Диссертация (Исследование и разработка алгоритмов адаптации пространственного мультиплексирования к канальным условиям в системах беспроводного доступа), страница 3

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 международный форум информационных технологий «ITFORUM 2020» 18 апреля – 20апреля 2012 года, г. Нижний Новгород; Международная научно-техническаяконференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2012» 3 декабря – 7 декабря 2012 года, г. Москва, Московский Государственный Технический Университет Радиотехники, Электроникии Автоматики (доклад получил высокую оценку жюри и был отмечен дипломом данной конференции); 20-21 февраля 2014 года, 8-ая международная от13раслевая научная конференция «Технологии информационного общества», г.Москва, Московский Технический Университет Связи и Информатики; Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемырадиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2014» 1 декабря – 5 декабря 2014 года, г.

Москва, Московский Государственный Технический Университет Радиотехники, Электроники и Автоматики.ПубликацииОсновные положения диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах, входящих в Перечень ВАК МинобрнаукиРоссии (4 работы), в материалах международных и отраслевых конференций (6работ). Опубликованы лабораторные работы для кафедры радиотехническихсистем (РТС) МТУСИ по тематике диссертационных исследований (3 работы).Всего опубликовано 13 работ.Основные положения, выносимые на защиту1.

Предложенный новый упрощенный алгоритм переключения между пространственно-временным блочным кодированием и пространственныммультиплексированием на основе оценки числа обусловленности канальнойматрицы в системах MIMO с низкоскоростной обратной связью, обладающий помехоустойчивостью оптимального метода, обеспечивает выигрыш до1 дБ по уровню 1% вероятности ошибки на бит в сравнении с существующими 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 сингулярногочисла канальной матрицы для оптимизации спектральной эффективности всистемах MIMO с низкоскоростной обратной связью позволяет связать алгоритм адаптации с требуемым уровнем вероятности ошибки на бит;144.

Предложенный новый способ группировки пользователей в системе MUMIMO на основе минимизации нормированных чисел обусловленностиформируемых канальных матриц позволяет добиться помехоустойчивости,превосходящей помехоустойчивость существующих решений в ряде сценариев с моделями реальных радиоканалов, при этом выигрыш составляет до 2дБ по уровню вероятности ошибки на бит 10-1 при оптимальном приеме;5.

Предложенный новый метод приема пространственно мультиплексируемыхсигналов на основе первичного решения релаксированной задачи поискамаксимального правдоподобия и его уточнения путем сферического декодирования обладает лучшей помехоустойчивостью при ограниченном времениобработки сообщения (выигрыш порядка 3 дБ по уровню 10 -1 вероятностиошибки 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 и списка литературы, а также двух приложений. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 55 рисунков и 10 таблиц.

Список литературы состоит из 115 наименований.151. ПРОСТРАНСТВО КАК РЕСУРС ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ И МНОГОКАНАЛЬНОГО ДОСТУПА1.1 Обзор современного состояния исследуемой областиMIMO (multiple input multiple output) – это система беспроводного доступа, имеющая несколько передающих и несколько приемных антенн. СистемыMIMO заслужили столь пристальное внимание научной общественности на сегодняшний день, так как позволяют увеличить спектральную эффективностьпередачи данных по многолучевому каналу связи, приближая желаемые характеристики к требованиям для сетей пятого поколения 5G. Основой этого является наличие еще одного ресурса, наряду со временем, частотой и кодом, который позволяет реализовать уплотнение и многоканальную передачу – разделение по лучам, приходящим в область приема.Первые опубликованные работы, посвященные направлению многоканальной передачи с использованием MIMO, были сделаны А.Р.

Кэйем (A.R.Kaye) и Д.А. Джорджем (D.A. George) (1970) [27], Л.Х. Бранденбургом (L.H.Branderburg) и А.Д.Винером (A.D.Wyner) (1974) [28], В. ван Иттеном (W. vanEtten) (1975, 1976) [29], [30]. Первый патент на использование принципа многоантенной многоканальной передачи в радиосвязи был зарегистрирован в 1984году Дж. Винтерсом (Jack Winters) из лаборатории Бэлла (Bell Laboratories). Дж.Сальц (Jack Salz) из той же лаборатории опубликовал несколько статей по данной тематике в 1985 году [31].Концепция пространственного мультиплексирования с использованиеммногоантенной структуры была предложена А. Полраджем (ArogyaswamiPaulraj) и Т. Кайлатом (Thomas Kailath) в 1993 году.

В 1994 году ими был получен патент США (No. 5,345,599), в котором предлагается способ повышенияспектральной эффективности за счет разнесенных в пространстве передатчиков.16В 1996 Г. Рэли (Greg Raleigh) и Ж. Фошини (Gerard J. Foschini) усовершенствовали оригинальный подход к пространственному мультиплексированию, предложив размещать передающие антенны совместно. Именно Ж. Фошини в 1996 году разработал технологию BLAST (Bell Laboratories LayeredSpace-Time) – архитектуру системы связи, реализующую пространственноемультиплексирование с помощью многоантенной структуры [16]. Впервые прототип, реализующий технологию пространственного мультиплексирования,был продемонстрирован в лаборатории Бэлла в 1998 году.

В 2001 году IospanWireless Inc. разработали первую коммерческую систему, которая использовалаMIMO в режиме многоканальной передачи. Данная система поддерживала какразличные способы разнесения, так и пространственное мультиплексирование.В 2005 году Airgo Networks разработали заготовку стандарта IEEE 802.11n, основываясь на собственных патентах по MIMO. После этого в 2006 году несколько компаний, включая Intel, Marvell, Broadcom, показали свои решенияMIMO для стандарта 802.11n Wi-Fi.

Проблема повышения помехоустойчивостисистем MIMO изучалась с момента появления данного понятия. В 2000-х годахв зарубежных научных журналах стали появляться публикации, посвященныеадаптивным методам работы MIMO. В этой области существенный вклад внесли профессора Р.В. Хет [107] и А. Полрадж [97], [108]. В середине 2000-х годовнижегородские исследователи публиковали труды, посвященные многоканальной передаче MIMO, в которых в том числе рассматривались алгоритмы адаптивной работы при использовании сингулярного разложения и оптимизациимощности в создаваемых каналах (Е.В.

Ермолаева [23], [37]; А.Г. Флаксмана[23]; E.А. Маврычева [65]-[69]; А.А. Мальцева [38]-[41]; Р.О. Масленникова[37],[38]; А.В. Давыдова [39]-[41]). Анализ пропускной способности MIMOсистем с учетом взаимного влияния элементов приемной и передающей антенн,а также способы повышения спектральной эффективности MIMO-систем рассмотрены исследователями из Рязанского государственного технического университета [20], [21].

В последние годы различные режимы и вариации MIMOактивно внедряются в стандарт 3GPP LTE (Long Term Evolution) и поддержи17ваются абсолютным большинством производителей оборудования для телекоммуникационных сетей беспроводного доступа. Описание фундаментальныхоснов обработки сигналов в многоантенных системах приведено в книге Бакулина М.Г., Варукиной Л.А., Крейнделина В.Б.: «Технология MIMO: принципыи алгоритмы» [115].Исследования, направленные на оптимизацию работы многоканальногорежима MIMO, реализующего пространственное мультиплексирование, остаются актуальными и востребованными. Остановимся на описании текущего состояния данной области более подробно.

Многоканальная передача может бытьреализована на основе пространственного мультиплексирования, то есть возможность передавать больше информации в одном и том же частотновременном ресурсе. Существует несколько подходов к реализации данной технологии:· пространственное мультиплексирование через сингулярное разложение(ПМСР) канальной матрицы (КМ) – именно такой подход представляетсяоптимальным и позволяет добиться максимальной пропускной способностиза счет устранения взаимовлияния между параллельными каналами передачи, однако, требует обратную связь (ОС) существенного объема (необходимо передавать матрицу сингулярных векторов на передающую сторону);· пространственное мультиплексирование (ПМ) V-BLAST (vertical) – это технология многоканальной передачи по одному радиоканалу без обратнойсвязи.

Каждый сигнал передается со своего передатчика своей антенной(или набором антенн), при этом передающие антенны разнесены в пространстве. Передаваемые сигналы проходят через различные пути распространения, за счет чего появляется возможность разделить принятые сигналы, которые были пространственно мультиплексированы. ПреимуществомПМ V-BLAST перед ПМСР является отсутствие обратной связи. Однако,взаимовлияние параллельных каналов приводит к энергетическим потерями ухудшению помехоустойчивости.18· многопользовательский вариант реализации пространственного мультиплексирования – MU-MIMO (multiuser): различные пространственно мультиплексируемые потоки принадлежат разным абонентским станциям (АС).Рассмотрим систему связи с ортогональным частотным мультиплексированием, использующую Nпн = 600 поднесущих.