CC BY
348
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ FH-OFDM ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДОПЛЕРОВСКОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ
Карпухин Евгений Олегович,
к.т.н., доцент кафедры радиосистем и комплексов управления, передачи информации и информационной безопасности Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва, Россия, ret1987@yandex.ru
Мазепа
Роман Богданович,
к.т.н., профессор, заведующий кафедрой радиосистем и комплексов управления, передачи информации и информационной безопасности Московского авиационного института (национального исследовательского университета),
г. Москва, Россия, mrb402@mai.ru
Михайлов
Владимир Юрьевич,
д.т.н., доцент, профессор кафедры радиосистем и комплексов управления, передачи информации
и информационной безопасности Московского авиационного института (национального исследовательского университета), г. Москва, Россия, mihvj@yandex.ru
£
О л л С
Ключевые слова:
турбо-код; сверточный код; код Рида-Соломона; сигнально-кодовая конструкция; Доплеровский сдвиг.
Как известно, системы связи и передачи информации требуют высокую эффективность использования полосы частот и энергетики канала. Особенность современных систем заключается в расширении требований безопасности информационных процессов. Существует множество способов удовлетворения указанным требованиям, однако оценка эффективности их применения в разнообразных реализациях информационных систем, в частности в аэрокосмических информационных системах, является актуальной задачей. Наиболее привлекательным средством исследования эффективности систем является имитационное моделирование, а наиболее распространенным средством - среда Matlab. В статье рассмотрены сигнальные конструкции FH-OFDM, базирующиеся на широко распространенных технологиях скачков по частоте (FH) и ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM). Рассмотрены варианты совместного применения технологий частотных скачков и ортогонального частотного мультиплексирования. Вариант с псевдослучайным выбором OFDM-поднесущих является частным случаем технологии OFDMA, а передача сигнала после прохождения через блок формирования частотных скачков в OFDM-модулятор нарушает ортогональность поднесу-щих частот. Исходя из этих логических соображений оптимальным вариантом совместного использования технологий FH и OFDM является передача OFDM-символов на псевдослучайных несущих. Показаны особенности использования сигнально-кодовых конструкций на основе FH-OFDM. Приводятся результаты имитационного моделирования перспективных сигнально-кодовых конструкций на основе LDPC, сверточных турбо-кодов, каскадных кодов (код Рид-Соломона и сверточный код) и кодов Рида-Соломона с модуляцией ФМ-4 при воздействии Доплеровского сдвига частоты. Было установлено, что применение сигнально-кодовых конструкций на основе FH-OFDM с механизмами компенсации сдвига частоты, взятыми у технологии OFDM, позволяет устранить последствия от воздействия эффекта Доплера на телекоммуникационную систему, использующую FH-OFDM. Сигнально-кодовые конструкции на основе FH-OFDM представляют интерес для использования в радиосистемах передачи информации летательных аппаратов из-за их высокой устойчивости к Доплеровскому сдвигу частоты и имитационным помехам. Наиболее эффективными кодами для применения в системах с FH-OFDM являются сверточные турбо-коды и коды-произведения, в составе которых есть LDPC-код и матричный перемежитель.
Интерес к сигнально-кодовым конструкциям (СКК) на основе FH-OFDM связан с тем, что данная разновидность сложных сигналов сочетает преимущества технологий скачков по частоте (FH - frequency hopping) и ортогональной частотной модуляции (OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing), что крайне актуально для систем передачи информации на основе летательных (ЛА) и космических аппаратов (КА) из-за большой протяженности этих линий связи, а, следовательно, и уязвимости к атакам на физическом уровне. Высокая динамика ЛА и, в особенности КА, приводят к возникновению значительного Доплеровского сдвига. Для борьбы с указанными проблемами и необходимы СКК на основе FH-OFDM. Технология частотных скачков эффективно защищает СКК от имитационных помех и замираний в канале связи, а вторая составляющая (OFDM) - эффективно борется с межсимвольной интерференцией и обеспечивает высокие скоростные характеристики, что актуально для современных телекоммуникационных систем.
В литературе отсутствует точное определение сигнальных конструкций типа FH-OFDM. Из-за особенностей двух составляющих сигнальных конструкций типа FH-OFDM необходимо рассмотреть несколько вариантов их совместного применения:
• псевдослучайный выбор OFDM-поднесущих;
• передача сигнала после прохождения через блок формирования частотных скачков в OFDM-модулятор;
• прохождение OFDM символов через блок формирования частотных скачков.
Первый вариант совместного применения технологий скачков по частоте и OFDM является частным случаем технологии OFDMA, когда телекоммуникационная система обслуживает одного пользователя. В этом случае система хоть и будет защищена от естественных искажений (в первую очередь от интерференции) в канале связи, но из-за малой величины базы сигнала стойкость к преднамеренным помехам окажется невелика.
Второй вариант невозможно использовать поскольку сигнал после прохождения через блок формирования частотных скачков оказывается частотно-модулированным, что недопустимо в OFDM-системах из-за нарушения ортогональности поднесущих частот [1].
Для совместного использования данных технологий оптимальной является передача OFDM-символов на псевдослучайных несущих. Полученные сигналы сочетают в себе преимущества обеих технологий, и вследствие этого будут защищены от имитационных помех и стойкими к искажениям в канале связи.
Особенности моделирования СКК
на основе FH-OFDM
Методы модуляции с когерентным обнаружением требуют высокой достоверности определения фазы модулированного сигнала. В условиях воздействия Доплеровского сдвига частоты соблюдение этого требования возможно только в случае применения механизмов точной оценки и компенсации частотного
сдвига сигнала. Поэтому при последующей разработке модели для исследования перспективных сигналь-но-кодовых конструкций использована полососбере-гающая фазовая модуляция ФМ-4, обеспечивающая достаточно высокую помехоустойчивость. Отказ от использования амплитудной модуляции позволит избежать потерь, связанных с нелинейным искажением в усилителях мощности.
Для имитации воздействия Доплеровского сдвига выбрана модель райсовского канала как наиболее подходящая для описания канала между летательным аппаратом и наземной станцией [2-4], что отображено в табл.1.
Таблица 1
Основные модели каналов для имитации эффекта Доплера
Характерные особенности Модель канала с распределением Релея Модель канала с распределением Райса
Характер многолучевого распространения Интерференция большого числа отраженных сигналов в точке приема, отсутствие сигнала прямой видимости Присутствует сигнал прямой видимости
Воздействие эффекта Доплера Доплеровский сдвиг частоты и расширение спектра Доплеровский сдвиг частоты как компоненты прямой видимости, так и отраженной от подстилающей поверхности, а также расширение спектра
Применение модели для описания многолучевого распространения сигнала В условиях города и внутри помещений В сельских условиях, открытой местности
Применение помехоустойчивого кодирования накладывает ограничение на используемый демодулятор. Коды Рида-Соломона требуют демодулятора с жестким решением, однако это не накладывает ограничений на методы модуляции для использования с данным кодом. LDPC и Турбо-коды принимают на вход мягкие решения от демодулятора. Каскадный код для разработанной модели инфокоммуникационной системы состоит из комбинации кодов Рида-Соломона и сверточного кода с мягкими решениями. Дополнительная информация, поступающая в декодер, позволяет снизить вероятность ошибочного приема символов, однако декодер будет иметь более сложную реализацию.
Все коды, представленные выше, могут быть использованы с демодулятором ФМ-4, т.к. последний позволяет работать декодеру с мягкими решениями. Данные типы кодирования описываются в современной литературе как наиболее эффективные и часто используемые. Также было принято решение рассмотреть использование перемежителей в качестве меры борьбы с пакетными ошибками.
Технология OFDM в условиях воздействия эффекта Доплера в канале связи требует применения методов компенсации Доплеровского сдвига частоты. Наиболее
широко известен механизм компенсации, описанныи в [5]. Оценка сдвига частоты производится в 2 шага. На первом шаге производится грубая оценка сдвига частоты с использованием короткоИ преамбулы. Данная оценка позволяет частично скомпенсировать сдвиг частоты, эквивалентный (-2 +2) ширины поднесущих.
Грубая оценка сдвига производится по формуле 1:
£, = ■
N
2ttN,
Nt
■ angleC£xs [«+Ng ] x [«])
(1)
где xs - размер короткой преамбулы, N - размер преобразования Фурье, Ng - длина циклического префикса.
После грубой оценки величины сдвига необходимо произвести его компенсацию на обнаруженную величину. Точная оценка сдвига частоты производится с использованием длинной преамбулы. Данная оценка позволяет исправить сдвиг частоты, эквивалентный (-0.5 + 0.5) ширины поднесущих.
Точная оценка сдвига частоты производится по формуле 2:
где xt - размер длинной преамбулы, N - размер преобразования Фурье.
Для учета сдвига фазы принятого сигнала относительно исходного используется пилот-сигнал. Данный метод является пост-БПФ методом, поскольку компенсация сдвига фазы принятого сигнала производится после прохождения OFDM-демодулятора.
Структура имитационной модели перспективных СКК с FH-OFDM и результаты моделирования
На основе вышеизложенного для целей имитационного моделирования созданы модули формирования и обработки OFDM и FH сигналов, последовательное объединение которых моделирует FH-OFDM сигнал (см. рис.1).
В качестве моделей канала передачи данных используется Райсовская модель совместно с моделью канала аддитивного белого гауссова шума (АБГШ). В первой модели задается Доплеровский сдвиг частоты, а во второй - отношение сигнал/шум.
Корректность генерации сигналов на выходе модулей формирования OFDM и FH сигналов была проверена путем анализа спектральной плотности мощности на выходе этих модулей (см. рис. 2 и рис. 3). На рис. 2 видны всплески, которые соответствуют положению пилот-сигналов в OFDM кадре.
Рис. 2. Спектральная плотность мощности сигнала на выходе модуля формирования ОРБМ-сигнала
Рис. 1. Структурная схема имитационной модели с блоками формирования и обработки РН-ОРБМ сигналов
Рис. 3. Спектральная плотность мощности сигнала на выходе модуля формирования РН-сигнала
Для компенсации воздействия эффекта Доплера на спектр сигнала доработаны модуль оценки Доплеров-ского сдвига частоты, использующий тренировочные символы, и модуль оценки фазового сдвига сигнала, использующий пилот-сигналы, а также формирователь тренировочных ОРБМ-символов. В итоге созданы имитационные модели следующих СКК:
• ЬБРС-код, метод модуляции ФМ-4 с жестким решением демодулятора;
• Сверточный турбо-код, метод модуляции ФМ-4 с мягким решением демодулятора;
• Каскадный код, метод модуляции ФМ-4 с мягким решением демодулятора;
• Код Рида-Соломона, методы модуляции ФМ-4 с жестким решением демодулятора.
Результаты работы имитационных моделей приведены на рис. 4.
В*рсятностъ битовой ошибки длп рилнчных СКК, *2кГц
—Турбоими«*М — К*СкШИ«й ад, ФМЧ
л X
■
V
□ гнйийнна СиИвЛ^иуш! EbffJû ГдЫ
Рис. 4. Вероятность битовой ошибки для различных СКК при воздействии Доплеровского сдвига частоты 2 кГц
»сР .........|.........|........|.......г.......I.......I.......|.......|........
........................(.............1.............>............*............1.............-.........................
I
110 1
I0JI-i-1-i-L----I----J---J---J-
у ш IS ЧЙ 1-S li № ш 2
Доплер п В С КИЙ СДВИГ, Гц ^д*
Рис. 5. Вероятность битовой ошибки для систем с OFDM, подверженных воздействию Доплеровского сдвига частоты разной величины
Из графика на рис. 5 видно, что методы компенсации Доплеровского сдвига частоты и фазового сдвига, которые были применены в модуле OFDM, демонстрируют свою эффективность при возрастании Допле-ровского сдвига до величины 12 кГц. Далее значения вероятности битовой ошибки увеличивались с ростом величины Доплеровского сдвига. Добавим, что границы оценки Доплеровского сдвига при использовании
метода оценки, основанного на применении тренировочных символов, можно расширить, но это приведет к увеличению ошибки оценки сдвига. Также в качестве меры расширения границ оценки Доплеровского сдвига частоты можно увеличить ширину полосы частот, занимаемую OFDM-сигналом.
Заключение
Разработка имитационных моделей и проведение моделирования позволило сделать следующие выводы:
• Метод OFDM обладает эффективными механизмами оценки и компенсации Доплеровского сдвига частоты по сравнению с методом скачков по частоте.
• Применение метода скачков по частоте для создания FH-OFDM сигналов не вносит негативного воздействия в работу механизма оценки и компенсации эффекта Доплера, которым обладает метод OFDM.
• Наиболее эффективными кодами для применения в инфокоммуникационных системах, использующих метод FH-OFDM, являются сверточные турбо-коды и коды-произведения, в составе которых есть LDPC-код и матричный перемежитель.
На основе полученных результатов можно утверждать, что телекоммуникационные системы, использующие рассмотренные выше перспективные СКК, в которых одновременно применяются методы OFDM и скачков по частоте, окажутся эффективными и в условиях воздействия эффекта Доплера, что актуально для летательных аппаратов и спутниковых систем связи.
Литература
1. Yong S. Cho, Kim J., Won Y. Yang, Chung G. Kang. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB. Wiley, 2010. 544 p.
2. Ajayi Taiwo Seun, Mobile Satellite Communications (Channel Characterization and Simulation). Blekinge Institute of Technology, 2007. 51 p.
3. F.Perez Fontan, P.Marino Espinaira. Modeling the Wireless propagation channel: A Simulation Approach with MATLAB. Wiley, 2008. 252 с.
4. Kostov. N. Mobile Radio Channels Modeling in MATLAB. Radio Engineering. 2003. Vol. 12. No. 4.
5. Won Y. Yang, Yong S. Cho, Won G. Jeon, Jeong W. Lee, Jong H. Paik, Jae K. Kim, Mi-Hyun Lee, Kyu I. Lee, Kyung W. Park, Kyung S. Woo. MATLAB®/Simulink for Digital Communication. A-Jin Publishing, 2009. 115 p.
Для цитирования:
Карпухин Е.О., Мазепа Р.Б., Михайлов В.Ю. Исследование перспективных сигнально-кодовых конструкций на основе FH-OFDM при воздействии Доплеровского сдвига частоты // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 1. С. 12-16.
RESEARCH PERSPECTIVE SIGNAL-CODE CONSTRUCTIONS BASED ON FH-OFDM WHEN EXPOSED DOPPLER SHIFT FREQUENCY
Karpukhin Eugeny Olegovich,
Moscow, Russia, ret1987@yandex.ru
Mazepa Roman Bogdanovich,
Moscow, Russia, mrb402@mai.ru
Mikhaylov Vladimir Yurievich,
Moscow, Russia, mihvj@yandex.ru
Abstrart
As is known, communication systems require high bandwidth efficiency and energy channel. The peculiarity of modern systems is to increase the security requirements of information processes. There are many ways to meet the requirements, but evaluation of the effectiveness of their application in a variety of implementations of information systems, particularly in the aerospace information systems, is an issue of the day. The most attractive means of research on the effectiveness of systems is simulation and the most common means - Matlab. The article describes the design of signal FH-OFDM, based on frequency hopping (FH) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Considered options for the joint use of frequency hopping technology and orthogonal frequency division multiplexing. A variant with a pseudo-OFDM subcarriers for this is particular case OFDMA technology, and the transmission signal after passing through the shaping unit in frequency hopping OFDM-modulator is penalized orthogonal frequency subcarriers. Based on these logical arguments the optimum variant shared FH and OFDM technology is transmission OFDM symbols on pseudo-carriers. The features of the use signal-code constructions based on FH-OFDM. The results of simulation based on the perspective of the SCC LDPC, turbo convolution codes, concatenated codes (ReedSolomon code and convolutional code) and Reed-Solomon codes with the modulation of QPSK when exposed doppler shift frequency. It has been found that the use of signal-code constructions based on FH-OFDM with frequency offset compensation mechanisms, taken from OFDM technology, elimi-
nates the effects of exposure to the Doppler effect on telecommunication system using FH-OFDM. Signal-code constructions based on FH-OFDM are of interest for use in radio transmission systems from the aircraft because of their high resistance to Doppler shift and interference simulation. The most efficient code for use in systems with FH-OFDM is a convolu-tional turbo codes and product codes, which is composed of LDPC code interleaver matrix.
Keywords: Turbo code; convolutional code; Reed-Solomon code; signal-code construction; Doppler shift.
References
1. Yong S. Cho, Kim J., Won Y. Yang, Chung G. Kang. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB. Wiley, 2010. 544 p.
2. Ajayi Taiwo Seun, Mobile Satellite Communications (Channel Characterization and Simulation). Blekinge Institute of Technology, 2007. 51 p.
3. Perez Fontan F., Marino Espinaira P. Modeling the Wireless propagation channel: A Simulation Approach with MATLAB. Wiley, 2008. 252 c.
4. Kostov. N. Mobile Radio Channels Modeling in MATLAB. Radio Engineering. 2003. Vol. 12. No. 4.
5. Won Y. Yang, Yong S. Cho, Won G. Jeon, Jeong W. Lee, Jong H. Paik, Jae K. Kim, Mi-Hyun Lee, Kyu I. Lee, Kyung W. Park, Kyung S. Woo. MATLAB®/Simulink for Digital Communication. A-Jin Publishing, 2009. 115 p.
Information about authors:
Karpukhin E.O., Ph.D., assistant professor in Department of radio systems and facilities management, information transmission and information security, Moscow Aviation Institute (National Research University);
Mazepa R.B., Ph.D., Head of Department of radio systems and facilities management, information transmission and information security, Moscow Aviation Institute (National Research University);
Mikhaylov V.Y., Ph.D., professor in Department of radio systems and facilities management, information transmission and information security, Moscow Aviation Institute (National Research University).
For citation:
Karpukhin E.O., Mazepa R.B., Mikhaylov V.Y. Research perspective signal-code constructions based on FH-OFDM when exposed Doppler shift frequency. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 1. Pp. 12-16. (In Russian).
