Автореферат (1143625)
Текст из файла
На правах рукописиНгуен Ван ФеПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВСпециальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числесистемы и устройства телевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукСанкт-Петербург – 2018Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».Научный руководитель:Гельгор Александр Леонидович,кандидат технических наук, доцентОфициальные оппоненты:Чесноков Михаил Николаевич,доктор технических наук, профессор,заместитель начальника отдела связи ООО «СпециальныйТехнологический Центр», г.
Санкт-Петербург,Кислицын Александр Борисович,кандидат технических наук, без звания,программист ООО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕПРЕДПРИЯТИЕ«НОВЫЕТЕХНОЛОГИИТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ», г. Санкт-ПетербургВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования «Санкт-Петербургскийгосударственный университет телекоммуникаций им.проф. М.А.
Бонч-Бруевича»Защита состоится 18 декабря 2018 года в 14.00 часов на заседании диссертационного советаД 212.229.01 в ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, IV уч. корпус,ауд. 305.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» и на сайтеуниверситета www.spbstu.ru.Автореферат разослан «» октября 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.229.01доктор технических наук, профессорКоротков Александр СтаниславовичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииПовышение спектральной эффективности при передаче информации с помощью электромагнитных колебаний по-прежнему является актуальной задачей.
В большинстве современных систем передачи информации используются сигналы без межсимвольной интерференции (МСИ) или с устранением МСИ при приёме, что обеспечивает возможность использования вычислительно простых алгоритмов поэлементного приёма. Тем не менее, ещё в 1975 годуМазо доказал возможность значительного повышения спектральной эффективности без энергетических потерь за счёт введения МСИ [1]. Его идея заключалась в том, чтобы при использовании линейной модуляции с sinc-импульсом передавать модуляционные символы в 1/τ(0 < τ < 1) раз быстрее, чем требуется для устранения МСИ при приёме.
Для сигналов с sincимпульсом это означает преодоление «барьера Найквиста», поэтому такие сигналы былиназваны «быстрее, чем Найквист» – «Faster than Nyquist» (FTN). Мазо показал, что для сигналов FTN с сигнальным созвездием QPSK использование приёма в целом при 0,8 ≤ τ < 1 не приводит к энергетическим потерям. Использование τ = 0,8 эквивалентно передаче данных в нормированной полосе частот 0,8, т.е. обеспечивает 25% выигрыш в спектральной эффективностипо отношению к лучшим по критерию максимума спектральной эффективности сигналам безМСИ.
Под лучшими сигналами без МСИ понимаются сигналы с линейной модуляцией и sincимпульсом. В [2] было предложено использовать идею FTN для семейства RRC-импульсов(RRC от англ. «Root Raised Cosine», что означает «корень из приподнятого косинуса» – формаэнергетического спектра одного из импульсов данного семейства импульсов), к которым принадлежит sinc-импульс, использованный в оригинальной статье Мазо. В [2] показано, что таким образом также удаётся заметно повысить спектральную эффективность без энергетических потерь.В развитие идеи введения МСИ Саид и Андерсон в 1998 году предложили методику синтеза оптимальных импульсов для сигналов с частичным откликом (Partial-Response Signal,PRS) [3]. Это обеспечило дополнительный выигрыш в спектральной эффективности по отношению к сигналам FTN.
Критерием оптимизационной задачи в [3] является максимизация свободного евклидова расстояния при условии фиксированного значения полосы частот, содержащей заданную долю мощности сигнала. Авторами были предложены импульсы, обеспечивающие передачу данных в нормированной полосе частот 0,76 без потерь в свободном евклидовом расстоянии. Это эквивалентно дополнительному 5% выигрышу в спектральной эффективности по отношению к сигналам FTN или 32% выигрышу в спектральной эффективностипо отношению к лучшим сигналам без МСИ.С развитием беспроводных систем передачи информации возрастала актуальность вопросов повышения скорости передачи информации в многолучевых каналах.
Решением, которое используется по сей день, является применение сигналов OFDM и помехоустойчивого кодирования с перемежением символов. При таком подходе в приёмнике достаточно использовать простой одношаговый эквалайзер. С целью дополнительного повышения спектральнойэффективности были предложены сигналы SEFDM [4], отличительной особенностью которыхот сигналов OFDM является сближение поднесущих, что приводит к появлению МСИ.
Отметим, что в данном случае речь идёт об интерференции между сигналами разных поднесущих,передаваемых в одном SEFDM-символе, поэтому иногда используют термин «межканальнаяинтерференция», тем не менее, мы далее будем использовать только термин МСИ, как этоделается в современной литературе, считая, что из контекста ясно о каком варианте интерференции идёт речь.
Интересным фактом является то, что идея перехода от сигналов OFDM ксигналам SEFDM является аналогом идеи перехода от сигналов с линейной модуляцией и sincимпульсом к сигналам FTN, но реализована эта идея в спектральной, а не во временной области.1В настоящее время имеется множество публикаций, посвящённых вычислительно эффективным алгоритмам формирования и приёма сигналов SEFDM. Перспективным алгоритмом формирования сигналов SEFDM является алгоритм, который отличается от алгоритмаформирования OFDM только тем, что после выполнения ОДПФ отбрасываются несколько отсчётов сигнала [5]. В качестве алгоритмов приёма рассматриваются, в основном, вычислительно-эффективные модификации алгоритма полного перебора, например, [6–8].
Однако, алгоритмы [6–7] оказываются практически нереализуемыми из-за большого количества состояний решётки, а алгоритм [8] позволяет работать только с небольшим (порядка нескольких десятков) количеством поднесущих.Учитывая сказанное выше, актуальным представляется попытка применения идей [2–3]для модификации сигналов SEFDM с целью дополнительного повышения спектральной эффективности многочастотных сигналов. Фактически, речь идёт о замене спектральных sincимпульсов на спектральные RRC-импульсы или оптимальные спектральные импульсы.
Подспектральным импульсом здесь и далее мы понимаем спектр поднесущей одного OFDM- илиSEFDM-символа; очевидно, что спектральный импульс является преобразованием Фурье отимпульса во временной области, например, для сигналов OFDM имеем прямоугольный импульс во временной области и соответствующий ему спектральный sinc-импульс. Для предлагаемых сигналов, очевидно, необходимо предложить методы их эффективного формированияи обработки.
При постановке задачи поиска оптимального спектрального импульса необходимо выбрать и обосновать критерий оптимизации и дополнительные ограничения. Ожидается, что дополнительно к повышению спектральной эффективности использование новыхспектральных импульсов позволит значительно упростить обработку сигналов SEFDM, в томчисле, удастся применить подоптимальные алгоритмы приёма и тем самым значительно снизить вычислительную сложность обработки таких сигналов.Объектом исследования в работе являются многочастотные сигналы с неортогональными поднесущими.Предметом исследования являются спектральная эффективность и удельные энергетические затраты многочастотных сигналов со спектральными импульсами, обеспечивающиминеортогональность поднесущих.Целью работы является повышение спектральной эффективности при использованиимногочастотных сигналов с управляемой межсимвольной интерференцией МСИ путём применения оптимальных спектральных импульсов и подоптимальных алгоритмов приёма приэнергетических потерях в допустимых пределах.Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи.1.
Оптимизация формы спектрального импульса для минимизации энергетических потерь при фиксированной длительности сигнала.2. Разработка вычислительно-эффективных алгоритмов обработки многочастотныхсигналов с управляемой МСИ в спектральной области.3. Разработка методики формирования и обработки многочастотных сигналов со спектральными импульсами, обеспечивающими неортогональность поднесущих.4. Разработка структурной схемы модема для передачи информации с использованиемсигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM.5. Разработка имитационной модели для оценки помехоустойчивости приёма сигналовRRC-SEFDM и PR-SEFDM.6. Проведение имитационного эксперимента по приёму сигналов RRC-SEFDM и PRSEFDM с целью оценки их эффективности в канале с аддитивным белым гауссовским шумом.Методы исследованияВ ходе исследований использовались методы теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов, статистической теории радиотехнических систем, вариационного исчисления, методов вычислительной математики и программирования.
Имитационное моделирование проводилось в среде MATLAB с использованием вычислительногооборудования суперкомпьютерного центра «Политехнический» (http://www.scc.spbstu.ru).2ПубликацииПо тем диссертации опубликованы 4 статьи в журналах, входящих в список ВАК, 4 статьи в зарубежных трудах, индексируемых базами Scopus и Web of Science, а также ещё 4 публикации, не входящие в первые две группы.Личный вклад автораВсе представленные результаты получены автором лично или в соавторстве при егонепосредственном участии.Научная новизна результатов диссертационной работы• Впервые предложены многочастотные спектрально-эффективные сигналы RRCSEFDM и PR-SEFDM, которые благодаря использованию неортогональных поднесущих позволяют повысить спектральную эффективность передачи информации по отношению к сигналам OFDM.• Для сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM предложена структурная схема модема, в которой аналогично случаю сигналов OFDM используются блоки прямого и обратного ДПФ.• Впервые для сигналов PR-SEFDM предложена методика синтеза оптимальных спектральных импульсов по критерию максимального евклидова расстояния, при наличии дополнительного ограничения на длительность сигнала, в которой сосредоточена заданная концентрация энергии сигнала.• Для сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM впервые показано, что максимальное увеличение спектральной эффективности передачи информации возможно только при одновременном введении МСИ и увеличении размера сигнального созвездия.• Показано, что для сигналов PR-SEFDM применение подоптимального алгоритма приёма M-BCJR позволяет снизить вычислительную сложность обработки сигнала при отсутствии энергетических потерь.Положения, выносимые на защиту• При фиксированных удельных энергетически затратах увеличение длины спектрального импульса для сигналов PR-SEFDM приводит к повышению спектральной эффективности, однако повышение тем меньше, чем больше значение длины.
Так для случая сигнальногосозвездия QPSK изменение длины спектрального импульса от L = 8 до L = 12 приводит к повышению спектральной эффективности менее, чем на 1%, в то время как переход от L = 4 доL = 8 обеспечивает повышение спектральной эффективности на 24%.• Для сигналов PR-SEFDM использование в алгоритме M-BCJR числа «выживающих»на каждом шаге путей M = 4 для созвездия QPSK и M = 8 для созвездия 16-QAM обеспечиваетсохранение спектральной эффективности и удельных энергетических затрат при уменьшениивычислительной сложности до 512 раз по отношению к оптимальному алгоритму BCJR.• Для сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM при фиксированных удельных энергетическихзатратах переход от сигнального созвездия QPSK к сигнальному созвездию 16-QAM обеспечивает выигрыш в спектральной эффективности до 25%.• По отношению к сигналам OFDM с сигнальными созвездиями QPSK и 16-QAM сигналы PR-SEFDM с такими же созвездиями обеспечивают выигрыш в спектральной эффективности до 27% при энергетическом проигрыше не больше1,3 дБ.Теоретическая значимостьВпервые сформулирована и решена задача синтеза оптимальных спектральных импульсов по критерию максимизации свободного евклидова расстояния, при наличии дополнительных ограничений на длительность временного импульса, в которой сосредоточенна заданнаядоля энергии сигнала.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
