CC BY
74
Электронный журнал Cloud of Science. 2014. T. 1. № 1.
http://cloudofscience.ru
УДК 621.391:519.72
Исследование эффективности многопорогового декодера в беспроводных каналах связи
Д. А. Шевляков
Рязанский государственный радиотехнический университет 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1 e-mail: dima-shevlyakov@yandex.ru
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с эффективностью декодирования многопороговых методов коррекции ошибок в типичных многолучевых каналах связи с замираниями. Проведено исследование характеристик при совместном использовании многопорогового декодера и OFDM c различными характеристиками. Показано, что многопороговые декодеры способны обеспечивать достаточно высокую достоверность передаваемых данных при большом количестве ошибок.
Ключевые слова: замирание сигнала, беспроводные системы передачи данных, помехоустойчивое кодирование, самоортогональные коды, многопороговые декодеры, достоверность передачи данных, компьютерное моделирование, межсимвольная интерференция.
ГРНТИ 49.13.15
1. Введение
Сегодняшнюю повседневную жизнь нельзя представить себе без передачи различного рода информации. Передача может осуществляться как проводными, так и беспроводными каналами связи. На сегодняшний день наиболее перспективными, востребованными и представляющими наибольший интерес, являются беспроводные каналы связи. Применение беспроводных каналов в составе цифровых систем передачи информации имеет много преимуществ в сравнении с проводными, но имеет один значительный недостаток — малую помехозащищенность. Для борьбы с упомянутым недостатком применяется помехоустойчивое кодирование. В настоящее время одним из лучших, по соотношению эффективности и сложности реализации, является метод многопорогового декодирования (МПД) самоортогональных кодов (СОК), характеризующийся значительным уровнем энергетического выигрыша и очень высоким быстродействием. Подробное описание и принцип работы МПД можно найти в [1], [2]. Следует отметить, что большая часть результатов исследований, представленных в публикациях по МПД, получена для каналов связи с аддитивным белым Гауссовским шумом (АБГШ), т. е. в каналах с независимыми
ошибками без замираний и многолучевого распространения сигнала. В то же время реальные каналы часто характеризуются более сложным характером ошибок, вызванным многолучевым распространением сигнала.
К основным эффектам многолучевого распространения сигнала относят замирание сигнала, возникающее из-за того, что множественные радиосигналы прибывают на приемник в одно и то же время и имеют разницу фаз в 180° и межсимволь-ную интерференцию (МСИ), которая появляется из-за разницы во времени между базовым сигналом и множественными отраженными копиями [4].
Для борьбы с замираниями и МСИ наилучшие результаты дает комплексное применение различных подходов, например, использование цифровой схемы модуляции, называемой OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing), и помехоустойчивого кодирования.
2. Результаты моделирования для каналов с релеевскими и райсовскими замираниями
При получении представленных далее характеристик использовались МПД для самоортогонального кода с кодовой скоростью R = 1/2, кодовым расстоянием d = 17 и длиной около n = 32000 битов, модуляция типа QPSK и демодулятор, формирующий только жесткие решения относительно принятых битов. Результаты моделирования получены с помощью разработанных программных средств моделирования системы передачи данных.
На рис. 1 кривой 1 представлен пример зависимости вероятности ошибки декодирования (BER) МПД от уровня шума в канале (Eb / N0) с АБГШ (замирания отсутствуют). С данной кривой в дальнейшем будем сравнивать результаты моделирования, полученные для каналов с замираниями [3].
10
10
СИ ш
10
10
-1--------------------------------1-
о
-и-1) AGWN -в-2) Rayleigh Fd=50 -1-3) Rayleigh Fd=100 -0-4) Ricean K=1, Fd=150 -*-5) Ricean K=2, Fd=100 ★ 6) Ricean K=2, Fd=150 -3-7) Ricean K=5, Fd=100 -ф-8) Ricean K=5, Fd=150 -©■9) Ricean K=5, Fd=200 + 10) Ricean K=10, Fd~100
10
12
14
16
18
E /Nn, dB 6 o’
Рисунок 1. Характеристики МПД в канале с замираниями
МЕТОДЫ
АЛГОРИТМЫ
ПРОГРАММЫ
Cloud of Science. 2014. T. 1. № 1.
Кривыми 2 и 3 на данном рисунке показаны характеристики МПД в канале с коррелированными релеевскими замираниями с доплеровской частотой Fd = 50 и 100 Гц соответственно. При этом в приемник от передатчика приходят только отраженные лучи, т. е. прямой видимости между ними нет. Заметим, что в данном случае наблюдается существенное ухудшение характеристик по сравнению с каналом с АБГШ. При этом с более быстрыми замираниями МПД справляется лучше. Это объясняется тем, что при медленных замираниях часто ошибочными оказываются достаточно длинные последовательности рядом лежащих битов, искажая значительную часть кодового блока. И с такой долей искаженных битов методы МПД как, впрочем, и любые другие методы коррекции ошибок, не справляются. Одним из возможных способов повышения эффективности МПД в таких условиях видится использование дополнительного перемежителя, длина которого должна составлять сотни тысяч битов.
Оставшиеся кривые соответствуют случаю работы МПД в канале с райсовскими замираниями, когда между передатчиком и приемником есть прямая видимость. Кривая 4 соответствует варианту с коэффициентом Райса К = 1 и доплеровской частотой Fd =150 Гц. Канал при получении кривых 5 и 6 имел K=2 и Fd = 100 и 150 Гц. Кривым 7, 8 и 9 соответствуют значения коэффициента Райса K=5 и до-плеровские частоты Fd = 100, 150 и 200 Гц соответственно. И, наконец, кривой 10 соответствуют К= 10 и Fd= 100 Гц. Сравнивая перечисленные графики между собой и с ранее рассмотренными графиками видно, что чем больше коэффициент Райса, т. е. чем больше мощность прямого луча, тем лучше обеспечиваемые характеристики помехоустойчивости. Но при этом даже при К = 10 (т. е. при десятикратном превосходстве мощности прямого луча над мощностью отраженных лучей) наблюдается потеря в энергетике около 2 дБ по сравнению с гауссовским каналом. Кроме этого видно, что и в данном случае МПД лучше справляется с более быстрыми замираниями, поскольку при этом меньше вероятность, что значительная часть кодового блока будет подвержена сильным замираниям.
Следует заметить, что рассмотренный вариант применения МПД позволяет успешно бороться только с частотно-неселективными замираниями, такими как: релеевские замирания и замирания райса. В том случае, если замирания частотноселективные (т. е. присутствует межсимвольная интерференция), то для борьбы с ними необходимо использовать дополнительные средства. Одним из подобных средств является так называемое мультиплексирование с ортогональным частотным разделением или OFDM.
3. Результаты моделирования для многолучевого канала связи при различных параметрах OFDM
Опишем результаты моделирования МПД в многолучевом канале с различным числом несущих OFDM схемы мультиплексирования. При получении представленных далее характеристик использовались: МПД для одного из лучших самоортого-
нальных кодов с кодовой скоростью R = 1/2, кодовым расстоянием d = 17 и длиной около n = 32000 битов; модель шестилучевого канала связи с задержками лучей 0, 800, 1600, 3200, 4900 и 7300 нс. и профилем мощностей 0, -1, -9, -10, -15 и -30 дБ; модуляция типа 16APSK, поскольку ее характеристики занимают некоторое среднее положение среди существующих; демодулятор, формирующий только жесткие решения относительно принятых битов; длинна защитного интервала 1/16 длины OFDM символа. Также предполагается, что в системе организовано переме-жение данных на уровне OFDM символов [5]. Результаты моделирования получены с помощью разработанных программных средств моделирования системы передачи данных.
На рис. 2 кривыми 1-4 представлены характеристики с числом несущих 256, 512, 2048, 4096. Отметим, что меньшее число несущих OFDM символа приводит к некоторому улучшению характеристик, что может быть вызвано наличием переме-жения на уровне OFDM символов.
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
W дБ
Рисунок 2. Характеристики МПД при различных видах модуляции
Из рисунка видно, что даже при таких сложных манипуляциях МПД способен обеспечивать высокую достоверность передачи данных при высоком уровне ошибок в канале. Следует отметить, что это первые результаты, полученные для совместного использования МПД и OFDM и необходимо решить еще ряд вопросов, связанных с оптимизацией исходных параметров обоих методов.
4. Выводы
Результаты, полученные в ходе исследования, показали, что МПД, обеспечивающие высокую эффективность в гауссовских каналах, оказываются способными бороться с ошибками и в значительно более сложных условиях применения, когда большинство других методов исправления ошибок оказываются бессильными. За-
МЕТОДЫ
АЛГОРИТМЫ
ПРОГРАММЫ
Cloud of Science. 2014. T. 1. № 1.
метим, что эффект от применения помехоустойчивого кодирования в данных случаях многократно превышает эффект от применения кодирования в гауссовском канале, поскольку в каналах с замираниями без применения кодирования часто оказывается вообще невозможным обеспечить требуемую достоверность передачи данных даже при очень большой мощности излучаемого сигнала.
Большой объем научно-методических и учебно-демонстрационных материалов по МПД алгоритмов представлен на специализированном двуязычном веб-сайте www.mtdbest.ru. Представленные результаты получены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и гранта Президента Российской Федерации.
Литература
[1] Золотарев В. В. Теория и алгоритмы многопорогового декодирования / под ред. чл.-корр. РАН Ю. Б. Зубарева. — М. : «Радио и связь», «Горячая линия-Телеком», 2006.
[2] Золотарев В. В., Зубарев Ю. Б., Овечкин Г. В. Обзор методов помехоустойчивого кодирования с использованием многопороговых алгоритмов // Цифровая обработка сигналов. 2008. № 1. C. 2-11.
[3] Овечкин Г. В., Пылькин А. Н., Шевляков Д. А. Исследование эффективности многопорогового декодера в каналах связи с замираниями // Материалы 6-й Международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». — Рязань : РГРТУ, 2013. С. 214-215.
[4] Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. — М. : Советское радио,
1970.
[5] Шевляков Д. А. Исследование эффективности многопорогового декодера в многолучевом канале связи с OFDM схемой модуляции // Математическое и программное обеспечение вычислительных систем: Межвузовский сборник научных трудов — Рязань : РГРТУ, 2013. С. 106-110.
Автор: Дмитрий Александрович Шевляков, аспирант кафедры вычислительной и прикладной математики Рязанского государственного радиотехнического университета.
Research of efficiency multithreshold decoder in wireless channel
D. A. Shevlyakov Ryazan state radio engineering university 59/1, Gagarina street, Ryazan, 390005
Abstract. The problems related to the efficiency of multithreshold decoders in typical multipath fading channels are described in the article. A study of the characteristics of the use of shared multithreshold decoder and OFDM with different characteristics was implemented. The research demonstrates that multithreshold decoders are capable of providing a sufficiently high accuracy of the transmitted data with a large number of errors.
Keyword: fading, wireless communication system, error-correcting coding, self-orthogonal codes, mutithreshold decoders, data transmission reliability, computer simulation, intersymbol interference.
Reference
[1] Zolotarev V. V. Teorija i algoritmy mnogoporogovogo dekodirovanija // U. B. Zubarev (ed).— M. : Radio i svjaz, Gorjachaja linija-Telekom, 2006.
[2] Zolotarjov V. V., Zubarev U. B., Ovechkin G. V. Obzor metodov pome-houstojchivogo kodirovanija s ispolzovaniem mnogoporogovyh algoritmov // Cifrovaja obrabotka signalov. 2008. No. 1. P. 2-11.
[3] Ovechkin G. V., Pylkin A. N., Shevlyakov D. A. Issledovanie jeffektivnosti mnogoporogovogo dekodera v kanalah svjazi s zamiranijami // Materialy 6-j Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii «Kosmonavtika. Radiojelektronika. Geoinformat-ika». — Ryazan : RSREU, 2013. P. 214-215.
[4] Fink L. M. Teorija peredachi diskretnyh soobshhenij. — Sovetskoe radio, 1970.
[5] Shevlyakov D. A. Issledovanie jeffektivnosti mnogoporogovogo dekodera v mnog-oluchevom kanale svjazi s OFDM shemoj moduljacii // Matematicheskoe i pro-grammnoe obespechenie vychislitel'nyh sistem: Mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov — Ryazan : RSREU, 2013. P. 106-110.
