Автореферат (Исследование и разработка алгоритмов адаптации пространственного мультиплексирования к канальным условиям в системах беспроводного доступа), страница 2

Предложен упрощенный алгоритм переключения между пространственно-временнымблочным кодированием и пространственным мультиплексированием на основе числаобусловленности канальной матрицы, обладающий помехоустойчивостью оптимальногометода, в системах MIMO с низкоскоростной обратной связью;2. Предложен упрощенный алгоритм адаптации числа пространственно мультиплексируемых потоков на основе числа обусловленности канальной матрицы, обладающий помехоустойчивостью оптимального метода, в системах MIMO с низкоскоростной обратнойсвязью;3. Предложен пороговый алгоритм адаптации числа пространственно мультиплексируемыхпотоков на основе минимального сингулярного числа канальной матрицы для оптимизации спектральной эффективности в системах MIMO с низкоскоростной обратной связьюпри условии не превышения заданного уровня вероятности ошибки на бит;4. Предложен способ группировки пользователей в системе MU-MIMO на основе минимизации нормированных чисел обусловленности формируемых канальных матриц, который является наиболее помехоустойчивым в ряде сценариев и обладает лучшим быстродействием в случае двух мультиплексируемых пользователей в сравнении с ранее известными алгоритмами;5.

Предложен метод комбинированной демодуляции на основе первичного решения релаксированной задачи поиска максимального правдоподобия и его дальнейшего уточненияпутем сферического декодирования. Алгоритм, на основе предложенного метода, обладает лучшей помехоустойчивостью при ограниченном времени обработки сообщения(ограниченной вычислительной сложности) в сравнении с ранее известными алгоритмами при условии большого числа пространственно мультиплексируемых потоков (Massive MIMO) и/или модуляции большой кратности (КАМ-256 и выше).Практическая ценность результатов диссертацииПрактическая ценность диссертации состоит в следующем:1. Разработан алгоритм имитационного моделирования системы MIMO, который можетприменяться для дальнейших исследований в области многоантенных систем;2.

Разработаны упрощенные алгоритмы адаптивной работы MIMO в различных режимах иконфигурациях, которые могут быть использованы при разработке телекоммуникационного оборудования для сетей беспроводного доступа;63. Предложенный способ группировки пользователей в системе MU-MIMO может применяться для достижения помехоустойчивости, превосходящей помехоустойчивость существующих решений в ряде сценариев, а также при лучшем быстродействии в случае двухмультиплексируемых пользователей;4. Предложенный метод комбинированного приема MIMO, основанный на численных методах выпуклой оптимизации, полуопределенного программирования и сферическогодекодирования, может быть эффективно применен в системах связи с использованиемMIMO высоких порядков (Massive MIMO) для достижения помехоустойчивости методамаксимального правдоподобия при меньшей сложности или для улучшения помехоустойчивости в условиях ограниченной сложности приемника.Внедрение результатов работыРезультаты исследований MIMO в рамках данной диссертационной работы внедреныв учебный процесс кафедры радиотехнических систем (РТС) федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский техническийуниверситет связи и информатики» (МТУСИ) в виде трех лабораторных работ, что подтверждено соответствующим актом о внедрении (Приложение 1).Результаты диссертационной работы по части разработки методов демодуляции, исследований помехоустойчивости пространственного мультиплексирования в реальных радиоканалах, усовершенствования алгоритмов адаптации MIMO и методов группировкипользователей в системе MU-MIMO были использованы при разработке базовой станциисистемы беспроводной связи LTE/LTE-A компанией «NokiaSiemensNetworks» (в настоящеевремя «Nokia»), что подтверждено соответствующим актом о внедрении (Приложение 2).Апробация диссертацииОсновные результаты диссертационной работы обсуждались и получили высокуюоценку на следующих научных конференциях: научно-техническая конференция «Цифровыетехнологии радиосвязи и телерадиовещания» 27 апреля – 29 апреля 2010 года в рамках молодежного форума «Телекоммуникации и Информационные технологии», г.

Москва, Московский Технический Университет Связи и Информатики; 6-ая отраслевая научная конференция «Технологии информационного общества» 14 февраля – 15 февраля 2012 года, г.Москва, Московский Технический Университет Связи и Информатики; 5-й международныйфорум информационных технологий «ITFORUM 2020» 18 апреля – 20 апреля 2012 года, г.Нижний Новгород; Международная научно-техническая конференция «Фундаментальныепроблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2012» 3 декабря – 7 декабря2012 года, г. Москва, Московский Государственный Технический Университет Радиотехники, Электроники и Автоматики (доклад получил высокую оценку жюри и был отмечен ди-7пломом данной конференции); 20-21 февраля 2014 года, 8-ая международная отраслеваянаучная конференция «Технологии информационного общества», г.

Москва, МосковскийТехнический Университет Связи и Информатики; Международная научно-техническая конференция«ФундаментальныепроблемырадиоэлектронногоприборостроенияINTERMATIC-2014» 1 декабря – 5 декабря 2014 года, г. Москва, Московский Государственный Технический Университет Радиотехники, Электроники и Автоматики.ПубликацииОсновные положения диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научнотехнических журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России (4 работы), в материалах международных и отраслевых конференций (6 работ). Опубликованы лабораторныеработы для кафедры радиотехнических систем (РТС) МТУСИ по тематике диссертационныхисследований (3 работы).

Всего опубликовано 13 работ.Основные положения, выносимые на защиту1. Предложенный новый упрощенный алгоритм переключения между пространственновременным блочным кодированием и пространственным мультиплексированием на основе оценки числа обусловленности канальной матрицы в системах MIMO с низкоскоростной обратной связью, обладающий помехоустойчивостью оптимального метода,обеспечивает выигрыш до 1 дБ по уровню 1% вероятности ошибки на бит в сравнении ссуществующими упрощенными решениями;2. Предложенный новый упрощенный алгоритм адаптации числа пространственно мультиплексируемых потоков на основе оценки числа обусловленности канальной матрицы позволяет достичь помехоустойчивость оптимального метода в системах MIMO с низкоскоростной обратной связью;3.

Предложенный новый пороговый алгоритм адаптации числа пространственно мультиплексируемых потоков на основе минимального сингулярного числа канальной матрицыдля оптимизации спектральной эффективности в системах MIMO с низкоскоростной обратной связью позволяет связать алгоритм адаптации с требуемым уровнем вероятностиошибки на бит;4. Предложенный новый способ группировки пользователей в системе MU-MIMO на основеминимизации нормированных чисел обусловленности формируемых канальных матрицпозволяет добиться помехоустойчивости, превосходящей помехоустойчивость существующих решений в ряде сценариев с моделями реальных радиоканалов, при этом выигрыш составляет до 2 дБ по уровню вероятности ошибки на бит 10-1 при оптимальномприеме;85.

Предложенный новый метод приема пространственно мультиплексируемых сигналов наоснове первичного решения релаксированной задачи поиска максимального правдоподобия и его уточнения путем сферического декодирования обладает лучшей помехоустойчивостью при ограниченном времени обработки сообщения (выигрыш порядка 3 дБ поуровню 10-1 вероятности ошибки на бит, MIMO16x16 КАМ256) в сравнении с существующими методами при условии большого числа пространственно мультиплексируемыхпотоков и/или использования модуляции большой кратности.Личный вклад автораДиссертант принимал непосредственное участие, как в постановке задач, так и в расчетах, построении аналитических моделей, реализации компьютерного имитационного моделирования, обсуждениях и физической интерпретации результатов.Объем диссертацииДиссертация состоит из списка сокращений, введения, четырех глав, заключения исписка литературы, а также двух приложений.

Общий объем диссертации составляет 145страниц, включая 55 рисунков и 10 таблиц. Список литературы состоит из 115 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, кратко излагается содержание диссертации, а также приводятся основныеположения, выносимые на защиту.В первой главе дается хроника исследований и развития MIMO. Предыдущие исследования показывают, что наряду с частотным, временным и кодовым уплотнением, на основе MIMO-систем может быть реализовано пространственное.

В литературе оптимальнымрешением, позволяющим добиться максимальной пропускной способности, представляетсяпространственное мультиплексирование с использованием сингулярного разложения(ПМСР) канальной матрицы H. Передача ведется на сингулярных векторах, которые формируют ортонормированный базис, что позволяет реализовать мультиплексирование каналов.Однако, ПМСР обременен обратной связью (ОС), по которой необходимо передавать матрицу сингулярных векторов, используемую в качестве прекодинга. Известно также, что ПМСРчувствителен к ошибке оценки канальной матрицы, поэтому на малых отношениях сигнал/шум использование ПМСР не целесообразно.

Кроме того, при высокой мобильностиабонентской станции, прекодирующая матрица может не соответствовать текущему состоянию канала, что также приводит к деградации характеристик приема.Альтернативный к ПМСР подход – пространственное мультиплексирование VBLAST – это техника одновременной передачи разных потоков сигналов по одному радио-9каналу без обратной связи. Каждый сигнал передается со своего передатчика своей антенной(или набором антенн), при этом передающие антенны разнесены в пространстве для уменьшения корреляции между ними.