Автореферат (Идентификация и оценка параметров сигнала стандарта LTE)

На правах рукописиКАЗАЧКОВ Виталий ОлеговичИДЕНТИФИКАЦИЯ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА СТАНДАРТА LTE05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникацийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2015Работа выполнена на кафедре «Инфокоммуникации» Московского авиационного института(национального исследовательского университета).Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент кафедры 408Московского авиационного института(национального исследовательского университета)Важенин Николай АфанасьевичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, генеральный директор ООО«Научно-производственная фирма «САД-КОМ»Дворкович Александр Викторовичдоктор технических наук, главный специалистдепартамента радиотехнологий ОАО «Интеллект Телеком»Мартынов Владимир ИвановичВедущая организация:ОАО "Московский научно- исследовательскийинститут радиосвязи" (ОАО "МНИИРС")Защита диссертации состоится«21» апреля 2015 г.

в 10:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д.212.125.02 Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета) по адресу 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамскоешоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться на сайте mai.ru и в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «___»___________2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.212.125.02к.т.н, доцентПетраков А.М.2Общая характеристика работыАктуальность темы исследованияСовременному человеку трудно представить жизнь без средств сотовой связи, причемесли изначально этот вид связи использовался в основном для передачи голосовой информациии коротких сообщений, то в последние годы, как в целом в мире, так и в России, отмечаетсярезкий рост интернет трафика мобильных абонентовОдним из перспективных направлений развития систем мобильной связи являетсястандарт связи LTE (Long Term Evolution).

Стандарт разработан консорциумом 3GPP (3rdGeneration Partnership Project) и в первоначальном варианте был назван как релиз 8 (Release 8).За последние годы стандарт прошел несколько этапов своего развития, были выпущены болееновые релизы, и начиная с релиза 10 (Release 10) стандарт был официально признанМеждународным Союзом Электросвязи (МСЭ) технологией 4 поколения (4G - 4 generation),при этом начиная с 10 релиза стандарт получил название LTE-Advanced (LTE-A). Ключевымиособенностями стандарта стали возможность передачи данных на больших скоростях(целевыми значениями для системы является 1 Гбит/с для нисходящего направления передачи и500 Мбит/с для восходящего), система поддерживает работу с мобильными абонентами,передвигающимися на скорости до 350 км/ч, возможность масштабирования полосы сигнала(от 1.4 до 20 МГц), кроме того, начиная с 10 релиза, поддерживается агрегация до 5 несущих,что предоставляет возможность создания системы с полосой сигнала в 100 МГц и т.д.С точки зрения реализации систем мобильной связи перспективным направлениемсчитаются системы программно-определяемого радио (Software Defined Radio).

Такиеустройства обладают свойством поддержки работы с различными стандартами связи и вближайшем будущем должны будут обеспечить поддержку всех существующих стандартовсвязи и видов модуляции в одном устройстве. Также программируемая архитектура позволяетсоздавать системы когнитивного радио (Cognitive Radio). Когнитивное радио – это еще однатехнология, позволяющая добиться более рационального использования частотного ресурса.Система когнитивного радио сканирует частотный диапазон и находит частоты, на которыхвременно или постоянно никто не вещает и использует их для передачи сигнала. Такимобразом, разработка интеллектуальных устройств, к которым относятся описанные вышесистемы, это востребованное направление дальнейшего развития систем связи.

Однако, в такихсистемах возникает необходимость идентификации вида модуляции принимаемого сигнала ипостоянный анализ его основных характеристик, что делает данное направление исследованиявостребованным и актуальным.3Направления идентификации и определения параметров сигналов с ортогональнымчастотным мультиплексированием (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing)активно развивались в последние 20 лет (в основном за рубежом) и в настоящее времясуществует множество методов, предназначенных для решения задач идентификации иопределения параметров. Однако, аналогичные исследования стандарта LTE практически непроводились.

Ряд обобщенных для OFDM систем методов применим и к сигналу LTE, но учетособенностей сигнала позволит повысить точность методов идентификации сигнала и оценкиего параметров. Таким образом, в настоящее время задача идентификации LTE сигнала иопределения его параметров в полной мере не решена.Совместное использование алгоритмов идентификации и оценки параметров сигналастандарта LTE с процедурами, прописанными в стандарте, позволит модернизироватьсуществующие устройства и повысить их точность.Методы идентификации и оценкипараметров стандарта LTE позволят осуществлять внешний контроль за состоянием системы,её характеристиками и эффективностью использования выделенных ресурсов.В перспективе на основе методов по идентификации и оценке параметров возможнаразработка систем сотовой связи с меньшим количеством опорных и служебных сигналов, чтопозволит использовать освобожденные ресурсы для передачи информации от абонентов,повысить эффективность использования выделенных частотных ресурсов, а также повыситьскорость передачи данных.

Перечисленное выше подтверждает актуальность и высокуюперспективность разработки методов по идентификации и оценке параметров сигналастандарта LTE.Возможность решения задач идентификации и оценки параметров без использованияслужебной информации, а как следствие и без необходимой для этого процедуры регистрации всети, также позволяет применить разработанные методы как в гражданских целях: в пассивныхрадиоизмерительных системах, например, при решении задач радиомониторинга, так и ввоенных - в задачах радиоразведки.Цель работы и решаемые задачиЦелью работы является разработка и исследование математических моделей, методов иалгоритмов для идентификации и оценки параметров сигнала стандарта LTE на основеаприорной информации о структуре и характеристиках такого сигнала.

В соответствии суказанной целью в данной работе ставятся следующие задачи:1.Анализ существующих методов идентификации и оценки параметров.2.Разработка алгоритма автоматической идентификации для сигнала стандарта LTE.43.Разработка алгоритмов для оценки параметров сигнала стандарта LTE.4.Имитационное моделирование и исследование разработанных алгоритмов.Методы исследованияДля решения поставленных задач использовался аппарат математической статистики итеории вероятности, теории электрической связи, методы математического анализа, а такжеимитационное моделирование в среде MATLAB/Simulink.Научная новизна работы1.Разработан алгоритм автоматического распознавания LTE сигнала.2.Разработана методика определения полосы сигнала стандартаLTE. Наимитационной модели в ходе анализа экспериментальных данных показана эффективностьданной методики при наличии помех в канале.3.Разработана методика определения отношения сигнал/шум в полосе сигнала поциклическому префиксу.4.Исследованоразработаннойметодикивлияниеошибоксимвольнойопределенияотношенияметодикавычислениясинхронизациисигнал/шумвнаполосеточностьсигналапоциклическому префиксу.5.Предложенакорреляционнойфункциидляпоследовательностей Задова-Чу.

Методика обеспечивает более высокую точность вычислениямаксимума корреляционной функции при наличии шума в канале и частотной отстройки всравнении с известными методами.6.Модифицирована методика идентификации вида модуляции на поднесущих длясигнала стандарта LTE.Практическая ценность работыПрактическая ценность работы заключается в том, что предложенные методики иалгоритмы идентификации и оценки параметров позволяют выполнить данные операции дажепри низких значениях отношения сигнал/шум и на фоне воздействия замираний, что делаетвозможным их применение в реальных программно-определяемых радиосистемах, в системахкогнитивного радио, в системаханализа цифровыхсигналов, прирешениизадачрадиомониторинга и радиоразведки.Выявлено, что циклический префикс может использоваться не только для борьбымежсимвольной интерференцией и выполнения процедуры символьной синхронизации, но идля идентификации и оценки полосы сигнала стандарта LTE.5Также результаты работы используются в цикле учебной дисциплины «Модельноориентированное проектирование систем подвижной радиосвязи» по специальности 210402«Средства связи с подвижными объектами», а также учебной дисциплины «Модельноориентированноепроектированиеинфокоммуникационныхсистем»понаправлениюподготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».Положения, выносимые на защиту1.РазработаннаяметодикаавтоматическогораспознаванияLTEсигналаобеспечивает вероятность правильной идентификации не менее 85% при отношениисигнал/шум от -5 до 30 дБ на фоне АБГШ и замираний.2.РазработаннаяметодикаопределенияполосысигналастандартаLTEобеспечивает вероятность правильной оценки не менее 85% при отношении сигнал/шум от -5до 30 дБ на фоне АБГШ и замираний.3.Предложенная методика определения отношения сигнал/шум в полосе сигнала поциклическому префиксу, обеспечивает СКО оценки не более 0.11 дБ в диапазоне значенийотношения сигнал/шум от -5 до 30 дБ.4.ПредложеннаяпоследовательностейметодикаЗадова-Чувычисленияпозволяетдобитьсякорреляционнойсниженияфункциивероятностидляложногоопределения максимума корреляционной функции до 18% при наличии частотной отстройки до7.5 кГц при отношении сигнал/шум 0 дБ на фоне АБГШ и замираний.