Диссертация (Идентификация и оценка параметров сигнала стандарта LTE)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»На правах рукописиКазачков Виталий ОлеговичИДЕНТИФИКАЦИЯ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА СТАНДАРТА LTE05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникацийДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Доцент, кандидат технических наукВаженин Николай АфанасьевичМосква, 20152ОГЛАВЛЕНИЕВведение .................................................................................................................................................

3ГЛАВА 1. Анализ методов идентификации и оценки параметров сигналов ........................... 71.1Методы идентификации и оценки параметров цифровых сигналов .......................71.2Идентификация и оценка параметров сигналов LTE ..............................................101.3Выводы .........................................................................................................................11ГЛАВА 2. Разработка тестовой модели сигнала LTE .................................................................

122.1Основные особенности стандарта LTE .....................................................................122.2Структура и характеристики тестовой модели сигнала LTE ..................................222.3Верификация имитационной модели ........................................................................302.4Выводы .........................................................................................................................38ГЛАВА 3. Методы идентификации и оценки параметров сигнала стандарта LTE ............. 393.1Определение занимаемой полосы LTE сигнала .......................................................393.2Идентификация LTE сигнала ......................................................................................483.3Детектирование синхросигнала .................................................................................503.4Определение направления передачи LTE сигнала ..................................................603.5Выводы .........................................................................................................................61ГЛАВА 4.

Распознавание структуры сигналов на поднесущих ................................................ 634.1Идентификация сигналов с ФM и КАМ модуляцией ..............................................634.2Определение текущего отношения сигнал/шум в полосе сигнала ........................664.3Выводы .........................................................................................................................74ГЛАВА 5.

Программно-алгоритмический комплекс для идентификации и оценкипараметров сигнала стандарта LTE ............................................................................................... 75Заключение ........................................................................................................................................

101Список сокращений и условных обозначений ........................................................................... 104Список литературы ......................................................................................................................... 1073ВведениеСовременные тенденции развития систем мобильной связи предъявляют к последнимсерьезные требования не только с точки зрения высокого качества связи, но и с точки зренияобеспечениявысокихскоростейпередачиинформации.Поданнымежегодногопрогноза Cisco® Visual Networking Index™ Global Mobile Data Traffic Forecast for 2013 to2018("Индекс развития визуальных сетевых технологий: прогноз развития мировогомобильного трафика на 2013-2018 гг."), объем мирового мобильного трафика за ближайшие 4года вырастет в 11 раз и в 2018 г.

может составить 190 эксабайт [1]. Во многом такие темпыроста трафика обусловлены интенсивными темпами развития индустрии по производствумобильных устройств (телефонов, смартфонов, планшетов и т.д.), а также высокойпопулярностью таких устройств у пользователей. Справиться с задачей обеспеченияпотребностей современных абонентов мобильных сетей позволит внедрение технологийподвижной радиосвязи четвертого поколения (fourth generation - 4G).Одним из представителей 4G технологий является стандарт LTE (Long Term Evolution,дословно с англ.

долговременное развитие), разработанный консорциумом 3GPP (3rd GenerationPartnership Project). Стандарт LTE основан на применении технологии ортогональногочастотного разделения каналов (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing).Ключевыми характеристиками стандарта являются: возможность передачи данных на большихскоростях (целевое значение 1 Гбит/с для нисходящего направления), возможность работы сабоеннтами, передвигающимися на скорости до 350 км/ч, возможность масштабированияполосы сигнала (1.4, 3, 5, 15, 15, 20 МГц), с 10 релиза поддерживается агрегация до 5 несущих,что предоставляет возможность создания системы с полосой сигнала в 100 МГц и т.д.[2-5] Этиособенности делают стандарт LTE перспективным направлением развития систем мобильнойсвязи, а исследования данной области актуальными и востребованными.Тенденции развития сетей связи включают в себя возможность совместногоиспользования различных стандартов в одном абонентском оборудовании.

Эта идеологияреализовывается в системах с программируемой архитектурой, к которым относятся системыпрограммно-определяемого радио (Software Defined Radio) и системы когнитивного радио(CognitiveRadio).Технологияпрограммно-определяемогорадиопозволитзаменитьсуществующее множество конструкций радиоприемников ограниченным числом аппаратныхблоков, работающих под управлением программного обеспечения. Это значительно упроститконструкции, снизит их стоимость, улучшит характеристики и обеспечит поддержку любыхвидов модуляции. Задачи идентификации принимаемого сигнала и оценки его параметров –4ключевые в системах такого класса и от точности данных операций зависит корректная работасистемы. В случае когнитивного радио, система связи использует технологию адаптивнойподстройки параметров.

Системы когнитивного радио обеспечивают, например, использованиечастотного ресурса на основе доступного на местном уровне в пределах охваченной полосычастот, что позволяет значительно повысить эффективность использования частотногодиапазона, являющегося одним из основных ограниченных ресурсов. В таких системах задачаоценки параметров принимаемого сигнала также является ключевой.

С учетом сказанноговыше, задача данной диссертации – идентификация и оценка параметров сигнала стандартаLTE, как одного из поддерживаемых стандартов в интегрированной системе связи, являетсявостребованной и актуальной.Современные исследования в области LTE в основном направлены на модификациюпроцедур, описанных стандартом [6-16]. При этом методы по идентификации и оценкепараметров сигнала стандарта LTE без использования служебной информации практически неизучены, однако, это направление также является интересным и многообещающим.

Впоследние 20 лет направления идентификации и слепой оценки параметров цифровых методовмодуляции, в том числе и для OFDM, активно развивались и в ближайшее время могут статьперспективой дальнейшего развития так называемых интеллектуальных приемников.Разработка специализированных методов для стандарта LTE позволит повыситьточность методов, разработанных для OFDM в целом. Исследования данной области вдальнейшем могут способствовать внедрению таких методов в реальное оборудование дляповышения точности процедур, описанных стандартом, что в свою очередь поспособствуетдальнейшему развитию систем и сетей подвижной радиосвязи.

В перспективе на основе такихметодов возможна разработка систем сотовой связи с меньшим количеством опорных ислужебных сигналов, что позволит использовать освобожденные ресурсы для передачиинформации от абонентов, повысить эффективность использования выделенных частотныхресурсов, а также повысить скорость передачи данных. Перечисленное выше подтверждает,что разработка методов идентификации и оценки параметров для сигнала стандарта LTEявляется актуальной задачей, направленной на дальнейшее развитие систем мобильной связи.Цель работы и решаемые задачиТаким образом, целью работы является разработка и исследование математическихмоделей, методов и алгоритмов для идентификации и оценки параметров сигнала стандартаLTE на основе априорной информации о структуре и характеристиках такого сигнала.

Всоответствии с указанной целью в данной работе ставятся следующие задачи:1.Анализ существующих методов идентификации и оценки параметров.52.Разработка алгоритма автоматической идентификации для сигнала стандарта3.Разработка алгоритмов для оценки параметров сигнала стандарта LTE.4.Имитационное моделирование и исследование разработанных алгоритмов.LTE.Научная новизна работы1.Разработан алгоритм автоматического распознавания LTE сигнала.2.Разработана методика определения полосы сигналастандартаLTE. 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.