запропоновано новий метод адаптивної модуляції у частотній області, заснований на виявленні селективних завмирань у конкретних частотних ділянках каналу та зміні виду модуляції відповідної групи OFDM піднесучих;

запропоновано новий метод оцінювання параметрів просторових каналів MIMO на основі калманівської фільтрації, яка забезпечує необхідні для адаптивного вибору виду багатопозиційної модуляції підвищені якість та швидкість оцінювання.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені в роботі математичні моделі та метод адаптивної модуляції в каналах МIМО, що враховують особливості базових станцій та терміналів користувачів, дозволили виявити і запропонувати нові практичні шляхи підвищення продуктивності як фіксованого, так і мобільного WiMAX на основі більш повного використання просторового і частотного ресурсу. Результати дисертації використані в науково-дослідній роботі №261-1 "Методи підвищення продуктивності безпроводових мереж наступного поколінння", яка виконувалася в Харківському національному університеті радіоелектроніки, і де дисертант був виконавцем. Запропонований метод адаптивної модуляції в каналах МIМО використано у навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем, зокрема, в дисципліні "Системи абонентського радіодоступу". Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача в спільних публікаціях. В роботах [1-10] автору належать такі наукові результати: в роботі [1] - аналіз впливу мобільності на характеристики якості зв'зку в WiMAX з MIMO; в роботі [2] - порівняльний аналіз основних способів рознесення на передавальному та приймальному боці MIMO систем WiMAX; в роботі [3] - розробка імітаційної математичної моделі WiMAX фізичного рівня з незалежними завмираннями в каналах MIMO; в роботі [4] - розробка методу адаптивної модуляції і аналіз особливостей його використання при різних конфігураціях MIMO; в роботі [5] - методика імітаційного моделювання системи радіодоступу WiMAX з MIMO; в роботі [6] - розробка методу оцінювання завмирань в просторових каналах MIMO; в роботі [7] - використання адаптивної модуляції в технології LTE; в роботі [8] - метод оцінки матриці каналу MIMO з використанням калманівської фільтрації; в роботі [9] - модель системи управління передавальними пристроями MIMO; в роботі [10] - методика експерименального дослідження мобільного WiMAX.

Апробація результатів дисертації. Результати доповідались на наукових семінарах кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ, а також на 6-ти міжнародних конференціях. Усі виступи по темі дисертації.

Публікації. Основні положення дисертації відображені в 4-х статтях, опублікованих у спеціалізованих виданнях, включених до переліку ВАК України, а також у 6-ти тезах доповідей на міжнародних форумах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Загальний обсяг роботи становить 150 сторінок, з них перелік використаних скорочень на 2 сторінках, список використаних джерел на 7 сторінках, який включає 57 найменувань. Дисертація містить 92 рисунки та 5 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми дослідження, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, наведено інші необхідні характеристики роботи.

У першому розділі проведено аналіз головних причин зниження якості передачі сигналу в безпроводових мережах зв'язку, особливо для частот вище 2 ГГц, на яких функціонує WiMAX. Розглянуто основні проблеми, з якими стикаються розробники WiMAX з MIMO, а також розроблено імітаційні математичні моделі радіоканалів систем радіодоступу WiMAX з MIMO та сформульовані задачі дослідження.

Математичне моделювання процесів на фізичному рівні в системі WIMAX неможливе без знання властивостей та основних швидкозмінювальних параметрів багатопроменевого широкосмугового радіоканалу. Моделлю, яка досить повно описує такий канал в дискретні моменти часу, є лінія затримки з відводами і характеристикою:

. (1)

У цій моделі параметри каналу змінюються в дискретні моменти часу. Зазвичай вважається, що вимірювання параметрів каналу відбувається з частотою f_s=1/T_s, де T_s -тривалість символу. Допускаючи, що за час T_s параметри каналу залишаються незмінними, вихідна послідовність даних може бути представлена у вигляді

(2)

де x[k] - вхідна послідовність даних, * - позначення згортки. У цьому випадку канал може бути представлений як змінний за часом вектор-стовпець

h[t]=[h₀(t)h₁(t)…h_v(t)]^T , (3)

який відображає основні параметри багатопроменевого каналу в дискретні моменти часу. Такими параметрами є: втрати на трасі поширення; затінення; завмирання сигналів, пов'язані з міжпроменевою інтерференцією; затримки поширення та смуга когерентності. У роботі проведено аналіз впливу зміни вказаних параметрів на якість зв'язку та особливості використання у технології WiMAX методів просторового та частотного рознесення, а також просторово-часового та просторово-частотного кодування для зменшення цього негативного впливу. Проведений аналіз дозволив зробити висновок, що важливим напрямком розвитку систем WiMAX з MIMO є їхня адаптація до змін параметрів багатопроменевого радіоканалу, яка забезпечує найбільш повну реалізацію наявного просторового та частотного ресурсу. Системи WiMAX з MIMO повинні використовувати всі наявні часові і частотні ресурси, щоб мінімізувати потужність передачі і, в той же час, збільшувати пропускну здатність системи зв'язку шляхом її адаптації до стану радіоканалу. Рішення цієї задачі неможливе без проведення широкого кола досліджень, пов'язаних з моделюванням процесів в системах WiMAX з MIMO.

У другому розділі за допомогою математичного моделювання проведено аналіз характеристик якості WiMAX при різних конфігураціях MIMO та різних методах модуляції сигналів. Блок-схема базової моделі фізичного рівня, яка використовувалася у всіх розроблених для застосування в середовищі MatLab імітаційних програмах для релеївських та райсівських радіоканалів, представлена на рис.1. Вхідні дані надходять з генератора випадкових даних. Пілот-сигнал використовується для контролю параметрів каналу. З виходу модулятора сигнал проходить через радіоканал.

Рис.1. Базова імітаційна модель

Використовувалися такі характерні для систем WiMAX види модуляції: BPSK, QPSK, QAM-16 і QAM-64. У моделі також можна використати OFDM модуляцію з паралельною відправкою символів по каналу в частотній області. Рознесення на приймальній і передавальній сторонах вибирається у залежності від конфігурації МIМО, тобто, може бути змінено число передавальних і приймальних антен, а також застосовано просторово-часове кодування. Модель каналу містить в собі канал з амплітудними завмираннями, а також канал з адитивним білим гаусівським шумом. Працездатність певного типу рознесення контролюється відправкою структурованого блоку даних по каналу, а потім порівнянням отриманих даних з переданими для розрахування частоти появи помилкових бітів. У процесі моделювання змінювались також такі параметри, як відношення сигнал/шум або швидкість пересування терміналу абонента. Дослідження характеристик якості WiMAX з МIМО при різних видах багатогопозиційної модуляції проводилося з використанням імітаційної моделі (рис.2), в якій відображені особливості просторових каналів з амплітудними завмираннями.

Рис.2. Блок-схема імітаційної моделі

В умовах відсутності прямої видимості використовувалась релеївська модель каналу з завмираннями канал зв'язок просторовий

(4)

де щ_di=(щ_cv/c)cos ш_i, Ф_i и ш_i - випадкові доплерівська поправка до частоти, початкова фаза та кут приходу i-тої відбитої хвилі. Змінні коефіцієнти квадратурних компонентів:

(5)

відображають не тільки випадкові амплітудні завмирання в каналах, а й вплив швидкості і напрямку руху мобільного терміналу.

Рис.3. Модель каналу з релеївськими амплітудними завмираннями

а) б)

Рис.4. Результати моделювання для релеївського каналу при швидкості терміналу 20 (а) і 80 (б) км/год

Блок-схема моделі каналу зображена рис.3. Вона дозволяє задавати коефіцієнти передачі радіоканалу з релеївськими плавними завмираннями і представлена двома квадратурними каналами, які складаються з генераторів гаусівського шуму, фільтрів доплерівських частот та балансних змішувачів об'єднаних суматором. Результати моделювання для релеївьского каналу при швидкостях мобільного терміналу 20 і 80 км/год представлені на рис.4а,б. Дослідження процесів фізичного рівня в умовах, коли у багатопроменевому каналі присутній також прямий сигнал, проводилося з використанням райсівської моделі.

На першому етапі проведено моделювання SIMO системи з сумувуванням диференційно зважених сигналів при BPSK модуляції та використанні різного числа антен на приймальній стороні. Результати цього моделювання представлені на рис.5а,б. Видно, що для 1x2 SIMO значення BER 10^-4 забезпечується при SNR = 5,2 дБ, для 1x4 SIMO те ж значення BER забезпечується при 2,4 дБ, для 1x6 SIMO - 0,6 дБ, а для 1x8 SIMO значення BER взагалі меньше10^-4.

а) б)

Рис.5. Підсумовування диференційно зважених сигналів кожного каналу з використанням різного числа антен (а) та з використанням різних типів модуляції для 1х4 SIMO (б)

Порівняння характеристик якості зв'язку в WiMAX при різній позиційності модуляції проводилося з використанням моделі 1x4 SIMO. Для BPSK отримано значення відношення сигнал/шум 2,4 дБ, для QPSK - 5 дБ, QAM16 -13 дБ і QAM64 -18 дБ (рис. 5б).

Результати моделювання SIMO системи при селективному прийомі з використанням різної кількості антен та різних типів модуляції для 1х4 SIMO наведені на рис.6.

а) б)

Рис. 6. Графіки залежності BER від відношення сигнал/шум при селективному прийомі з використанням різної кількості антен (а) та з використанням різних типів модуляції для 1х4 SIMO (б)

В умовах швидкої зміни стану каналу і високошвидкісній мобільності більш зручно застосовувати MIMO без зворотного зв'язку. Для вивчення особливостей цієї технології і виявлення проблем і наявних прихованих резервів проведено імітаційне моделювання WiMAX з конфігурацією 2x2, 2x4 і 4x2 MIMO при різних видах багатопозиційної модуляції.

Рис.7. а) Система MIMO 2x2 з однаковим SNR у всіх приймальних антенах. б) Система MIMO 2x2 при різних SNR в каналах

На рис.7а наведено результати для випадку ідеальних приймальних каналів. При ВЕR = 10^-4 для BPSK SNR сумарного сигналу становить 3 дБ, QPSK - 7 дБ, QAM16 - 13 дБ і QAM64 - 19 дБ. При неідеальних каналах і використанні вагового сумувування (рис.7б) значення SNR склали 13,5 дБ при BPSK, 16,8 дБ при QPSK, 23 дБ при QAM16 і 29 дБ при QAM64. Зниження ефективності становить близько 10 дБ для кожного типу модуляції, що дозволяє зробити висновок, що припущення про рівність співвідношень сигнал-шум в різних просторових каналах MIMO практично недосяжне. Це підтверджує необхідність врахування впливу випадкових загасань у різних просторових каналах MIMO при вирішенні задачі адаптації до реальних умов поширення.

Результати імітаційного моделювання показали, що при використанні методу селективного прийому конфігурації 4x2 MIMO і 2x4 MIMO забезпечують практично ідентичні експлуатаційні характеристики (рис.8).

Рис.8. Результати імітаційного моделювання для 4x2 і 2x4 MIMO

а) б)

Рис.9. Результати імітаційного моделювання при селективній передачі для MIMO 4x2 (а) та MIMO 2x4 (б)

MIMO з селективною передачею подібна MIMO з селективним прийомом. Єдина істотна відмінність - вибір антен відбувається на боці передавача. Для цього необхідне використання зворотного зв'язку. Природно, що при селективній передачі вибираються антени з найкращою по загасанню трасою поширення радіохвиль. Результати моделювання наведені на рис.9.

Видно, що метод селективної передачі забезпечує виграш в SNR приблизно 4 дБ, хоча при використанні підсумовування диференційно зважених сигналів кожного каналу системи 2x4 та 4x2 MIMO мали приблизно однакові характеристики.

У MIMO із замкненою петлею (зі зворотним каналом) важливу роль відіграє знання на передавальному пристрої матриці каналу, для чого проводиться попереднє кодування сигналу. Основною перевагою є можливість істотного збільшення пропускної спроможності (рис.10).

Рис.10. Залежність пропускної спроможності від SNR при різній конфігуаціі MIMO

OFDM модуляція застосовується в технології WiMAX для усунення межсимвольної інтерференції. Це забезпечується паралельною передачею даних на різних піднесучих та подовженням переданих символів так, щоб вони були набагато довшими найбільшої часової затримки в каналі. Однак, при високошвидкісній передачі з використанням широкосмугових частотних каналів можливі досить глибокі селективні завмирання. У стандарті WiMAX з OFDM не передбачається управління потужністю для різних піднесучих і у випадку появи частотно-селективних завмирань неминуче погіршення якості зв'язку. Очевидно, що і в цьому випадку використання адаптивного управління параметрами сигналів в частотній області (перерозподіл піднесучих з урахуванням реальних характеристик каналу) набуває дуже важливого значення.

Використання виміряних значень елементів матриці каналу не повністю вирішує задачу визначення реального стану каналу через «заморожування» матриці на час передачі пакета символів. Для мобільних абонентів матриця каналу Н може істотно змінюватись у часі. Це призводить до зростання помилок у визначенні матриці і, відповідно, до збільшення бітових помилок при прийомі.

В роботах [5,9] запропоновано використовувати виміряні за переданими тестовими сигналами значення матриці каналу і вводити передбачення наступних значень елементів матриці. Причому, оскільки процес зміни коефіцієнтів передачі в радіоканалі MIMO близький до марківського, то для передбачення можна використовувати лінійні алгоритми. При передачі символів корисної інформації значення елементів матриці апроксимуються за лінійним законом від останнього виміряного значення до передбаченого. Очевидно, чим менше помилка передбачення, тим менше рівень помилок при прийомі. Рівень помилок залежить від ряду чинників: від помилки виміру, помилки передбачення матриці, апроксимації функції на інтервалі між пілотними сигналами і від розміру інтервалу. Зменшення рівня помилок за рахунок зменшення інтервалу між пілотними символами є неефективним через зростання втрат пропускної здатності системи. У пропонованому методі питома вага тестових сигналів в загальному обсязі переданої інформації становить 1-2%, що призводить до несуттєвої втрати пропускної здатності по корисному сигналу. Для зменшення помилок, що виникають при зміні матриці каналу, послідовність відліків кожного коефіцієнта передачі каналу між парою антен може бути представлена як лінійна комбінація їх попередніх значень. Такий алгоритм передбачення називається лінійним і заснований на використанні авторегресійної моделі

, (6)

де p-порядок лінійного передбачувача, a[k]-коефіцієнти лінійного предиктивного кодувания. Помилка передбачення в цьому випадку дорівнюватиме

. (7)

У роботі досліджено вплив точності передбачення на імовірність бітових помилок у системах радіодоступу WiMAX з MIMO та розраховано рівень бітових помилок для системи з повним знанням каналу, який визначає мінімальний рівень помилок для "ідеального" передбачення.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено вирішенню основного завдання дослідження - розробці методу адаптивної модуляції в MIMO каналах.

Як показали результати моделювання, адаптивна модуляція, яка передбачена стандартом WiMAX, є недостатньо ефективною. Тому в даній роботі запропоновано удосконалений метод адаптивної модуляції, який отримав назву «Адаптивна модуляція в каналах MIMO», заснований на одночасному використанні різних типів модуляції в різних MIMO каналах, у залежності від загасання в каналах. При заданому значенні BER для MIMO з ідеальними каналами вибирається тип модуляції, який забезпечує найбільшу можливу швидкість передачі. У сильних каналах використовується, наприклад, QAM64, а у слабких ? QAM16 або BPSK. Таким чином, при використанні даного виду адаптивної модуляції кожна з MIMO антен може використовувати сигнали з різною або однаковою позиційністю модуляції з набору станів, що реалізуються, у залежності від відношення сигнал/шум на входах приймальних антен.

Схема системи WiMAX з адаптацією в каналах MIMO, в якій для адаптації використовуються тільки два види модуляції QPSK і QAM-16, наведена на рис.11.

Рис.11. Схема системи WiMAX з адаптацією в каналах MIMO

Рис.12. Адаптивна модуляція каналів

Результати моделювання при використанні лише двох вказаних видів модуляції, які представлені у вигляді графіків в нижній частині рис.12, підтверджують високу ефективність адаптації в мобільному WiMAX. Для порівняння у верхній частині графіків зображені ті ж залежності без адаптації при QAM64. Як видно з графіків, при швидкості мобільного терміналу 100км на годину, виграш у SNR перевищує 5дБ. Швидкість передачі склала 30 Мбіт/с при смузі пропускання 5МГц.

Рис.13. Модель зміни станів у MIMO каналах

У передбаченому в стандарті WiMAX алгоритмі адаптивної модуляції використовується однаковий вид модуляції в усіх MIMO каналах. У запропонованому методі вид модуляції у каналі визначається величиною SNR у каналі. Можлива модель зміни станів зображена на рис.13, в якій вид модуляції вибирається виходячи з наступних умов: (SNR?27) ? QAM64; (26.9?SNR?22) ? QAM16; (21.9?SNR?12) ? QPSK; (SNR ?11.9) ? BPSK.

У моделі MIMO з відкритою петлею використовувались просторово-часові коди Аламоуті, а у моделі MIMO із замкненою петлею ? попереднє просторово-часове кодування каналу з розкладанням по сингулярним числам матриці. Природно, що алгоритми адаптивної модуляції для MIMO з замкненою та відкритою петлями різняться. У моделі із замкненою петлею враховувалась перевага вибору діапазону SNR.

Для системи із замкненою петлею запропоновано використовувати алгоритм калманівскої фільтрації для відстеження змін в матриці каналу та її оцінки шляхом мінімізації впливів шуму [5,9,10]. У нашому випадку фільтр Калмана здійснює оцінку змін матриці каналу у відповідності з основними рівняннями фільтра:

(8)

(9)

(10)

де h(n) - оцінка елементу матриці каналу; y_nm(n) -коефіциєнт передачі вимірюваного каналу; k(n) -коефіцієнт підсилення Калмана; у_v² - дисперсія шуму; у_g² - потужність корисного сигналу; p(n) - середньоквадратична похибка вимірювання; а, с - вагові коефіцієнти.

Рис.14. Модель адаптивної системи с калманівскою фільтрацією

Коефіцієнт каналу h(n) оцінюється на основі знання попереднього значення h(n-1) та підсилення Калмана k(n). Наступне значення k(n) знаходиться з врахуванням похибки p(n-1), після чого розраховується наступне значення p(n).

Схема математичнoї моделі адаптивної системи 2x2 MIMO, яка містить у собі чотири канали (чотири фільтри Калмана), зображена на рис.14. Фільтри Калмана зчитують коефіцієнти вимірювальних каналів y_nm(n) по пілот-сигналам і передають розраховану матрицю каналу у блок алгоритмів адаптивної модуляції.

Реалізація методу адаптивної модуляції в MIMO каналах передбачає вирішення завдань управління. Можлива модель системи управління передавальним пристроєм, де для оцінки матриці каналу застосовується фільтр Калмана, представлена на рис.15 [5], а алгоритм вирішення оптимізаційної задачі - на рис.16.

Рис.15. Модель управління

Рис.16. Алгоритм вирішення оптимізаційної задачі

Функціональна схема системи WiMAX з реалізацією запропонованого методу адаптивної модуляції в каналах 2x2 MIMO та калманівською фільтрацією, зображена на рис.17, а модель зміни станів з десяти позицій - на рис.18.

Рис.17. Функціональна схема моделі 2x2 MIMO

Рис.18. Модель зміни станів з десяти позицій

У роботі показана також можливість та запропоновано метод адаптивної модуляції в частотній області [2,4]. Метод особливо ефективний у поєднанні з адаптивною модуляцією в MIMO каналах. При цьому система стає адаптивною як у часовій, так і у частотній областях. Суть адаптивної модуляції у частотній області полягає у виявленні селективних загасань, що виникають у конкретній частотній області. На підставі цієї інформації змінюється вид модуляції для даної групи піднесучих. У результаті помітно зменшується вплив селективних завмирань на якість зв'язку. Отриманий за результатами імітаційного моделювання виграш в SNR досягає 6дБ.

В четвертому разділі для підтвердження отриманих теоретичних результатів проведено імітаційне моделювання та експериментальне дослідження систем з MIMO.

Імітаційне моделювання мобільного WiMAX з адаптивною модуляцією в каналах MIMO проведено при розімкненій та замкненій петлі зворотного зв'язку.

а) б)

Рис.19. Результати імітаційного моделювання адаптивної модуляції у каналах MIMO при розімкненій (а) та замкненій (б) петлях зворотного зв'язку

а) б)

Рис.20. Адаптивна модуляція у каналах MIMO з використанням фільтрів Калмана при розімкненій (а) та замкненій (б) петлях зворотного зв'язку

Результати імітаційного моделювання для першого випадку представлені в нижній частині рис.19а. Вони підтверджують помітний виграш при використанні адаптивної модуляції в каналах MIMO мобільного WIMAX. Для порівняння у верхній частині графіків зображені ті ж залежності без адаптації. Результати моделювання при замкненій петлі представлені на рис.19б.

Проведено також моделювання WiMAX з адаптивною модуляцією в каналах MIMO з розімкненою (рис.20а) і замкненою (рис.20б) петлями при використанні для оцінки стану каналів фільтрів Калмана. Для порівняння на цих же рисунках наведені графіки для випадку ідеального знання параметрів каналу. Практична ідентичність графіків свідчить про високу ефективність використання калманівської фільтрації.

Проведено також натурний експеримент з аналізу параметрів якості функціонування системи WiMAX. Мета експерименту - вимірювання характеристик якості на фізичному рівні та їх оцінка з точки зору виконання критеріїв якості обслуговування при зміні параметрів радіоканалу. У ході експерименту використана програма Ixchariot для формування трафіків IPTV, вимірювання пропускної здатності, затримки часу та джиттеру. Під час експерименту змінювалися включені в скрипти параметри (відстань між передавачем і приймачем та рівень потужності радіосигналу). В експерименті використовувались два види адаптерів WiMAX - фіксований Greenpacket і мобільний Alcatel-Lucent. Результати вимірювання пропускної спроможності представлені на рис.21, а джитера - на рис.22. Експеримент показав, що хоча характеристики якості і відповідали гарантованим оператором, вони значно гірше тих, які могли б бути забезпечені WiMAX при використанні запропонованого методу адаптації.

Рис.21. Пропускна спроможність

Рис. 22. VOIP RFC 1889 джиттер

Наступність технології WiMAX з МIМО багатьом технічним та програмним рішенням стандарту 802.11n дозволяє використовувати дешеве і широко доступне обладнання WiFi з МIМО і для попередньої експериментальної перевірки теоретичних положень даної роботи. В експерименті використана апаратура фірми D-Link: безпроводовий маршрутизатор DIR - 655 2,4 ГГц; безпроводовий адаптер DWA - 547. Обидва пристрої відповідають стандарту IEEE 802.11n і мають режим MIMO з механізмом адаптації, подібний тому, що використовується у WiMAX. Схема експериментальної установки представлена на рис.23. Для генерації трафіку та вимірювань використовувався програмний аналізатор IxChariot, який підключався через підпрограму End Point.

Рис.23. Схема експериментальної установки

Результати вимірювань пропускної спроможності системи при переміщенні між передавальними і приймальними антенами об'єкта з відбивними, розсіюючими та поглинаючими властивостями наведені на рис.24.

Рис.24. Зміна пропускної спроможності при переміщенні відбиваючого об'єкта

З наведеного графіка видно, що в моменти появи об'єкта аналізатор програми IxChariot показує помітне (>30%) зменшення пропускної спроможності при збереженні величини BER. Це свідчить про функціонування механізму адаптивної модуляції, який зберігає заданий рівень імовірності бітових помилок за рахунок зменшення швидкості передачі (зменшення сигнальних позицій QAM). Однак у WiFi, як і в стандарті WiMAX, вид модуляції змінюється в усіх каналах МIМО однаково. Слід очікувати, що запропонований метод адаптивної модуляція в окремих каналах буде ще більш ефективно боротися з завмираннями в просторових каналах.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача розробки методів підвищення якості передачі інформації в системах радіодоступу WiMAX на основі використання адаптивної модуляції сигналів в просторових каналах MIMO. Значення результатів дисертаційної роботи для науки і практики полягає у тому що розроблені математичні моделі та методи адаптивної модуляції, які враховують особливості базових станцій та терміналів користувачів, дозволили виявити та запропонувати нові практичні шляхи підвищення продуктивності як фіксованого, так і мобільного WiMAX на основі більш повного використання просторового, часового та частотного ресурсів.

Висновки та рекомендації з наукового та практичного використання отриманих результатів такі:

1. Важливим напрямком розвитку систем WiMAX з MIMO є їхня адаптація до змін параметрів каналу, щоб якомога повніше використовувати усі ресурси часової і частотної областей та мінімізувати потужність на передачу і, в той же час, збільшувати пропускну спроможність системи зв'язку.

2. Розробка раціональних шляхів і оптимальних за обраним критерієм алгоритмів адаптації неможлива без об'єктивної оцінки параметрів швидкозмінювальних субканалів. При цьому для коректного аналізу процесів фізичного рівня необхідно застосовувати адекватні моделі багатопроменевих каналів. У роботі для аналізу процесів в умовах відсутності прямої видимості використана релеївська модель, а при спільному прийомі прямого і кількох відбитих променів - райсівська.

3. Вимірювання параметрів матриці каналу не повністю вирішує задачу визначення реального стану каналу через «заморожування» матриці на час передачі пакета символів. Для мобільних абонентів матриця каналу може істотно змінюватися у часі. Це призводить до зростання помилок її визначення і, відповідно, до збільшення бітових помилок при прийомі. Для підвищення швидкості і точності оцінок розроблено алгоритм з передбачення матриці каналу за результатами попередніх вимірювань з урахуванням динаміки змін цих параметрів. Показано, що навіть найпростіше лінійне передбачення матриці каналу для систем MIMO з адаптивною модуляцією дає можливість додатково знизити рівень бітових помилок в системі зв'язку приблизно у 3 рази.

4. Результати моделювання показали, що адаптивна модуляція, передбачена стандартом WiMAX, недостатньо ефективна. Тому запропоновано новий метод адап-тивної модуляції, який отримав назву «Адаптивна модуляція в каналах MIMO». Метод полягає в одночасному використанні різних типів багатопозиційної модуляції в різних MIMO каналах, в залежності від загасання в них. У сильних каналах використовується, наприклад, QAM64, а у слабких ? QAM16 або BPSK. Використання адаптивної модуляції в каналах MIMO забезпечує пристосування системи зв'язку до зміни сигнально-завадової обстановки. Виграш в SNR може досягати 15 дБ при незначному зниженні швидкості передачі інформації. Система зв'язку з адаптацією в каналах MIMO менш чутлива до зміни швидкості терміналу, що особливо важливо для мобільного WiMAX.

5. Показана можливість і запропоновано метод адаптивної модуляції у частотній області. Сутність адаптивної модуляції в частотній області полягає у виявленні селективних загасань, що виникають в конкретній частотній області. На підставі цієї інформації змінюється вид модуляції даної групи піднесучих. У результаті помітно зменшується вплив селективних завмирань на якість зв'язку. Отриманий за результатами імітаційного моделювання виграш в SNR досягає 6дБ.

6. Реалізація методу адаптивної модуляції в MIMO каналах передбачає вирішення задачі управління. Запропоновано модель системи управління передавальним пристроєм, в якій для оцінки матриці каналу застосовується фільтр Калмана. При цьому оптимізація якості управління здійснюється з використанням функції оптимізації параметрів модуляції. Вибір діапазону кожного з цих параметрів здійснюється у відповідності з критерієм якості на основі розробленого алгоритму.

7. Імітаційне моделювання проведено з використанням розробленої програмної моделі телекомунікаційної системи WiMAX з MIMO і просторово-часовим кодуванням, яка містить змінні програмні модулі середовища передачі, модулятори, демодулятори, просторово-часові кодери і декодери. Результати моделювання підтвердили головні теоретичні положення роботи і показали високу ефективність запропонованих методів адаптації. Результати експерименттального дослідження системи зв'язку з MIMO узгоджуються з результатами теоретичного аналізу та імітаційного моделювання. За рахунок адаптації, навіть у складній сигнально-завадовій обстановці, реальна система зберігає заявлену якість передачі інформації.

Список опублікованих праць по темі дисертації

1. Марчук А.В. Влияние мобильности абонента на пропускную способность MIMO систем радиодоступа / А.В. Марчук, З. Вадиа // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ - 2009) - материалы 5-й междунар. молодежной науч. техн. конф. - Севастополь: Вебер, 2009. - С. 129.

2. Loshakov V. Comparative analysis of using transmission and receiving diversity methods in WiMAX technology / V. Loshakov, Z. Vadia, А. Hasan // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2009. - Вып. 159. - С. 122-126.

3. Вадиа Зияд. Имитационное моделирование системы беспроводного доступа WiMAX в условиях многолучевой интерференции / З. Вадиа // Радиоэлектроника и моло-дежь в XXI веке: XIII Международный молодежный форум. - Х: ХНУРЭ, 2009. - С.144.

4. Loshakov V. Adaptive modulation of signals in MIMO channels / V. Loshakov, Z. Vadia // Проблеми телекомунікацій. - 2010. - No.1 (1). - С. 102-108. - Режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/prtel/2010_1/10lvaimc.pdf.

5. Вадия З. Имитационное моделирование системы WiMAX с использованием технологии MIMO / З. Вадия, А. Хасан // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XIV Международный молодежный форум. - Харьков, 2010. - С. 147.

6. Марчук А.В. Адаптивная модуляция в каналах MIMO / А.В. Марчук, З. Вадиа, Х. Ал-Джанаби // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2010. - Вып. 163. - С.122-128.

7. Al-Janabi H. Improving the performance of LTE technology by using MIMO and OFDM / H. Al-Janabi, Z. Vadia // Проблеми телекомунікацій. - 2011. - No.3 (5). - С. 22-28. - Режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/prtel/2011/3/1/113vadia.pdf.

8. Vadia Z. Increasing wide band wireless technology WiMAX transmition quality by using multiantenna system / Z. Vadia // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XIV Международный молодежный форум. - Х.: ХНУРЭ , 2011. - С. 147.

9. Loshakov V. Using Kalman filtering in solving adaptive modulation problems in MIMO channels / V. Loshakov, Z. Vadia // IV Международный радиоэлектронный форум «МРФ - 2011», - Сб. науч. тр., том II. Х.: ХНУРЄ, 2011. - С. 233-236.

10. Loshakov V. Results of experimental research quality of communications in WiMAX system / V. Loshakov, Z. Vadia, H. Al-Janabi // IV Международный радиоэлектронный форум « МРФ - 2011». - Сб. н. тр., том II. Х.: ХНУРЄ, 2011. - С. 237-239.

Анотація

Зіяд Тарік Вадіа. Підвищення якості зв'язку в системах WiMAX з MIMO в умовах багатопроменевої інтерференції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. Харківський національний університет радіоелектроніки. Харків. 2011.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової задачі підвищення якості зв'язку в системах широкосмугового радіодоступу WiMAX з MIMO в умовах багатопроменевої інтерференції. Системи WiMAX з MiMO повинні використовувати усі просторові та частотні ресурси, щоб мінімізувати потужність передачі і, в той же час, збільшувати пропускну спроможність системи зв'язку шляхом адаптації до стану радіоканалу. Адаптивна модуляція, яка передбачена стандартом WiMAX, недостатньо ефективна. Тому запропоновано новий метод адаптивної модуляції, який отримав назву «Адаптивна модуляція в каналах MIMO». Метод полягає в одночасному використанні різних типів багатопозиційної модуляції в різних MIMO каналах у залежності від загасання в них. У сильних каналах використовується, наприклад, QAM64, а у слабких ? QAM16 або BPSK. Система зв'язку з адаптацією в каналах MIMO менш чутлива до зміни швидкості терміналу, що важливо для мобільних систем зв'язку.

Реалізація методу адаптивної модуляції в MIMO каналах передбачає вирішення задачі управління. Запропоновано модель системи управління передавальними пристроями MiMO, в якій для оцінки матриці каналу застосовується фільтр Калмана. Достовірність наукових результатів і висновків, сформульованих у дисертації, доведено шляхом імітаційного моделювання та експерименту на реальному обладнанні.

Ключові слова: WiМAX технологія, MIMO система, просторово-часове кодування, адаптивна модуляція в каналах MIMO.

Аннотация

Зияд Тарик Вадиа. Повышение качества связи в системах WiMAX с MIMO в условиях многолучевой интерференции. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. Харьковский национальный университет радиоэлектроники. Харьков. 2011.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной задачи повышения качества связи в системах широкополосного радиодоступа WiMAX с MIMO в условиях многолучевой интерференции. Системы WiMAX с MiMO должны использовать все пространственные и частотные ресурсы, чтобы минимизировать мощность передачи и, в то же время, увеличивать пропускную способность системы связи путем адаптации к состоянию радиоканала. Адаптивная модуляция, предусмотренная стандартом WiMAX, недостаточно эффективна. Поэтому предложен новый метод адаптивной модуляции, который получил название «Адаптивная модуляция в каналах MIMO». Метод заключается в одновременном использовании различных типов многопозиционной модуляции в различных каналах MIMO в зависимости от затухания в них. В сильных каналах используется, например, QAM64, а в слабых ? QAM16 или BPSK. Система связи с адаптацией в каналах MIMO менее чувствительна к изменению скорости терминала, что важно для мобильных систем связи. Реализация метода адаптивной модуляции в каналах MIMO предполагает решение задачи управления. Предложена модель системы управления передающими устройствами каналов MIMO, в которой для оценки матрицы канала применяется фильтр Калмана. Достоверность научных результатов и выводов, сформулированних в диссертации, доказана путем имитационного моделирования и эксперимента на реальном оборудовании.

Ключевые слова: WiМAX технология, MIMO система, пространственно-временное кодирование, адаптивная модуляция в каналах MIMO.

Abstract