разработка алгоритмов адаптациипространственного мультиплексирования к радиоканалу, которые позволяют повысить спектральную эффективность системы связи и/или улучшить помехоустойчивость.Решаемые задачиДля достижения цели в настоящей работе необходимо было решить следующие теоретические и прикладные задачи:1.

Исследование существующих методов передачи и приема в MIMO системах;2. Разработка имитационной модели MIMO системы (передатчик, приемник, радиоканал);3. Исследование влияния радиоканала на энергетическую и спектральную эффективностьразличных способов пространственного мультиплексирования;4. Исследование существующих алгоритмов адаптации MIMO к радиоканалу, выявлениенедостатков и разработка новых методов;5. Исследование алгоритмов группировки пользователей в системе пространственногомультиплексирования MU-MIMO как способа адаптации к каналу радиосвязи и разработка нового метода.Методы научного исследованияОсновные результаты работы были получены на основе применения имитационногокомпьютерного моделирования; статистической радиотехники; теории цифровой связи; тео-5рии вероятностей; теории связи с подвижными объектами; теории информации; теории матриц; математической статистики и статистического моделирования.Научная новизна работыНаучная новизна работы состоит в следующем:1.