Диссертация (1143626), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Сигналы OFDM и SC-FDMA используются в стандартемобильной связи четвёртого поколения LTE на физическом уровне. СигналыFBMC, GFDM, UFDM являются предложениями для перспективных стандартовсвязи; в этих сигналах предлагается использовать различные фильтры-прототипы, обеспечивающие квазиортогональность поднесущих.Сигналы SEFDM являются сигналами с управляемой МСИ, полученными врезультате сближения поднесущих сигналов OFDM, что обеспечивает повышение спектральной эффективности. Идея формирования сигналов SEFDM идентична идее формирования сигналов FTN, только реализована в частотной, а нево временной области.Предложена идея построения новых сигналов PR-SEFDM с использованиемоптимальных спектральных импульсов в качестве формы спектра поднесущих.Также предложена идея построения сигналов RRC-SEFDM, которые отличаютсяот традиционных сигналов SEFDM применением RRC-импульсов в качествеформы спектра поднесущих.В результате обзора литературы обоснована актуальность выбранной темы,сформулированы цель и основные задачи исследования.В второй главе описаны методики синтеза оптимальных импульсов для одночастотных сигналов с частичным откликом и для многокомпонентных сигналов.
Для многокомпонентных сигналов возможна постановка нелинейной оптимизационной задачи для нахождения формы финитных импульсов оптимальныхпо критерию минимизации нормированной полосы частот, содержащей заданную долю мощности сигнала с дополнительными ограничениями на свободноеевклидово расстояние или коэффициент групповой корреляции, определяющийуровень МСИ. Для сигналов с частичным откликом удаётся сформулировать линейную оптимизационную задачу, обеспечивающую нахождение оптимальногодискретного импульса.12В третьей главе описаны оптимальные алгоритмы приёма сигналов суправляемой МСИ: алгоритм Витерби и сферичный алгоритм, реализующие оптимальный приём по критерию максимального правдоподобия ансамбля символов; алгоритм BCJR, оптимальный по критерию максимума апостериорной вероятности каждого символа.
В конце главы описаны подоптимальные алгоритмы,используемые для уменьшения вычислительной сложности: алгоритм MВитерби, в памяти которого сохраняются только M состояний с наименьшимиметриками на каждом шаге, алгоритм M-BCJR, в памяти которого сохраняютсяM путей с наибольшими вероятностями на каждом шаге прямой рекурсии, в обратной рекурсии, вычисления производятся по путям, выжившим в прямой рекурсии.В четвёртой главе предложена методика формирования и обработки многочастотных сигналов SEFDM с модифицированными спектральными импульсами. Предложено использование RRC-импульсов в качестве спектров поднесущих многочастотных сигналов с целью уменьшения уровня МСИ, которые получили название RRC-SEFDM. При приёме сигналов RRC-SEFDM требуется повышать частоту дискретизации в спектральной области согласно теореме Котельникова.
Другим подходом для формирования многочастотных сигналов с неортогональными подесущими является использование оптимальных импульсовв качестве формы спектра поднесущих. Такие сигналы получили название PRSEFDM. Для сигналов PR-SEFDM, не требуется передискретизация спектра исближение поднесущих, т.е.
размер преобразования Фурье остаётся неизменным. Предложена структурная схема передатчика и приёмника сигналов RRCSEFDM и PR-SEFDM на основе ДПФ и ОДПФ.В пятой главе описана имитационная модель, разработанная для полученияпомехоустойчивости сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM, с помощью которойпроизводилась оценка спектральной эффективности этих сигналов. В плоскостизависимости значения спектральной эффективности от удельной энергетической13затраты приводится сравнение для сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM при использовании оптимального алгоритма BCJR, и также его подоптимальная версия– M-BCJR.В заключении сформулированы основные результаты исследования, представляющие теоретический и практический интерес, перечислены научная новизна и положения, выносимые на работу.Научная новизна результатов диссертационной работы• Впервые предложены многочастотные спектрально-эффективные сигналыRRC-SEFDM и PR-SEFDM, которые благодаря использованию неортогональныхподнесущих позволяют повысить спектральную эффективность передачи информации по отношению к сигналам OFDM.• Для сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM предложена структурная схемамодема, 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, вкоторой 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.14Положения, выносимые на защиту• При фиксированных удельных энергетически затратах увеличение длиныспектрального импульса для сигналов PR-SEFDM приводит к повышению спектральной эффективности, однако повышение тем меньше, чем больше значениедлины.
Так для случая сигнального созвездия 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 до L = 8 обеспечиваетповышение 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 обеспечивает сохранение спектральной эффективности и удельныхэнергетических затрат при уменьшении вычислительной сложности до 512 разпо отношению к оптимальному алгоритму BCJR.• Для сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM при фиксированных удельныхэнергетических затратах переход от сигнального созвездия QPSK к сигнальномусозвездию 16-QAM обеспечивает выигрыш в спектральной эффективности до25%.• По отношению к сигналам OFDM с сигнальными созвездиями QPSK и 16QAM сигналы PR-SEFDM с такими же созвездиями обеспечивают выигрыш вспектральной эффективности до 27% при энергетическом проигрыше небольше1,3 дБ.Теоретическая значимость результатов диссертационной работыВпервые 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 заданная доля энергии сигнала.
Разработана15методика формирования и обработки многочастотных сигналов, у которых в качестве формы спектральных импульсов используются оптимальные импульсыили RRC-импульсы.Практическая значимость результатов диссертационной работыПредложена структурная схема модема для передачи и приёма сигналовRRC-SEFDM и PR-SEFDM, которые позволяют повысить спектральную эффективность передачи информации по отношению к сигналам OFDM.
Предложенаметодика формирования и обработки сигналов RRC-SEFDM и PR-SEFDM в частотной области, что обеспечивает возможность простой замены использованиясигналов OFDM на сигналы RRC-SEFDM и PR-SEFDM. Предложен вычислительно-эффективный подоптимальный алгоритм приёма сигналов RRC-SEFDMи PR-SEFDM.16Глава 1. Виды модуляции для многочастотных сигналов1.1.
OFDM и SC-FDMAВ стандарте мобильной связи четвёртого поколения LTE на физическомуровне используются технология OFDM для передачи данных в линии вниз отбазовой станции (БС) к абонентному терминалу (АТ) и технология SC-FDMAдля передачи данных в линии вверх от АТ к БС [1], в обоих случаях используетсяциклический префикс (ЦП). OFDM является ортогональной системой передачиинформации, в которой отсутствует межсимвольная интерференция в идеальныхусловиях. Комплексная огибающая сигналов OFDM может быть записана в следующем виде:x(t ) N /21 k n N /2Ck(n) a(t kT )exp( j 2 n(t kT ) / T ),(1.1)где T – длительность символа OFDM, k – номер символа OFDM, N – количествоподнесущих частот, Ck( n ) – модуляционный канальный символ n-ой поднесущейk-го символа OFDM, a (t ) – финитный импульс, задаваемый выражением:1, t [ T / 2, T / 2]a (t ) ,0, иначе(1.2)На рис.
1.1 представлена реализация сигнала OFDM для N = 12 и созвездия|x(t)|Im(x(t))Re(x(t))QPSK.Рис. 1.1. Реализация сигнала OFDM для N = 12 и созвездия QPSK(а) Вещественная часть сигнала; (б) Мнимая часть сигнала; (в) Модуль сигнала17На рис. 1.2 представлена структурная схема передатчика и приёмника сигналов OFDM. В приёмнике последовательность N модуляционных символов поступает в последовательно-параллельный преобразователь. К результату с выхода последовательно-параллельного преобразователя добавляются (NFFT – N)/2нулей в начале и в конце.
Полученный результат поступает в блок ОДПФ. Полученный поток сигнала во временной области поступает в параллельно-последовательный преобразователь. В приёмнике сигналов OFDM, порядок действий является обратном по отношению к передатчику, однако в конце добавляется QAMx2y2xnynQAMдемодуляторy1S/PNFFT - ОДПФx1...CN–1y0...S/PC0C1...QAMмодулятор0...(NFFT – N)/2x0P/S0NFFT - ДПФдемодулятор.00...(NFFT – N)/2yNFFTxNFFT(а)(б)Рис. 1.2.
Принципиальная схема передатчика на основе ОДПФ (а) и приёмника на основеДПФ (б) для сигналов OFDM, NFFT – размер ОБПФ и БПФНесмотря на достоинства технологии OFDM, в восходящем направлениистандарта LTE на физическом уровне применяется технология SC-FDMA. Сигналы OFDM имеют высокий уровень пик-фактора [2], который приводит куменьшению энергетической эффективности АТ, также требует использоватьвысококачественный усилитель. В отличие от этого, сигналы с SC-FDMA обеспечивает заметно меньший уровень пик-фактора по сравнению с сигналамиOFDM [3].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
