МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАНАЛА СВЯЗИ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ НА ОСНОВЕ КОРРЕЛЯЦИИ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

DOI 10.36622/^т2021Л7А014 УДК 621.396. 621

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАНАЛА СВЯЗИ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

НА ОСНОВЕ КОРРЕЛЯЦИИ

О.Н. Чирков

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматриваются методы оценки канала связи с пространственной модуляцией. Данный вид модуляции представляет собой методику однопотоковой передачи данных с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), при которой одновременно активируется только одна передающая антенна. Пространственная модуляция позволяет добиться полного исключения межканальных помех, а также демонстрирует большую экономию энергии в радиочастотной цепи. Однако, в отличие от многопоточных систем MIMO, оценка канала для пространственной модуляции становится проблемой, поскольку канал MIMO не может быть оценен на одном этапе передачи по единственному потоку. На основании этого факта была предложена новая схема оценки канала, которая использует корреляцию каналов и совместно оценивает каналы для разных передающих антенн. Предложенный метод обеспечивает тот же период оценки, что и многопоточные схемы MIMO. Исследовано изменение количества передаваемых пилот-сигналов при пространственной модуляции как для традиционных, так и для новых методов оценки канала связи. Уравновешивая точность и объем данных, можно достичь оптимального отношения пилот-сигналов для максимальной пропускной способности канала. Результаты моделирования показывают, что новый подход оценки превосходит традиционный метод с гораздо более низким оптимальным коэффициентом количества пилотов

Ключевые слова: оценка канала, пилот-сигнал, пространственная модуляция, корреляция, система MIMO

Введение

В течение последнего десятилетия методы множественного входа и множественного выхода (MIMO) активно изучаются для использования как в космической связи, так и для увеличения пропускной способности канала.

Системы MIMO можно разделить на многопоточные и однопоточные.

Двумя типичными многопотоковыми схемами MIMO являются вертикальное многоуровневое пространственно-временное кодирование Bell Labs (V-BLAST) [1] и пространственно-временное блочное кодирование (STBC) [2], в которых разные потоки данных передаются через несколько антенн одновременно. Если рассматривать расположение антенн как точки пространственного созвездия, то пространственная модуляция (ПМ) представляет собой новую однопотоковую систему MIMO [3]. В отличие от многопоточных схем, ПМ активирует одну антенну в любой момент времени и, таким образом, полностью избегает межканальных помех. Кроме того, пространственная модуляция демонстрирует значительную экономию в мощности, поскольку для такого вида передачи данных требуется только одна радиочастотная цепь, независимо от количества используемых антенн.

В обеих схемах для декодирования в приемнике требуется информация о состоянии канала. В результате оценка канала имеет важное значение, но ею часто пренебрегают. Хотя использование единой РЧ-цепи дает ПМ вышеупомянутые преимущества, при оценке канала возникают проблемы. В отличие от многопоточных схем MIMO, пространственная модуляция требует больше времени для передачи пилот-сигналов. В [4] предлагается схема оценки канала с использованием метода наименьших квадратов (LS). Другой метод оценки, основанный на совместной оценке канала с обнаружением данных, представлен в [5]. Однако в обоих методах каналы для разных передающих антенн оцениваются индивидуально. Учитывая соотношение между пилотными и общими символами, то есть отношение пилот-сигнал, период оценки канала связи пропорционален количеству передающих антенн. Другими словами, пропускная способность при пространственной модуляции поддерживает определенный период оценки. Существуют подходы оценки канала для однопоточного MIMO в [6].

Отношения пилот-сигнал важны для оценки канала в двух аспектах. С одной стороны, большее отношение пилот-сигнал может повысить точность оценки и, таким образом, уменьшить потребность в повторных передачах. С другой стороны, скорость передачи данных снижается, поскольку для отправки пилотных

© Чирков О.Н., 2021

сигналов требуется больше времени. Выбирая компромисс между этими двумя факторами, можно определить соответствующее пилотное отношение для достижения максимальной пропускной способности.

чить разумное разделение между передающими антеннами, моделирование реализовано в нисходящей линии связи. В модели поддерживаются три сценария: городской макро, городской микро и пригородный макро.

Модель системы MIMO

В статье рассматривается система MIMO с пространственной модуляцией Nt x Nr, где Nt представляет количество передающих и Nr приемных антенн соответственно. В процедуре кодирования ПМ поток битов делится на блоки длиной fs бит на символ. Затем каждый блок разделяется на две части, соответствующие диаграмме пространственного созвездия и диаграмме сигнального созвездия. Первая часть битов log2(Nt) активирует одну передающую антенну антенной решетки. Будем использовать t для обозначения активной в данный момент антенны. Вторая часть оставшихся битов используется для выбора символа из определенной совокупности сигналов, такой как квадратурная амплитудная модуляция (QAM) или фазовая манипуляция (PSK).

Затем выбранный символ отправляется через антенну t.

Передаваемый сигнал может быть представлен вектором х = [xt,..., xt,..., xNt]T, где í- й элемент - выбранный символ, а остальные -равны нулю. Обозначая усиление канала между i-й передающей антенной и j-й приемной антенной как hji, канал H системы MIMO записывается как:

Н =

hi,i

'2,1

hi,2 h

2,2

h

Ll,Nt 2,Nt

h

ULNr,l

h

Nr, 2

h

Nr,Nt J

(1)

Полученный сигнал также является вектором, который можно выразить как:

у = Нх + w , (2)

где w = [w1,..., Wj,..., wNr] - вектор шума, каждый элемент которого представляет шум на входе каждой приемной антенны. На всех приемных антеннах шум статистически независим. Отношение сигнал/шум (SNR) определяется как Em / No, где Em средняя энергия на передачу символа. Обнаружение совместного максимального правдоподобия (ML) [8] используется для декодирования переданного символа с использованием оцененной информации о канале.

Для моделирования MIMO воспользуемся моделью пространственного канала, соответствующей 3GPP TR 25.996 [7]. Чтобы обеспе-

Методы оценки канала связи с пространственной модуляцией

Обычная оценка канала для ПМ оценивает каналы различных передающих антенн индивидуально. Соответствующая структура пилот-сигнала проиллюстрирована на рис. 1 вместе со сравнением с многопотоковым MIMO.

Рис. 1. Порядок построения пилотов

Временной интервал между двумя последовательными выборками оценки канала для одной и той же передающей антенны определяется периодом оценки. Для каждого периода оценки передающие антенны активируются одна за другой для передачи пилот-сигналов. Можно заметить, что для достижения того же отношения пилот-сигналов ПМ на основе обычной оценки канала требуется гораздо более длительный период оценки, чем для многопотоковой схемы MIMO. Коэффициент пилот-сигнала обозначим f, а период оценки определяется как:

То = ^ , (3)

где Ts период символа.

В каждом временном интервале оценки канала для оценки информации о канале активированной в данный момент антенны применяется конкретная оценка: метод наименьших квадратов (LS) или минимальная среднеквадратичная ошибка (MMSE) [9].

Рис. 2. Оценка канала на основе корреляции

Введем новый метод оценки, исследующий корреляцию (пересечение) каналов при передаче. Рис. 2 демонстрирует концепцию этого подхода, который совместно оценивает каналы для разных передающих антенн. В отличие от обычной оценки, пилотные сигналы, назначенные разным антеннам, равномерно распределены по оси времени.

Предложенный алгоритм

Весь алгоритм независимо реализован на каждой приемной антенне. Будем использовать обозначение Ы7 для каналов от 7-й передающей антенны до приемника. В любом слоте сигнала алгоритм выполняется в четыре этапа:

1. Оценка канала на основе пилот-сигнала: на первом этапе активируется ^я антенна для передачи пилот-сигнала. Расчетная информация о канале для текущей активной антенны обозначается как '¡11(п), где п - индекс слотов пилот-сигнала.

2. Коррекция информации о канале: для каждой передающей антенны пилот-сигнал передается один раз для каждых N слотов пилот-сигнала. В других временных интервалах №-1 ^я антенна неактивна и соответствующие оценки получаются на основе корреляции, описанной на этапе 3. На данном этапе эти оценки корректируются с помощью интерполяции нижних частот на основе текущей оценки к1(п) и L - 1 предыдущих оценок к1(п — Ш¿), I = 1, 2, ..., L - 1. Количество используемых оценок для текущей активной антенны, то есть L, определяется длиной интерполяционной последовательности. После интерполяции скорректированная информация о канале ^й передающей

антенны запишется как ht(n — п'), п' = 1, 2, ..., Nt - 1.

Для i-й передающей антенны последняя пилотная оценка канала произошла за n'i t временных интервалов, прежде чем:

, _Tt — i if i < t

ni,t~{t — i + Nt if i>t (4)

3. Оценка канала на основе корреляции: свободные антенны оцениваются на основе текущих оценок t-й антенны и соответствующей разности каналов, полученных на предыдущем этапе.

Обозначим полученную таким образом информацию о канале как hi(n), которая вычисляется по формуле:

fti(n) _ ht(n) + AKit (п — n'iit), (5)

Яг (n) и ht (n) содержат оценки канала для всех передающих антенн, которые используются для декодирования при последующей передаче данных.

4. Обновление индекса антенны: последний шаг - установить следующую активную антенну, которая является приращением на единицу к индексу антенны:

\t + 1 if t<Nt ^ if t_Nt .

_i1

(6)

Результаты моделирования

В реальной беспроводной высокоскоростной системе передачи данные передаются пакетами [10]. В приемнике неправильно декодированные пакеты требуют повторной передачи. Эффективная скорость передачи данных, то есть пропускная способность, используется для сравнения производительности оценки канала для различных соотношений пилот-сигналов.

Эффективная скорость передачи данных: прямое исправление ошибок ^ЕС) обычно применяется для исправления ошибок на физическом уровне. В статье рассматриваются два режима: с FEC и без него. Общая скорость необработанных данных, включая пилоты, определяется как:

R = ^ . (7)

'Б

Обозначим скорость повторной передачи как е, пропускная способность рассчитывается по формуле:

И = Я( 1 —/)(1 —е)/с , (8)

где ^ представляет собой скорость кодирования. В случае, если прямое исправление ошибок не используется, ^ = 1.

Предлагаемая методика оценки канала

требует меньшего количества пилотных передач, что влияет на потребление энергии.

Проанализируем прирост энергоэффективности с точки зрения количества эффективных данных на единицу энергии:

Рассмотрим производительность пространственной модуляции с учетом расчетной информации о канале в рамках реалистичной модели 3GPP TR 25.996. Количество символов необработанных данных на пилот-сигнал обозначается как Л^, то есть Л^ х / = 1.

Рис. 3. Характеристики SER для ПМ с Nt = 8 и BPSK по SNR на скорости 10 м/с

Количество символов необработанных данных на пилот-сигнал изменяем от 2 до 20, что соответствует пилотному отношению от 50% до 5%. Предложенный метод оценки на основе корреляции канала сравнивается с обычным методом наименьших квадратов (LS). Во всех расчетах Nr = 2.

На рис. 3 представлена частота символьной ошибки (SER) для различных соотношений пилот-сигналов для пространственной модуляции, при заданной скорости пользователя 10 м/с, Nt = 8 и BPSK. Предложенный метод оценки по корреляции канала значительно ближе к сценарию идеальной информации о канале для Nd = 2 и 10. При Nd = 20 разница между этими двумя схемами становится меньше.

Заключение

В статье исследовано влияние отношения пилот-сигнал на оценку канала для пространственной модуляции. Корректируя количество

данных со скоростью передачи, можно определить оптимальное соотношение пилот-сигналов для достижения максимальной пропускной способности системы.

Предложенный алгоритм оценки канала на основе корреляции увеличивает пропускную способность пространственной модуляции с более низким оптимальным коэффициентом пилот-сигнала, чем стандартный метод оценки по наименьшим квадратам. Результаты моделирования подтверждают, что предложенный алгоритм является эффективным методом оценки канала с пространственной модуляцией.

Литература

1. V-blast: an architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel / P. Wolnian-sky, G. Foschini, G. Golden, and R. Valenzuela // Signals, Systems, and Eletronics: 1998 URSI International Symposium. ISS SE 98, 1998. Pp. 295-300.

2. Чирков О.Н. Эффективный алгоритм динамического распространения пилот-сигналов для оценки канала радиосвязи в многоантенных системах MIMO с ортогональным частотным уплотнением OFDM // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 6 (8). С. 163-168.

3. Методы помехоустойчивого обнаружения сигналов в многоантенных системах MIMO с пространственным мультиплексированием / О.Н. Чирков, М.А. Рома-щенко, И.С. Бобылкин, Р.Н. Щипелев, М.И. Соболев // Надежность и качество: тр. междунар. симпозиума, 2019. Т. 2.С. 85-87.

4. Чирков О.Н. Актуальные подходы к оценке канала радиосвязи в системе подвижных абонентов с высокой скоростью перемещения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 6. С. 89-93.

5. Ромащенко М.А., Панычев С.Н., Чирков О.Н. Оптимальные алгоритмы совместной оценки канала радиосвязи и смещения частоты при многолучевом распространении сигнала // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 6 (8). С. 156-162.

6. Wu X., Renzo M. Di, and Haas H. Channel Estimation for Single-stream MIMO Techniques // 22nd IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC): Fundamentals and PHY Track, 2013.

7. MATLAB implementation of the 3GPP Spatial Channel Model (3GPP TR 25.996) / J. Salo, G. Del Galdo, J. Salmi, P. Kyosti, M. Milojevic, D. Laselva, and C. Schneider // Jan. 2005.

8. Чирков О.Н., Муратов А.В. Получение OFDM сигналов для высокоскоростных сетей WiMax // Надежность и качество: тр. междунар. симпозиума, 2012. Т. 1. С. 364.

9. Чирков О.Н. Повышение помехоустойчивости высокоскоростной беспроводной системы обмена информации WI-FI // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 3. С. 66-67.

10. Самодуров А.С., Меркулова Н.В., Кострова В.Н. Влияние абсолютных погрешностей пеленгования на частоту сигнала при размещении четырехэлементной антенной решетки на беспилотном носителе // Радиотехника. 2018. № 7. С. 16-19.

Поступила 16.04.2021; принята к публикации 20.08.2021 109

Информация об авторах

Чирков Олег Николаевич - старший преподаватель, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: chir_oleg@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003-2250-2100

ESTIMATION METHODS OF A CHANNEL WITH SPATIAL MODULATION BASED

ON CORRELATION

O.N. Chirkov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article considers methods for estimating a communication channel with spatial modulation. This type of modulation is a single-stream multiple-input multiple-output (MIMO) technique in which only one transmit antenna is activated at a time. Spatial modulation allows for complete elimination of inter-channel interference, and also demonstrates great energy savings in the RF circuit. However, unlike multi-stream MIMO systems, channel estimation for spatial modulation becomes a problem because a MIMO channel cannot be estimated in a single transmission step on a single stream. Based on this fact, I proposed a new channel estimation scheme that uses channel correlation and jointly estimates channels for different transmit antennas. The proposed method provides the same evaluation period as multithreaded MIMO schemes. The change in the number of transmitted pilot-signals with spatial modulation is investigated for both traditional and new methods of estimation of the communication channel. By balancing accuracy and data volume, an optimal pilot signal ratio can be achieved for maximum channel throughput. Simulation results show that the new scoring approach outperforms the traditional method with a much lower optimal pilot count ratio

Key words: channel estimation, pilot signal, spatial modulation, correlation, MIMO system

References

1. Wolniansky P., Foschini G., Golden G., Valenzuela R. "V-blast: an architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel," Signals, Systems, and Eletronics, 1998 ISSSE 98. 1998 URSI International Symposium, pp. 295300.

2. Chirkov O.N. "An efficient algorithm for dynamic propagation of pilot signals for estimating a radio communication channel in multi-antenna MIMO systems with OFDM orthogonal frequency division multiplexing", Radio Engineering (Radiotekhnika) 2019, vol. 83, no. 6 (8), pp. 163-168.

3. Chirkov O.N., Romashchenko M.A., Bobylkin I.S., Shchipelev R.N., Sobolev M.I. "Methods of error-correcting signal detection in multi-antenna MIMO systems with spatial multiplexing", Proc. of the Int. Symp. Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr. mezhdunar. simpoziuma), 2019, vol. 2, pp. 85-87.

4. Chirkov O.N. "Actual approaches to the assessment of the radio communication channel in the system of mobile subscribers with a high speed of movement", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2019, vol. 15, no. 6, pp. 89-93.

5. Romashchenko M.A., Panychev S.N., Chirkov O.N. "Optimal algorithms for joint estimation of the radio communication channel and frequency offset in multipath signal propagation", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2019, vol. 83, no. 6 (8), pp. 156162.

6. Wu X., Di Renzo M., Haas H. "Channel estimation for single-stream MIMO techniques", 22nd IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC): Fundamentals and PHY Track, 2013.

7. Salo J., Del Galdo G., Salmi J., Kyosti P., Milojevic M., Laselva D., Schneider C. "MATLAB implementation of the 3GPP Spatial Channel Model (3GPP TR 25.996)", Jan. 2005.

8. Chirkov O.N., Muratov A.V. "Obtaining OFDM signals for high-speed WiMax networks", Proc. of the Int. Symp. Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr. mezhdunar. simpoziuma), 2012, vol. 1, p. 364.

9. Chirkov O.N. "Increasing the noise immunity of a high-speed wireless information exchange system WI-FI", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2011, vol. 7, no. 3, pp. 66-67.

10. Samodurov A.S., Merkulova N.V., Kostrova V.N. "Influence of absolute direction finding errors on the signal frequency when placing a four-element antenna array on an unmanned carrier", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2018, no. 7, pp. 16-19.

Submitted 16.04.2021; revised 20.08.2021 Information about the author

Oleg N. Chirkov, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: chir_oleg@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003- 2250-2100