CC BY
72«ШУШМИМ-ЛШИПШУ» #693)), 2021 / TECHNICAL SCIENCE
11
TECHNICAL SCIENCE
Антонова Вероника Михайловна,
к.т.н., доц., МГТУ им. Н.Э. Баумана, н.с. ИРЭ РАН им Котельникова
Кузнецова Александра Михайловна, студент, МГТУ им. Н.Э. Баумана Сухорукова Надежда Алексеевна студент, МГТУ им. Н.Э. Баумана DOI: 10.24412/2520-6990-2021-693-11-16 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ПРЕИМУЩЕСТВ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ MIMO
Antonova Veronika Mikhailovna,
Candidate of Technical Sciences, Assoc. Professor, MSTU im. N.E. Bauman, researcher IRE RAS named after
Kotelnikov
Kuznetsova Alexandra Mikhailovna,
student, Moscow State Technical University N.E. Bauman
Sukhorukova Nadezhda Alekseevna
student, MSTU im. N.E. Bauman
RESEARCH AND EVALUATE THE ADVANTAGES OF APPLICATION OF MIMO TECHNOLOGY
Аннотация.
В работе систем радиоканала беспроводных каналов связи по технологии MIMO требуется достаточно точное исследование их характеристик, значимых информационных параметров, особенностей. Важное место в корректной работе подобных систем играет исследование и предотвращение сбоев каналов. В данной работе рассмотрена имитационная модель для передачи информации по каналу с множеством входов и множеством выходов (MIMO), проведено исследование и оценка преимуществ предложенной модели.
Abstract.
In the operation of radio channel systems of wireless communication channels using MIMO technology, a sufficiently accurate study of their characteristics, significant information parameters, and features is required. Research and prevention of channel failures plays an important role in the correct operation of such systems. In this paper, a simulation model for transmitting information over a channel with multiple inputs and multiple outputs (MIMO) is considered, a study and assessment of the advantages of the proposed model is carried out.
Ключевые слова: MIMO, решетчато-кодированная модуляция, мультиплексирование антенн, разнесенный прием, пространственное разнесение, ортогональное пространственно-временное кодирование.
Keywords: MIMO, trellis-coded modulation, antenna multiplexing, receive diversity, space diversity, orthogonal space-time coding.
In the operation of radio channel systems of wireless communication channels using MIMO technology, a fairly accurate study of their characteristics, significant information parameters, and features is required. An important role in the correct operation of such systems is played by the study and prevention of channel failures. In this article we a simulation model for transmitting information over a channel with multiple inputs and multiple outputs (MIMO) is considered, and the advantages of the proposed model are studied and evaluated.
Keywords: MIMO, lattice-coded modulation, antenna multiplexing, spaced reception, spatial diversity, orthogonal space-time coding.
Введение
Технология MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output), как метод пространственного кодирования сигнала, увеличивает полосу пропускания канала, передача и прием данных в котором осуществляются системами, состоящими из нескольких антенн.
Для увеличения информативности, стабильности и точности в работе систем радиоканала беспроводных каналов связи по технологии MIMO требуется достаточно точное исследование радиолокационных характеристик, а также значимых информационных параметров, особенностей, отраженных от поверхностей и эхо сигналов.
В работе рассмотрена имитационная модель схемы ортогонального пространственно-временного блочного кода (OSTBC), сцепленного с решетчато-кодированной модуляцией (TCM) для передачи информации по каналу с множеством входов и множеством
выходов (MIMO) с двумя передающими антеннами и одной приемной антенной с целью исследования и оценки преимуществ предложенной модели.
Разработка и описание модели системы радиоканала беспроводных каналов связи по технологии MIMO.
На рис. 1 представлен вариант реализации модели системы радиоканала беспроводных каналов связи по технологии MIMO в среде Matlab Simulink.
Модель состоит из:
- передатчика;
- каналов связи, реализующих работу алгоритмов комбинирования и мультиплексирования антенн в режиме разнесенного приема для беспроводных каналов связи;
- приемника.
На рис. 2 приведены зависимости пропускной способности радиоканала беспроводных каналов связи с переключением антенн на передаче и приеме для следующих алгоритмов:
- оптимального по критерию максимума пропускной способности (3);
- оптимального по критерию максимума ОСШ
(2);
- использующего на передающей стороне полную информацию о состоянии канала [2];
- не использующего на передающей стороне информацию о канале [2].
«етуушшим-лшшаи» 2021 / technical science
13
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Рисунок 2 - Пропускная способность каналов связи:
- полная информация о состоянии радиоканала;
^ - критерий максимальной пропускной способности (4); —©— - критерий максимума ОСШ (2); Ф - нет информации о состоянии канала
Согласно рис. 2 можно сделать вывод, что получить выигрыш относительно пропускной способности порядка (40 - 60) % позволяет получить использование полной информации о состоянии канала на передающей стороне. Процент пропускной способности колеблется в зависимости от ОСШ.
Можно получить выигрыш в (25-30) % пропускной способности при применении алгоритма оптимального по критерию максимума.
При алгоритме оптимальном по критерию максимума ОСШ можно получить выигрыш (10-15) % в пропускной способности.
Ортогональный пространственно-временной блочный код (OSTBC) [2] представляет собой привлекательную технику для беспроводной связи MIMO [1, 4]. Они используют полный порядок пространственного разнесения и посимвольное декодирование максимального правдоподобия (ML). Тем не менее, они не дают никакого выигрыша от
кодирования. Объединитель для OSTBC на стороне приемника предоставляет мягкую информацию о переданных символах, которая может использоваться для декодирования или демодуляции внешнего кода.
Решетчато-кодированная модуляция (TCM) [2] представляет собой эффективную по полосе пропускания схему, которая объединяет кодирование и модуляцию для обеспечения большей эффективности кодирования. Конкатенация TCM с внутренним кодом зачастую обеспечивает улучшенную производительность.
На рис. 3 приведена схема ортогонального пространственно-временного блочного кода (OSTBC), сцепленного с решетчато-кодированной модуляцией (TCM) для передачи информации по каналу с множеством входов и множеством выходов (MIMO) с 2 передающими антеннами и 1 приемной антенной.
Длина кадра 120
Сигнал ''шум 10
Коэффициент ошибок 2.0е-01
кадра
Максимальное количество опшбскбОО
Максимальное количество кадров Se-tOG
Кодированиес помощью OSTBC
Be rnoulli Binary
[120x1]
20x1]
Генератор случайных двоичных чисел с использованием
распределения [120x1] Бернулли
~1_Г~№\ЛЛЛ,
QPSK
Nt
[60x1]
ф txSig u ostbc encoder
M-PSK TCM модулятор
Расчет частоты ошибок кадра
20x1]
0-2003|
~5Ш|
~249б]
FER
# Ошибок
# Кадров
Показатели
[120*1]
rxSig
ostb:_combiner chEst
M-PSK ГСМ демодулятор
[60*1]
Получение символы Комбинирование OSTBC с TCM
Ввод Nt
Тор:Вв5дгтюг Bottom: Адаптивной
►-о
-C-
Цель FER
Target _FER Nt
Actual FER Nr
Адаптированный алгоритм
Ввод Nr
Кол-во
Top: Адаптивное приемов Botto mB веденное
Адаптационная модель контроля
Визуализация сигнала
[50x1x4x41
Рисунок 3 - Модель схемы ортогонального пространственно-временного блочного кода, сцепленного с решетчато-кодированной модуляцией
«шушмим-лшигмау» #6(93), 2021 / TECHNICAL SCIENCE
15
выполняемые моделью.
Отдельные задачи, включают в себя:
1) Генерация случайных данных/
Блок двоичного генератора Бернулли создает источник информации для этого моделирования. Блок генерирует кадр из 100 случайных битов. Samples per fi-атеПараметр определяет длину выходного кадра (100 в данном случае).
2) Решетчатая модуляция (TCM)/
Блок кодера TCM M-PSK модулирует данные сообщения от двоичного генератора Бернулли в созвездие PSK, которое имеет среднюю единицу энергии.
Блок декодера TCM M-PSK использует алгоритм Витерби для TCM для декодирования сигналов от объединителя OSTBC.
3) Ортогональные пространственно-временные блочные коды (OSTBC).
Кодер блок OSTBC кодирует информационные символы из TCM кодировщика с помощью кода Alamouti для 2 передающих антенн. Выход этого блока представляет собой матрицу 50x2, записи которой в каждом столбце соответствуют данным, передаваемым по одной антенне.
Блок объединителя OSTBC объединяет принятые сигналы от приемной антенны с информацией о состоянии канала (CSI) для вывода оценок пере-
данных символов, которые затем подаются в декодер TCM M-PSK. В этом примере CSI считается полностью известным на стороне приемника.
4) Канал MIMO
Блок канала затухания MIMO имитирует канал Рэлея с ровными частотами 2x1.
Причина использования принятых параметров модели состоит в том, чтобы заставить канал MIMO вести себя как квазистатический канал с замиранием, то есть он остается постоянным в течение передачи одного кадра и изменяется по нескольким кадрам.
5) Шум приемника.
Блок канала AWGN добавляет белые гауссов-ские шумы на стороне приемника.
6) Расчет частоты ошибок кадра (FER). Подсистема вычисления частоты ошибок
кадра (ЧОК) сравнивает декодированные биты с исходными битами на кадр для обнаружения ошибок и динамически обновляет ЧОК во время моделирования. Выход этой подсистемы представляет собой трехэлементный вектор, содержащий ЧОК, количество наблюдаемых кадров ошибок и количество обработанных кадров. Этот вектор взят из блока вычисления коэффициента ошибок и также сохраняется как переменная рабочего пространства среды моделирования Matlab.
На рис. 4 приведены результаты моделирования, которые отражают эффективности FER и SNR.
16 18 SNR (dB)
Рисунок 4 - Результат эффективности FER и SNR
Приведенный пример иллюстрирует преимущества схемы объединения OSTBC и ТСМ: усиление пространственного разнесения, предлагаемое OSTBC, и усиление кодирования, предлагаемое TCM.
Заключение
Как и ожидалось, схема конкатенации обеспечивает значительное усиление разнесения по сравнению со схемой ТСМ и усиление кодирования около 2 дБ по сравнению с кодом Аламоути.
В качестве перспективности применения предложенной имитационной модели в рабочей области
16
TECHNICAL SCIENCE / «ШЦУШШУМ-ЛШШаИ» #693)), 2021
Matlab создаются переменные, которые можно изменять для изучения влияния различных настроек параметров, таких как Samplesperframe(переменная frameLen), TreUisstructure(переменная trellis) или MaximumDopplershift (Hz)(переменная maxDopp), на производительность системы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №19-07-00525А)
Список литературы
1. Hampton J.R. Introduction to MIMO Communications. - UK, Cambridge University Press, 2014. -288 p.
2. Shahbazpanahi S., Beheshti M., Gershman A.B., Gharavi-Alkhansari M., Wong K.M. // IEEE Trans. on Signal Processing. 2004. V. 52. Р. 33063313.
3. Г. Унгербок, Канальное кодирование с многоуровневыми / фазовыми сигналами. Т. IT-28, с. 55-67, январь 1982 г.
4. Шувалов, Р. И. Место технологии MIMO в составе беспроводной сети / Р. И. Шувалов. - Текст: непосредственный, электронный // Молодой ученый. - 2019. - № 27 (265). - С. 36-39.
УДК: 632.937.2.
Майоров П.А., Чичков А.В.
Российский технологический университет РТУ МИРЭА ОБЗОР СОВРЕМЕНЫХ МЕТОДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Mayorov P. A., Chichkov A. V.
Russian Technological University RTUMIREA OVERVIEW OF MODERN METHODS OF TECHNICAL DESIGN
Аннотация.
В статье рассматриваются современные методы технического проектирования, а также приводиться пример методов проектирования на основе производства трансформаторов.
Abstract.
The article discusses modern methods of technical design, as well as provides an example of design methods based on the production of transformers.
Ключевые слова: Техническое проектирование, ГОСТ, эвристический метод, итерационный метод, метод декомпозиции, метод контрольных вопросов, метод мозгового штурма, метод морфологического анализа, метод конструирования, экспериментальный метод, трансформатор.
Keywords: Technical design, GOST, heuristic method, iterative method, decomposition method, control questions method, brainstorming method, morphological analysis method, design method, experimental method, transformer.
Техническое проектирование содержит много современных методов проектирования приборов и систем. Согласно ГОСТ 22487-77 [1] под проектированием понимается Процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразованием (в ряде случаев неоднократным) первичного описания, оптимизацией заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, устранением некорректности первичного описания и последовательным представлением (при необходимости) описаний на различных языках. Под техническим проектированием принято понимать планирование деятельности, результатом которой является готовое изделие или система. В рамках данной статьи рассматриваются современные методы технического проектирования трансформаторов.
Различают несколько видов проектирования технических объектов: эвристические, экспериментальные и формализованные. Дадим им краткую характеристику.
Эвристические методы основаны на интуитивном решении задач проектирования. Их можно разделить на следующие методы.
Итерация. Данный метод использует последовательные приближения при решении проектных задач. Одним из достоинств данного метода является возможность его использования в условиях информационной неопределенности. Наибольшую актуальность данный метод имеет при освоении процесса проектирования конструкций. В этом случае берется заранее рабочее решение, которое впоследствии редактируется, для достижения требуемого результата. Недостатком данного метода являются большие трудозатраты и длительность процесса проектирования.
Метод декомпозиции. Данный метод характеризует то что, любую сложную конструкцию
