Методи двоетапного оцінювання параметрів багатопроменевого каналу в системах зв’язку з технологією OFDM

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача розробки методів двоетапного оцінювання параметрів багатопроменевого каналу в системах зв’язку з технологією OFDM на базі пілотних підносійних, використовуючи відомі статистичні характеристики каналу. Розроблені методи дозволяють підвищити точність оцінювання частотної характеристики каналу і зменшити ймовірність виникнення помилки під час прийому переданої інформації. В першому розділі показана актуальність задачі оцінювання частотної характеристики каналу, спотворення якої обумовлені багатопроменевим розповсюдженням сигналів і ефектом Допплера. Розглянуто принципи формування OFDM символів і їх структуру. Виконано огляд схем розміщення пілотних сигналів у структурі OFDM символів та особливостей їх застосування. Розглянуто методи оцінювання частотної характеристики каналу на підносійних з пілотними сигналами та методи інтерполяції значень частотної характеристики на підносійні з даними. Проведено порівняльний аналіз розглянутих методів на модельному прикладі шляхом статистичного моделювання. Результати моделювання показали, що актуальною являється задача розробки методів оцінювання параметрів багатопроменевих каналів з великим часом затримки та значним впливом ефекту Доплера. Виконано постановку задачі дослідження. В другому розділі розроблено двоетапний метод оцінювання частотної характеристики каналу по поточному прийнятому OFDM символу. На першому етапі значення частотної характеристики фільтруються на пілотних підносійних та екстраполюються на інформаційні підносійні за допомогою алгоритму калманівської фільтрації у прямому і зворотньому напрямках по відношенню до вектора спостережень. На другому етапі виконується обєднання параметрів апостеріорних розподілів на кожній підносійній. Розроблено двоетапний метод оцінювання частотної характеристики каналу з використанням оцінок із попередніх прийнятих OFDM символів. На першому етапі значення частотної характеристики фільтруються на пілотних підносійних та екстраполюються на інформаційні підносійні за допомогою алгоритму калманівської фільтрації у прямому, зворотньому та в часовому напрямках. На другому етапі виконується обєднання параметрів апостеріорних розподілів на кожній підносійній. За допомогою статистичного моделювання проведено порівняльний аналіз розроблених методів з відомими. В третьому розділі розроблено двоетапний метод сумісного оцінювання інформаційних символів і частотної характеристики каналу по поточному прийнятому OFDM символу. На першому етапі виконується рекурентний розрахунок параметрів апостеріорних розподілів значеннь частотної характеристики та апостеріорних ймовірностей інформаційних символів в прямому і зворотньому напрямках по відношенню до вектора спостережень. На другому етапі виконується обєднання параметрів апостеріорних розподілів та уточнення апостеріорних ймовірностей на кожній підносійній. Розроблено двоетапний метод сумісного оцінювання інформаційних символів і частотної характеристики каналу з використанням оцінок із попередніх прийнятих OFDM символів. На першому етапі виконується рекурентний розрахунок параметрів апостеріорних розподілів значеннь частотної характеристики та апостеріорних ймовірностей інформаційних символів в прямому, зворотньому та в часовому напрямках на кожній підносійній. На другому етапі виконується обєднання параметрів апостеріорних розподілів та уточнення апостеріорних ймовірностей на кожній підносійній. За допомогою статистичного моделювання проведено порівняльний аналіз розроблених методів з відомими. В четвертому розділі виконано аналіз ймовірнісних характеристик систем зв’язку з використанням розроблених методів. Також проведено розрахунок обчислювальних затрат для реалізації розроблених методів та порівняно з обчислювальними затратами для реалізації відомих. На основі результатів моделювань і виконаних розрахунків зроблено висновки про ефективність розроблених методів і можливість їх застосування на практиці. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що: 1. Вперше розроблено метод двоетапного сумісного оцінювання інформаційних символів і ЧХ багатопроменевих каналів в системах зв’язку на базі технології OFDM. На першому етапі виконується сумісне оцінювання інформаційних символів і ЧХ з двох сторін вектора спостережень поточного OFDM символу. На другому етапі виконується об’єднання апостеріорних розподілів і уточнення апостеріорних ймовірностей на кожній із підносійних, які отримані в результаті оцінки на першому етапі. 2. Вперше розроблено метод двоетапного оцінювання ЧХ багатопроменевих каналів в системах зв’язку на базі технології OFDM. Для функціонування розробленого алгоритму необхідно, як і для відомого метода MMSE, знання статистичних властивостей каналу зв’язку. На першому етапі виконується оцінювання ЧХ з двох сторін вектора спостережень поточного OFDM символу. На другому етапі виконується об’єднання апостеріорних розподілів на кожній із підносійних, які отримані в результаті оцінки на першому етапі. 3. Вперше розроблено двоетапні методи оцінювання ЧХ каналу та сумісного оцінювання інформаційних символів і ЧХ, які враховують спостереження отримані на попередніх OFDM символах. При цьому на першому етапі виконується оцінювання як по поточному символу з двох сторін вектора спостережень, так і вздовж кожної із підносійних по спостереженнях з попередніх символів. На другому етапі, аналогічним чином, виконується об’єднання апостеріорних розподілів, які отримані на першому етапі. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що: 1. Розроблені методи двоетапного оцінювання ЧХ каналу і сумісного оцінювання інформаційних символів та ЧХ каналу не потребують виконання класичних методів інтерполяції, що робить їх більш ефективними у порівнянні з MMSE методом, особливо в каналах з великим часом затримки сигналу. Зокрема, в каналі з максимальною затримкою 100 мкс при кількості підносійних в OFDM символі рівній 1024, серед яких кожна четверта відведена для пілотних сигналів, розроблені методи оцінювання по поточному прийнятому OFDM символу забезпечують енергетичний виграш до 5 дБ, в порівнянні з методом MMSE. Застосування розроблених методів з урахуванням оцінок із попередніх прийнятих OFDM символів дозволяє отримати додатковий енергетичний виграш до 2 дБ. Збільшення кількості підносійних з пілотними сигналами у структурі OFDM символа підвищує енергетичний виграш. 2. Обчислювальні затрати на реалізацію розроблених методів двоетапного оцінювання ЧХ по поточному прийнятому символу та з урахуванням оцінок із попередніх прийнятих OFDM символів на 2 порядки менші у порівнянні з обчислювальними затратами на реалізацію методу MMSE. Розроблені методи двоетапного сумісного оцінювання інформаційних символів і ЧХ по поточному прийнятому символу та з урахуванням оцінок із попередніх прийнятих OFDM символів потребують на порядок менше обчислювальних затрат у порівнянні з методом MMSE. 3. Розроблені методи двоетапного сумісного оцінювання інформаційних символів і ЧХ по поточному прийнятому символу та з урахуванням оцінок із попередніх прийнятих OFDM символів, на відміну від методів LS, MMSE та розроблених методів двоетапного оцінювання ЧХ каналу, не потребують подальшого прийняття рішень стосовно переданих інформаційних символів, оскільки це виконується безпосередньо під час виконання розроблених методів двоетапного сумісного оцінювання інформаційних символів і ЧХ каналу. Результати наукових досліджень можуть бути використані при розробці перспективних і модернізації існуючих приймачів сигналів в системах зв’язку з OFDM технологією для покращення їх ймовірнісних характеристик при роботі з багатопроменевими каналами із великими затримками. Основні теоретичні положення використовуються в навчальному процесі в дисципліні «Теорія передавання інформації»