Кодирование и шифрование информации в системах связи. Часть 1. Кодирование

291

Рис. 4.24. Структурная схема системы связи с ортогональным частотным мультиплексированием

На приемной стороне, сигнал после дискретизации и удаления префикса поступает в блок Быстрого преобразования Фурье (БПФ), где осуществляется демодуляция сигнала

OFDM. После преобразования параллельного потока символов в последовательный, символы поступают в демодулятор, а также в блок оцениваня параметров канала. Оценки параметров канала необходимы для работы демодулятора, поэтому выход блока оценивания параметров канала соединен с демодулятором. Дальнейшие преобразования сигнала зависят от структуры конкретной системы и не относятся к основной концепции OFDM. В реальных условиях работы системам беспроводной подвижной связи с FDM приходится работать в условиях, когда в канале связи сигнал подвергается воздействию замираний. Поэтому для получения приемлемой помехоустойчивости требуется использование помехоустойчивого кодирования.

292

Модель связи с использованием технологии MIMO [4]

MIMO (Multiple Input, Multiple Output — множественный вход, множественный выход)

предусматривает применение пространственного мультиплексирования с целью одновременной передачи нескольких информационных потоков по одному каналу, а также многолучевое отражение, которое обеспечивает доставку каждого бита информации соответствующему получателю с небольшой вероятностью влияния помех и потерь данных.

Именно возможность одновременной передачи и приема данных определяет высокую пропускную способность устройств, работающих под технологией MIMO.

Радиосигнал редко идет по кратчайшему пути между передатчиком и приемником из-за стен, дверей и других препятствий. Большинство подобных окружений имеют много различных поверхностей, которые отражают радиосигнал (электромагнитную волну)

подобно зеркалу, отражающему свет. После переотражения образуются множественные копии исходного сигнала. Когда множественные копии сигнала перемещаются различными путями от передатчика к приемнику сигнал, шедший кратчайшим путем, будет первым, а

следующие копии (или переотраженное эхо сигнала) придут чуть позже из-за более длинных путей. Это называют многолучевым распространением сигнала (multipath). Условия множественного распространения постоянно меняются, т.к. устройства приёма и передачи часто перемещаются (смартфон с Wi-Fi в руках пользователя), движутся вокруг различные объекты, создавая помехи (люди, машины и т.п.). В случае прибытия сигналов в разное время и под разными углами это может вызывать искажения и возможное затухание сигнала.

Как уже отмечалось выше, для организации технологии MIMO необходима установка нескольких антенн на передающей и на приемной стороне. Обычно устанавливается равное число антенн на входе и выходе системы, т.к. в этом случае достигается максимальная скорость передачи данных.

Для работы технологии MIMO необходимы некоторые изменения в структуре передатчика по сравнению с обычными системами. В первую очередь, на передающей стороне необходим делитель потоков, который будет разделять данные, предназначенные для передачи на несколько низкоскоростных подпотоков, число которых зависит от числа антенн. Далее каждый их данных потоков должен быть передан через свою антенну.

Обычно, антенны на передаче устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, чтобы обеспечить как можно большее число побочных сигналов, которые возникают в результате переотражений. В одном из возможных способов организации

293

технологии MIMO сигнал передается от каждой антенны с различной поляризацией, что позволяет идентифицировать его при приеме. Однако в простейшем случае каждый из передаваемых сигналов оказывается промаркированным самой средой передачи (задержкой во времени, затуханием и другими искажениями). На приемной стороне несколько антенн принимают сигнал из радиоэфира. Причем антенны на приемной стороне также устанавливаются с некоторым пространственным разнесением, за счет чего обеспечивается разнесенный прием. Принятые сигналы поступают на приемники, число которых соответствует числу антенн и трактов передачи. Причем на каждый из приемников поступают сигналы от всех антенн системы. Каждый из таких сумматоров выделяет из общего потока энергию сигнала только того тракта, за который он отвечает. Делает он это либо по какому-либо заранее предусмотренному признаку, которым был снабжен каждый из сигналов, либо благодаря анализу задержки, затухания, сдвига фазы, т.е. набору искажений или «отпечатку» среды распространения. На рисунке 4.22. представлен принцип организации технологии MIMO.

Рис. 4.25. Принцип организации технологии MIMO

294

Структурная схема программного комплекса Структурная схема программного комплекса представлена на рисунке 4.26.

Рис. 4.26. Структурная схема передатчика MIMO-OFDM

В блоках передатчика устанавливаются необходимые для передачи параметры, после чего по каналу Релеевского затухания идет передача на приёмник. В нём происходит приём и последующее оценивание результатов моделирования.

Описание учебного аппаратно-программного комплекса

С помощью ПО LabVIEW 2012, включающим в себя набор Modulation Toolkit от компании National Instruments было разработано и протестировано приложение для исследования MIMO-OFDM [17].

Передняя панель программного комплекса представлена на рисунке 4.24.

295

Рис. 4.27. Передняя панель программного комплекса Панель комплекса имеет простой и удобный вид. Красной пунктирной линией отмечены

элементы, задействованные при передаче, синей – элементы, представляющие выходные данные. Ниже каждый элемент будет рассмотрен подробнее.

На рисунке 4.28 представлена главная панель управления комплексом.

Рис. 4.28. Главная панель управления комплексом

296

На данной панели представлены следующие варианты настройки:

1.Число приёмо-передающих антенн. В данном комплексе число передающих и приёмных антенн одинаково.

2.Варианты вставки пилот-сигналов в OFDM символ. Возможен выбор вариантов

Independent, Scattered, Orthogonal. Представленный ниже рисунок поясняет различие между этими вариантами.

Рис. 4.29. Варианты расположения пилот-сигналов в OFDM символе

3.Выбор варианта модуляции: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM.

4.Определяет отношение сигнал/шум в процессе работы схемы.

5.PDPR (Pilot to data power ratio) – отношение величины мощности пилотных символов к мощности символов данных.

6.Использовать оптимальное соотношение PDPR. Если данная функция будет включена, то программа автоматически подберет оптимальное соотношение PDPR.

297

На рисунке 4.30 представлено окно результатов и оценки.

Рисунок 4.30. Окно результатов и оценки.

1.Если функция оптимального PDPR включена, то в данном окне будет указана величина PDPR, выбранная автоматически.

2.График зависимости BER от SNR.

3.График зависимости пропускной способности канала от SNR.

Спомощью данного окна видны легко можно получить информацию о влиянии SNR,

количества антенн и др. на качество передачи.

Проведение исследования с помощью разработанного программного комплекса

На данном программном комплексе было проведено исследование влияния вида модуляции на качество передачи.

Исходные данные:

Число антенн: 2.

Варианты вставки пилот-сигналов в OFDM символ: Scattered.

Модуляция: QPSK, 16QAM, 64QAM.

Включена функция оптимального PDPR.

Отношение сигнал/шум: от 0 до 20.

298

В результате были получены следующие графики.

Рис. 4.28. Результаты работы при модуляции QPSK

Рис. 4.31. Результаты работы при модуляции 16QAM

299

Рис. 4.32. Результаты работы при модуляции 64QAM

По данным графикам можно отметить, что при модуляции 64QAM BER изменяется медленно и имеет значение, близкое к единице даже при отношении сигнал/шум, равном 20.

Когда при других видах модуляции BER уменьшается резко и имеет значение, близкое к

0.01.

Пропускная ёмкость канала имеет практически одинаковые значения.

300

Методика проведения исследования с помощью разработанного

программного

комплекса

Задание на лабораторную работу:

1.Изучить работу приложения «MIMO-OFDM»;

2.Установить параметры макета, выставив значения: Количество антенн:2, Pilot Pattern: Scattered, Symbol Constellation: BPSK, функцию Optimal PDPR включить,

значение SNR выставить от 0 до 20 с шагом 5.

3.Меняя виды модуляции получить различные графики зависимости отношения BER

от SNR и пропускной способности канала от SNR, проанализировать полученные результаты.

4.Увеличить число антенн до четырёх и повторить п.3

5.По полученным данным сделать соответствующие выводы.

Вданном разделе разработан учебный аппаратно-программный комплекс для визуализации и исследования технологии MIMO-OFDM.

Была изучена методика написания приложений в ПО LabVIEW, изучены и проанализированы методы пространственно-временного кодирования.

Разработанное приложение может послужить комплексом для проведения лабораторных работ на тему MIMO-OFDM по различным дисциплинам. В том числе данное приложение можно использовать и в качестве тренажера для написания программных решений в

LabVIEW.

Методика проведения исследований с помощью схемы MIMO-OFDM

Спомощью разработанного комплекса можно провести сравнение использования 2-х

и4-х антенной системы MIMO-OFDM. Исходные данные к работе представлены ниже.

1.Число антенн: 2;

2.Pilot Pattern: Independent;

3.Symbol Constellation: BPSK;

4.Кнопка «Use Optimal PDPR» нажата.

Выставив подобные исходные данные на панели управления, необходимо запустить

схему. На рисунке 4.31 представлен результат работы схемы.