CC BY
14
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.4.013 УДК 621.396.2
ИТЕРАТИВНАЯ МЕТОДИКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО ПРИЕМА QAM-СИГНАЛОВ
О.Н. Чирков, А.О. Кузнецова
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: описан итеративный турбоприемник для изменяющихся во времени каналов замирания, работа которого строится на основе оценки смещения канала и частоты вместе с обнаружением сигнала и декодированием данных. В работе были проанализированы оценки Байеса, максимального правдоподобия и регуляризованного максимального правдоподобия в зависимости от того, насколько доступны различные показатели статики канала радиосвязи, а также представлены результаты моделирования, показывающие возможности дальнейшего развития технологий. Рассмотрены различные подходы для получения наибольшей производительности, выявлены положительные и отрицательные стороны каждого из них, представлен усовершенствованный алгоритм работы на базе турбосистемы модуляции QAM посредством увеличения числа перемежателей. Совместная оценка канала и обнаружение QAM-сигнала основаны на представлении модели расширения базы времени затухания. Для отслеживания частотного сдвига использовалась дихотомическая методика поиска. Информация, генерируемая в турбокодере, используется для увеличения эффективности предложенной методики в последующих итерациях. Результаты моделирования показали, что модели помехоустойчивого приема QAM-сигналов, предлагаемые в данной работе, имеют крайне высокую производительность, при этом используют меньшую статистическую информацию о радиоканале связи
Ключевые слова: приемник, итеративная оценка, результирующая оценка, канал, декодер
Введение
В современных условиях постоянного развития и оптимизации технологий передачи информации динамично развивается разработка приемников, позволяющих использовать итеративный подход в турборежиме для изменяющихся во времени радиоканалов. С помощью устройств помехоустойчивого приема сигналов, работающих по рассмотренной методике, появляется возможность совместно выполнить оценку изменения канала и частоты сдвига вкупе с обнаружением и расшифровкой данных. Совместная оценка может строиться по трем критериям: байесовская оценка (БО), максимум правдоподобия (МП) и вероятность регуляризованного максимума правдоподобия (РМП). В зависимости от количества доступной статистики канала, применяется оптимальная схема оценки канала связи. Для получения данных используется модель базового расширения колебаний времени замирания, а также метод дихотомического поиска. Турбодекоде-ры используют для снижения погрешностей при совместной оценки замирающих каналов.
Для изменяющихся во времени каналов используются различные варианты оценки частотного сдвига. Основная проблема состоит в том, что большая часть этих методик обладает узким диапазоном получения частоты либо
© Чирков О.Н., Кузнецова А.О., 2019
другими ограничениями. Приемники с символьной программной модуляцией (СПМ) используют разнообразные методы обработки сигнала в турборежиме [1]. Принцип помехоустойчивого обнаружения сигналов в таких приемниках основан на формировании итеративной оценки из декодера со слабым входным сигналом. Однако в работе [1] и большом количестве других исследований не берется во внимание возможное присутствие сдвига частоты. Далее приведем расчет итерационных турбоприемников для систем с символьной программной модуляцией и QAM-сигналов, которые показывают высокую эффективность, принимая во внимание изменение во времени канала и смещение частоты.
Современный метод оценки канала
Для того чтобы показать преимущества предлагаемой методики помехоустойчивого приема, кратко рассмотрим систему с символьной программной модуляцией, суть которой заключается в том, что пакет из N символов передается по частотно-плоскому каналу, изменяющемуся во времени. Переданный пакет состоит из Nd данных и Np пилотных символов. При этом пилотные данные чередуются между каждым Т — 1 символом с данными. Отсюда выборка принятого сигнала моделируется как
r(nTs) = s(nTs )h(nTs) + z(nTs), (1)
где s(nrs) - передаваемый сигнал, z(nrs) -гауссовский шум, - интервал символа.
Принятый сигнал и модель канала соответственно могут быть записаны в матричной форме как [2]
г = Sh + z , (2)
Ь = ^g , (3)
где г, h, g и z - N X 1 столбцы векторов с элементами г(пГ5 ), h(nrs ), z(nrs ).
Такой подход к оценке радиоканала не является оптимальным, поскольку рассчитан для ограниченного инварианта времени.
Зададим оценку смещения частоты по
следующей формуле [3]
^ max ,
= arg ^ g J
ma^ „ л
= arg /rse¥{w/Ts(Г + y)-1W/TJ , (4)
где символ [-]я обозначает эрмитово сопряжение, ¥ = [-^/2, ^/2] - частота получения в диапазоне 0 < ^ < 1, Vf^ - обобщенная периодограмма. Коэффициенты Wfrs, Г, и у зависят от того, сколько статистики канала доступно.
W/Ts = ФяЛ^г,
Г = ФНФ . (5)
Для байесовской оценки
у = ffz2R"\ (6)
где Ra - ковариационная матрица М X М коэффициентов разложения.
Ra = (BHB)-1BHRflB(BHB)-1. (7) Рассмотренный подход позволит получить лучшую производительность и точность оценки, но применим только в случае, если известны ctJ2 и Rfl. В случае недостатка предварительной информации, может быть использован алгоритм максимального правдоподобия. Однако его использование ухудшит производительность оценки, вследствие чего снизится помехоустойчивость системы. Существует еще один вариант развития событий - оценка вероятности с упорядочением, для которой
у = (8)
где 1м - единичная матрица М X М, а s -координирующий параметр с наилучшим значением ст-2. Однако минус данной методики в том, что ее можно использовать только в случае, когда ст2 и известны в приемном тракте.
Вектор оценки коэффициента разложения задается формулой [3]
а = (Г + y)-1W^ (9)
Результирующая оценка канала и сдвига частоты примет вид [3]
Ь = Л^Ва (10)
Современные приемники и проблема их реализации
Сложность реализации помехоустойчивых приемников QAM-сигнала в основном определяет сдвиг частоты при расчете . Это можно сделать с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Однако для решения этой задачи необходим БПФ большой размерности Л?БПФ >> М, что не всегда реализуемо. Именно поэтому в работе используется более удобный метод, состоящий из двух этапов для поиска максимума в (4). Используется быстрое преобразование Фурье размера ^Бпф ~ N при поиске с разрешением по частоте Д/Т5 = 1/М. Затем нахождение подлинной оценки смещения частоты происходит с помощью дихотомического поиска небольшого числа итераций Такой подход позволяет добиться высокой достоверности работы радиоприемника на широком диапазоне сбора данных и прост в реализации.
Принятый сигнал можно разделить на две части, соответствующие моментам пилотных сигналов и данных:
Гр ^рЙр I , ^ = Б^й + , (11)
где БрИр и гр соответствуют моментам пилотного сигнала, а и соответствуют моментам информационных данных 5, И и г. Процесс замирания изменяющегося во времени канала также можно разделить на две части, соответственно:
§р Вр,
= , (12) где Вр и Вй соответствуют моментам пилотного сигнала и данных для матрицы В соответственно.
Классические приемники могут использовать предложенную схему оценки, используя только пилотные символы для получения /оГ,, и а в соответствии с (4) и (9), но с заменой В, 5, г.
Итеративные турбоприемники
Разработка итерационных турбоприемни-ков необходима для увеличения эффективности обнаружения сигналов с QAM- модуляцией. Для повышения помехоустойчивости при
обнаружении сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией применяют совместную оценку смещения канала и частоты [4].
Алгоритм приема сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией на базе турбо-приемника состоит из следующих основных действий. Сначала информационные данные кодируются в блоке турбокодера. Затем выходные биты поступают в перемежитель. После чего происходит отображение QAM. Пилотные символы находят место между каждым Т — 1 символом данных с определенным периодом.
Функциональная схема итеративного приема на основе турбодекодера для QAM-модулированных сигналов представлена на рис. 1.
Рис. 1. Предлагаемая итеративная схема приема QAM-сигналов
Отличительная особенность предложенной методики приема QAM-сигналов заключается в том, что теперь оценка канала передается на усовершенствованный детектор, который позволяет повысить производительность оценщика, используя информацию логарифмического отношения мягкого решения (ОМР). Дополнительная статистическая информация ОМР генерируется на программном выходе турбодекодера в текущей итерации. Далее через детектор информация передается в турбоитерационный декодер, который генерирует начальные декодированные биты. В ОМР декодере данные преобразуются в двоичные биты. Затем начальные биты кодированных данных чередуются в перемежителе, отображаются в QAM-модуле [5], принимая символьные значения. Затем процесс повторяется так же, как в системе передачи информации. Основное отличие каждой следующей итерации заключается в том, что общая оценка канала теперь происходит на основе всех символов, что позволяет получить наиболее точ-
ные оценки, а затем передать в детектор, который, в свою очередь, генерирует апостериорное отношения правдоподобия [6]
_
hk = ln
e-S(sd) Ui^kP(bi)
(13)
где ) является вероятностью принятого бита Ь^ и получена с использованием его априорного мягкого решения Ь(Ь1) как
р(Ь1 ) = 1[1 + Ь11апИ(2Ь(Ь1))] . (14)
Из всего перечисленного можно сделать вывод, что применение детектора мягкого решения позволит снизить помехи, а вместе с ОМР-декодером уменьшить вероятность ошибки в декодированных битах. Для получения более высокой точности обнаружения и декодирования необходимо применить предложенную схему оценки в течение нескольких итераций.
По большому счету, в оценочных моделях можно использовать различные базисные функции: экспоненциальные, сфероидальные B-сплайны и др. [2]. Однако неприемлемость таких аппроксимаций обусловлена низкой чувствительностью к показателям статистических характеристик замирания канала связи. При этом предложенный вариант турбодеко-дера выигрывает в простоте реализации.
Моделирование
Рассмотрим систему с символьной программной модуляцией для передачи сигналов 16^АМ, с частотой [ВТ3 = 0,01, при общем количестве символов N = 514, из которых = 28 являются пилотами, а период пере-межителя составляет Т = 19 символов. Возьмем смещение частоты /0Т3 = 0,0123 и широкий диапазон оценки частоты ^ = 1, где число дихотомических итераций составит
Q = 5.
Критерием оценки эффективности предложенной методики выберем величину среднеквадратичной ошибки (СКО) частотного сдвига и оценки канала. Для каждого эксперимента в моделировании среднеквадратичные оценки соответственно рассчитываются как:
Г0Т3- СКО = (ГоЪ-кг*)2 (15)
h — СКО =
ZX-lHnTs )-h(nTs)\2
(16)
Я^Си^ )12 Затем находится среднее от значений, полученных по всем испытаниям.
Рис. 2. Характеристики h — СКО
На рис. 2 представлены характеристики среднеквадратичной ошибки оценки канала от отношения сигнал/шум предложенных итерационных турбоприемников для сигналов 16-QAM. Использованы критерии байесовской оценки (БО), максимума правдоподобия (МП) и вероятность регуляризованного максимума правдоподобия (РМП) в частотно-плоских изменяющихся во времени каналах замирания, кодируемых турбокодером 1/3 с полиномом генерации в восьмеричном виде и полученным после 4-й итерации.
* ( ♦ [ ш
Рис. 3. Характеристики /0Г5-СКО
На рис. 3 представлены характеристики среднеквадратичной ошибки частотного сдвига от отношения сигнал/шум для предложенной итерационной методики турбоприема. Вид квадратурной модуляции сигналов - 16-QAM.
} 1 4 t 14
EdtlD.ee
Рис. 4. Показатели BER
На рис. 4 представлены характеристики битовой ошибки от отношения сигнал/шум.
Заключение
Проанализировав графики, с легкостью можно сделать вывод, что интерполяция на основе скоростных битовых ошибок (СБО) с точки зрения BER и среднеквадратичной ошибок является наиболее эффективной, по сравнению с другими методами.
Минусом реализации данного способа является необходимость знать дополнительную статистическую информацию о канале радиосвязи - корреляцию частоты канала R и отношение сигнал/шум, что сильно усложнят расчет. При этом интерполяция по дискретному преобразованию Фурье в качестве дополнительной статистической информации использует лишь длину многолучевого канала, что дает преимущество в расчетах над СБО. Представленные графики наглядно показывают значительную положительную динамику производительности по сравнению с классическими приемниками.
Необходимо отметить, что производительность разработанной методики совместной оценки на основе скоростных битовых ошибок (СБО) можно приравнять к приемникам на основе идеального знания о канале, где сдвиг частоты считается известным. Также приведенный оценщик не уступает в помехоустойчивости тем приемникам, которые работают при малой погрешности канала.
Литература
1. Ylioinas J., Juntti M. Iterative joint detection, decoding, and channel estimation in turbo-coded MIMO-OFDM // IEEE Trans. Veh. Technol. 2009. Vol. 58. № 4. pp. 17841796/
2. Giannakis G.B., Tepedelenlioglu C. Basis expansion models and diversity techniques for blind identification and equalization of time-varying channels // Proc. IEEE. 1998. Vol. 86. № 10. pp. 1969-1986.
3. Khal R.N., Zakharov Y.V., Zhang J. Joint channel and frequency offset estimators for frequency-flat fast fading channels // in Proc. 42nd Asilomar Conf. ACSSC'08, Pacific Grove, California, USA, Oct. 2008, pp. 423-427.
4. Чирков О.Н., Свиридова И.В., Бобылкин И.С. Оптимизация оценки многолучевого канала радиосвязи с OFDM // Труды международного симпозиума надеж-
Поступила 07.06.2019;
ность и качество. Пенза: Пензенский государственный университет, 2018. Т. 2. С. 131-133.
5. Чирков О.Н. Оценка пропускной способности высокоуровневых видов модуляции M-QAM // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 6. С. 12-13.
6. Чирков О.Н. Повышение помехоустойчивости высокоскоростной беспроводной системы обмена информации WI-FI // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 3. С. 6667.
. к публикации 29.07.2019
Информация об авторах
Чирков Олег Николаевич - старший преподаватель, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: chir_oleg@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003-2250-2100 Кузнецова Анастасия Олеговна - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kuznecova070703@gmail.com
ITERATIVE TECHNIQUE OF INTERFERENCE-RESISTANT RECEPTION OF QAM-SIGNALS
O.N. Chirkov, A.O. Kuznetsova
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article describes an iterative turbo receiver for time-varying fading channels, whose operation is based on an estimate of the channel offset and frequency, along with signal detection and data decoding. The paper analyzed the Bayesi-an maximum likelihood and regularized maximum likelihood estimates depending on the availability of various radio link static stats, as well as the simulation results showing the possibilities of further technology development. Different approaches for obtaining the highest performance were considered, the positive and negative sides of each of them were revealed, an improved algorithm of operation based on the turbo QAM modulation system was presented by increasing the number of interleavers. The joint channel estimate and QAM signal detection are based on the representation of the base decay time expansion model. A dichotomous search technique was used to track the frequency shift. The information generated in the turbo coder was used to increase the efficiency of the proposed technique in subsequent iterations. The simulation results showed that the models of noise-tolerant reception of QAM signals offered in this work have extremely high performance, while using less statistical information about the communication channel
Key words: receiver, iterative estimation, resulting estimate, channel, decoder
References
1. Ylioinas J., Juntti M. "Iterative joint detection, decoding, and turbo-coded MIMO-OFDM", IEEE Trans. Veh. Technol., 2009, vol. 58, no. 4, pp. 1784-1796
2. Giannakis G.B., Tepedelenlioglu C. "The basis of time-varying channels", Proc. IEEE, 1998, vol. 86, no. 10, pp. 1969-1986.
3. Khal R.N., Zakharov Y.V., Zhang J. "Joint channel and frequency offset/frequency in frequency-flat fast fading channels", Proc. 42ndAsilomar Conf ACSSC'08, Pacific Grove, California, USA, Oct. 2008, pp. 423-427.
4. Chirkov O.N., Sviridov I.V., Bobylkin I.S. "Optimization of the evaluation of a multipath radiocommunication channel with OFDM", Proc. of the International Symposium: Reliability and Quality (Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma nadezhnost' i kachestvo), Penza State University, 2018, vol. 2, pp. 131-133.
5. Chirkov O.N. "Bandwidth estimation of high-level types of modulation M-QAM", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2012, vol. 8, no. 6, pp. 12-13.
6. Chirkov O.N. "Improving the noise immunity of high-speed wireless information exchange system WI-FI", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2011, vol. 7, no. 3, pp. 66-67.
Submitted 07.06.2019; revised 29.07.2019 Information about the authors
Oleg N. Chirkov, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: chir_oleg@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003 -2250-2100
Anastasiya O. Kuznetsova, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail : kuznecova070703@gmail. com
