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

Исследованию технологии пространственного мультиплексирования путем передачи на сингулярных векторах посвящены работыФлаксмана А.Г., Ермолаева В.Т., Маврычева Е. А. из Нижнего Новгорода. Описание алгоритмов выбора прекодирующих матриц приведено в книге БакулинаМ.Г., Варукиной Л.А., Крейнделина В.Б.: «Технология MIMO: принципы и алгоритмы».Существует упрощенный метод пространственного мультиплексированияпутем смешения сигналов в канале связи без использования прекодирования –BLAST (Bell Labs layered space-time). При этом регулярное разделение здесьневозможно, так как передача ведется не на ортогональных векторах. То какразличные 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, нопри этом существующий алгоритм адаптации определяет, сколько ортогональных каналов использовать и с какой мощностью – некоторые вообще могутбыть 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 передачипо напряжению в лучшем канале передачи отличается от самого плохого.

Используя число обусловленности, можно оценить насколько реализация радиоканала в виде канальной матрицы H подходит для пространственного мультиплексирования N потоков.8Если в системе предусмотрена низкоскоростная обратная связь, способная передавать малое число информационных бит, то возможна адаптация числа передаваемых потоков к каналу связи при пространственном мультиплексировании BLAST. Например, в стандарте связи LTE предусмотрен режим работыпространственного мультиплексирования TM3 в нисходящем канале связи, свозможностью выбора числа каналов для мультиплексирования. Базовая станция использует передаваемый абонентским устройством индикатор ранга (RankIndicator), который вычисляется с учетом реализации канальной матрицы H.Существующие алгоритмы адаптации направлены на максимизацию теоретической пропускной способности системы связи с пространственным мультиплексированием, при этом они напрямую не связаны с вероятностью ошибки на бит.Разработка алгоритма адаптации, связанного с требованием к вероятностиошибки на бит, представляется актуальной задачей, решение которой позволитрасширить рабочий диапазон отношений сигнал/шум систем связи с адаптивным пространственным мультиплексированием BLAST.

Иная задача возникает,когда одинаковая скорость передачи данных может быть достигнута несколькими режимами работы MIMO. Адаптация состоит в выборе такого режима работы, который обеспечил бы максимальную помехоустойчивость для конкретной реализации радиоканала. Переключение может быть осуществлено междучислом каналов пространственного мультиплексирования, а также между пространственным мультиплексированием BLAST и пространственно-временнымблочным кодированием с целью повышения помехоустойчивости.

Оптимальные схемы переключения характеризуются высокой вычислительной сложностью, поэтому поиск упрощенных решений является актуальной задачей. Исследованиям алгоритмов адаптации режимов работы MIMO посвящены работыR.W. Heath из университета штата Техас, США.Проблема адаптации пространственного мультиплексирования к радиоканалу может рассматриваться не только с точки зрения мультиплексированияпотоков от одной передающей станции, но и от нескольких параллельно.

MUMIMO (multiuser MIMO) – это многопользовательский режим пространственно9го мультиплексирования, позволяющий реализовать множественный доступ.Положения, связанные с влиянием радиоканала на помехоустойчивость пространственного мультиплексирования, актуальны и здесь. В MU-MIMO существует возможность формирования канальных матриц H при группировке Nпользователей для совместного пространственного мультиплексирования извсех имеющихся в системе NП пользователей (N<NП).

Стоит задача выборагрупп пользователей, в которых взаимовлияние мультиплексируемых пользователей было бы минимальным. Такая группировка рассматривается как способадаптации группового пространственного мультиплексирования к канальнымусловиям. Актуальной представляется задача поиска новых алгоритмов группировки пользователей в MU-MIMO, которые позволили бы повысить помехоустойчивость передачи данных или упростить реализацию.Цель настоящей работыЦелью данной работы является исследование и разработка алгоритмовадаптации пространственного мультиплексирования к радиоканалу, которыепозволяют 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 эффективность различных способов пространственного мультиплексирования;4. Исследование существующих алгоритмов адаптации MIMO к радиоканалу,выявление недостатков и разработка новых методов;105.

Исследование алгоритмов группировки пользователей в системе пространственного мультиплексирования MU-MIMO как способа адаптации к каналурадиосвязи и разработка нового метода.Методы научного исследованияОсновные результаты работы были получены на основе применения имитационного компьютерного моделирования; статистической радиотехники;теории цифровой связи; теории вероятностей; теории связи с подвижными объектами; теории информации; теории матриц; математической статистики и статистического моделирования.Научная новизна работыНаучная новизна работы состоит в следующем:1.

Предложен упрощенный алгоритм переключения между пространственновременным блочным кодированием и пространственным мультиплексированием на основе числа обусловленности канальной матрицы, обладающийпомехоустойчивостью оптимального метода, 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 системахMIMO с низкоскоростной обратной связью;3. Предложен пороговый алгоритм адаптации числа пространственно мультиплексируемых потоков на основе минимального сингулярного числа канальной матрицы для оптимизации спектральной эффективности в системахMIMO с низкоскоростной обратной связью при условии не превышения заданного уровня вероятности ошибки на бит;4.

Предложен способ группировки пользователей в системе MU-MIMO на основе минимизации нормированных чисел обусловленности формируемыхканальных матриц, который является наиболее помехоустойчивым в рядесценариев и обладает лучшим быстродействием в случае двух мультиплексируемых пользователей в сравнении с ранее известными алгоритмами;115. Предложен метод комбинированной демодуляции на основе первичногорешения релаксированной задачи поиска максимального правдоподобия иего дальнейшего уточнения путем сферического декодирования. Алгоритм,на основе предложенного метода, обладает лучшей помехоустойчивостьюпри ограниченном времени обработки сообщения (ограниченной вычислительной сложности) в сравнении с ранее известными алгоритмами приусловии 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 может применяться для дальнейших исследований в области многоантенных систем;2. Разработаны упрощенные алгоритмы адаптивной работы MIMO в различных режимах и конфигурациях, которые могут быть использованы при разработке телекоммуникационного оборудования для сетей беспроводногодоступа;3. Предложенный способ группировки пользователей в системе MU-MIMOможет применяться для достижения помехоустойчивости, превосходящейпомехоустойчивость существующих решений в ряде сценариев, а также прилучшем быстродействии в случае двух мультиплексируемых пользователей;4.

Предложенный метод комбинированного приема MIMO, основанный начисленных методах выпуклой оптимизации, полуопределенного программирования и сферического декодирования, может быть эффективно применен в системах связи с использованием MIMO высоких порядков (MassiveMIMO) для достижения помехоустойчивости метода максимального правдоподобия при меньшей сложности или для улучшения помехоустойчивости в условиях ограниченной сложности приемника.12Внедрение результатов работыРезультаты исследований MIMO в рамках данной диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры радиотехнических систем (РТС) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский технический университет 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 адаптацииMIMO и методов группировки пользователей в системе MU-MIMO были использованы при разработке базовой станции системы беспроводной связиLTE/LTE-A компанией «NokiaSiemensNetworks» (в настоящее время «Nokia»),что подтверждено соответствующим актом о внедрении (Приложение 2).Апробация диссертацииОсновные результаты диссертационной работы обсуждались и получиливысокую оценку на следующих научных конференциях: научно-техническаяконференция «Цифровые технологии радиосвязи и телерадиовещания» 27 апреля – 29 апреля 2010 года в рамках молодежного форума «Телекоммуникациии Информационные технологии», г.