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

СОДЕРЖАНИЕСПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ..................................................................... 5ВВЕДЕНИЕ................................................................................................. 7Состояние вопроса, постановка проблемы и её актуальность .......... 7Цель настоящей работы ....................................................................... 10Решаемые задачи .................................................................................. 10Методы научного исследования ......................................................... 11Научная новизна работы ..................................................................... 11Практическая ценность результатов диссертации ...........................

12Внедрение результатов работы........................................................... 13Апробация диссертации ...................................................................... 13Публикации........................................................................................... 14Основные положения, выносимые на защиту .................................. 14Личный вклад автора ........................................................................... 15Объем диссертации .............................................................................. 151.ПРОСТРАНСТВО КАК РЕСУРС ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ИМНОГОКАНАЛЬНОГО ДОСТУПА ..................................................

161.1Обзор современного состояния исследуемой области .......... 161.2 Технология уплотнения по трассам через сингулярноеразложение ............................................................................................ 191.3 ТехнологияпространственногомультиплексированияBLAST ................................................................................................... 271.3.1 Характеристики канальных матриц и их влияние наэнергетическуюэффективностьпространственногомультиплексирования .....................................................................

342.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И СПЕКТРАЛЬНОЙЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГОМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ КАНАЛЬНЫХУСЛОВИЯХ ............................................................................................. 442.1Постановка задачи .....................................................................

4422.2 Методыдемодуляциипространственногомультиплексирования .......................................................................... 472.3Комбинированный сферический декодер ............................... 542.4Исследование гипотетических случаев ................................... 612.5Описание модели многолучевого канала ................................ 662.6Классификация каналов ............................................................ 722.7Результаты имитационного моделирования ........................... 782.8Оценка спектральной эффективности ПМ.............................. 852.9Выводы........................................................................................ 873.ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВАДАПТАЦИИ MIMO-СИСТЕМ К КАНАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ893.1Постановка задачи адаптивной работы MIMO-системы.......

893.2Адаптация режима работы MIMO между ПМ и ПВБК ......... 903.2.1 Постановка задачи ................................................................ 903.2.2 Обзор адаптационных схем ................................................. 913.2.3 Алгоритм переключения на основе обусловленностиканальной матрицы ......................................................................... 973.2.4 Результаты моделирования ..................................................

993.3 Адаптациячислаканаловпространственногомультиплексирования с требуемой вероятностью битовых ошибок1033.3.1 Алгоритм на основе минимального сингулярного числаканальной матрицы ....................................................................... 1033.3.2 Результаты имитационного моделирования .................... 1083.4Выводы...................................................................................... 1134.АЛГОРИТМ ГРУППИРОВКИ ПРОСТРАНСТВЕННОМУЛЬТИПЛЕКСИРУЕМЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ MUMIMO .......................................................................................................

1154.1 MU-MIMOкакразновидностьпространственногомультиплексирования ........................................................................ 1154.2 Группировка пользователей как способ адаптации кканальным условиям .......................................................................... 11734.3Обзор схем группировки пользователей ............................... 1184.4 Группировкапользователейнаосновеминимуманормированного числа обусловленности ........................................ 1204.5 Результаты моделирования и сравнительные характеристикирассмотренных алгоритмов............................................................... 1224.6Выводы......................................................................................

129ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................... 130СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................... 133ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВДИССЕРАТЦИОННОЙ РАБОТЫ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ФГОБУВПО МТУСИ..........................................................................................

144ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВДИССЕРАТЦИОННОЙ РАБОТЫ В ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ООО «НокиаСименс Нетворкс» ................................................................................. 1454СПИСОК СОКРАЩЕНИЙАБГШ – аддитивный белый гауссов шумАМПС – алгоритм максимума пропускной способностиАПОР – алгоритм полуопределенной релаксацииАРК – алгоритм релаксации на «коробке»ББ – брутто битВМ – вырожденная матрицаДУПС – достижимая удельная пропускная способностьИП – итерационный приемникКАМ – квадратурная амплитудная модуляцияКМ – канальная матрицаКП – комбинированный приемникМП – максимальное правдоподобиеМСИ – межсимвольные искаженияМСКО – минимум среднеквадратичной ошибкиОбА – алгоритм группировки, основанный на минимуме числа обусловленности формируемых канальных матрицОртС – ортогональные сигналыОртА – алгоритм группировки, основанный на максимизации ортогональностимежду пользователямиОС – обратная связьОСШ – отношение сигнал/шумПВМ – предвырожденная матрицаПВБК – пространственно-временное блочное кодированиеПМ – пространственное мультиплексированиеПМСР – пространственное мультиплексирование с сингулярным разложениемПРДА – передающая антеннаПРМА – приемная антеннаРРВ – распространение радиоволн5СЛАУ – система линейных алгебраических уравненийСлА – случайный алгоритм группировкиСлК – случайный каналСтМ – стандартизованная модельСП – сферический приемникКМОЗ – канальные матрицы с отсутствием замиранийКМУЗ – канальные матрицы с учетом замиранийФМ – фазовая модуляцияЧО – число обусловленностиЭП – элементарная посылка3GPP – 3rd Generation Partnership ProjectBLAST –Bell Labs Layered Space-TimeCN – Condition NumberIEEE – Institute of Electrical and Electronics EngineersITU – International Telecommunication UnionLTE – Long Term EvolutionMIMO – Multiple Input Multiple OutputMISO – Multiple Input Single OutputMMSE – minimum mean square errorMRC – Maximum Ratio CombiningMU-MIMO – Multiuser MIMORI – rank indicatorSIC – Serial Interference CancellationSIMO – Single Input - Multiple OutputSISO – Single Input - Single OutputSM – Spatial MultiplexingSVD – Singular Value DecompositionWIMAX – Worldwide Interoperability for Microwave AccessZF – Zero Forcing6ВВЕДЕНИЕСостояние вопроса, постановка проблемы и её актуальностьMIMO (multiple input multiple output) – это система беспроводного доступа, имеющая несколько передающих и несколько приемных антенн.

Тематикаисследований, связанных с теоретическими и практическими аспектами использования MIMO, стала особенно актуальна в последнее десятилетие и остается таковой на сегодняшний день. Основным мотивом увеличивающегося интереса к этому направлению является постоянный рост требований к обеспечению более высоких скоростей передачи сообщений и повышению помехоустойчивости приема, что обуславливает необходимость разработки новых технологий. На основе MIMO может быть реализован целый ряд технологий (пространственное мультиплексирование, прекодирование и формирование луча,пространственное кодирование, множественный доступ на основе пространственного разделения), способных повысить энергетическую и спектральнуюэффективность систем связи.

Именно поэтому MIMO рассматривается как однаиз 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 местоприема. При ее применении появляется возможность передавать сигналы в заданной полосе частот с большей скоростью, нежели это возможно в традиционных системах. Кроме того, возможно повышение помехоустойчивости приема сообщений за счет применения нескольких приемных антенн, что хорошоизвестно 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 сингулярныхвекторов канальной матрицы, возможно создание нескольких ортогональныхканалов. Стоит заметить, что мощность по каналам может быть распределена7оптимальным образом для достижения максимальной пропускной способности.Трудность заключается в том, что необходимо знание матрицы сингулярныхвекторов, полученной из оцененной канальной матрицы H, на передающей стороне. Для этого необходимо передавать достаточно большой объем информации по каналу обратной связи, при этом канальная матрица должна соответствовать текущему состоянию радиоканала, что трудно реализуемо для высокомобильных абонентов.