CC BY
33
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2351983 РФ, МКИ G06K9/32. Устройство ввода изображения в ЭВМ и коррекции дисторсии / Д. В. Титов, М. И. Труфанов // Опубл. 10.04.09. Бюл. № 10.
2. Оптико-электронные устройства обработки и распознавания изображений / В. С. Титов, М .И. Труфанов., Е. А. Макарецкий, А. Я. Паринский.Тула:Изд-во ТулГУ, 2008. 121 с.
3. Пат. 2352987 РФ, МКИ G06K9/20. Устройство получения изображения с коррекцией хроматической аберрации / А. С. Козлов, В. С. Титов, М. И. Труфанов // Опубл. 20.04.09. Бюл. № 11.
4. Vision system for image recognition based on three-dimensional vector patterns / V. Gridin, V. Titov, M. Truphanov, S. Korostelev // Machine Graphics and Vision. 2009. Vol. 18, N 2. P. 175186.
5. Повышение точности и чувствительности пеленгаторной антенной системы / A.B. Антиликаторюв , Новикова, Р.А. Дуров // Труды международного симпозиума надежность и качество, Издательство: Пензенский государственный университет (Пенза) 2017г., Том: 2, страницы: 72-73.
6. Комплексная модель системы передачи дискретной информации фазоманипулированными сигналами и её программная реализация / И.В. Остроумов, М.А. Ромащенко // Труды международного симпозиума надежность и качество, Издательство: Пензенский государственный университет (Пенза) 2015г., Том: 1, страницы: 141-144.
УДК 621.3.049.77
Свиридова И.В., Бобылкин И.С., Чирков О.Н.
ФГБОУ ВО «Воронежский Государственный технический университет», Воронеж, Россия ОПТИМИЗАЦИЯ ОЦЕНКИ МНОГОЛУЧЕВОГО КАНАЛА РАДИОСВЯЗИ С OFDM
В настоящее время технология передачи данных по средствам OFDM модуляции рассматривается как одна из наиболее перспективных для построения широкополосных систем цифровой радиосвязи по многолучевым каналам, обеспечивающая достаточно высокую спектральную эффективность этих систем. В OFDM-приемнике выполняется оценка передаточной характеристики канала связи на пилотных поднесущих, а затем используется интерполяция полученных результатов на поднесущие, используемые для передачи данных. Ключевые слова:
МНОГОЛУЧЕВОЙ КАНАЛ РАДИОСВЯЗИ, ОЦЕНКА, МОДУЛЯЦИЯ
Введение. Беспроводная передача информации осуществляется по радиоканалу. Но любой пространственный канал в той или иной степени искажает передаваемые символы и добавляет шумы вследствие многолучевого распространения. Поэтому, крайне важной задачей проектировщиков мобильных систем радиосвязи с технологией OFDM, является оценка канала связи, для последующей безошибочной демодуляции переданной информации.
Оценка передаточной характеристики канала осуществляется путем передачи наряду с информационными символами - экспериментальных данных (пилотных символов) с определенной частотой и фазой. Соответственно демодуляция сигнала производится по этим известным пилотным данным.
Оптимизация оценки комплексной огибающей OFDM сигнала.
Приведем блок-схему OFDM-системы для сетей удаленного доступа [1].
Рисунок 1 - Блок-схема системы радиосвязи с технологией OFDM
В передатчике двоичная информация группируется, кодируется и модулируется согласно выбранной схеме (ФМ, КАМ) [2]. Затем в блоке обратного дискретного преобразования Фурье (ОБПФ) входная последовательность данных преобразовывается во временной интервал. Вставляется защитный интервал, происходит циклическое расширение на Тз. Защитный интервал выбирается больше ожидаемой задержки распространения сигнала, чтобы избежать межсимвольную интерференцию. Через цифро-аналоговый преобразователь с пропускной способностью
1/Тs данные передаются в выходную цепь. Дискретный многолучевый канал радиосвязи моделируется из импульсной характеристики переданного сигнала g(t) сопровождаемой белым Гауссовым шумом n(t) с нормальным распределением [4].
м
g(t) = ^amS(t -TmTs) (1)
где Ts - интервал дискретизации, амплитуда и 0 < TmTs < Тз.
am - комплексная
m=1
В приемнике, после аналого-цифрового преобразователя и удаления защитного интервала, используют дискретное преобразование Фурье с целью преобразовать данные назад к частотной области. Наконец, двоичная информация восстанавливается после демодуляции и декодирования сигнала.
В блоках ОБПФ и БПФ происходит обратное дискретное преобразование Фурье (IDFT) и прямое
(DFT) соответственно. Обозначим X = [Х4] и
У = [У]Г (к=0, ... , N-1) как входные данные блока IDFT в передатчике и выходные данные блока DFT в приемнике. Тогда многолучевый канал формиру-
N-1).
Введем матрицу БПФ:
ется из g = [g„]T и n = [nn]T (n=0,
F =
W0
...
W(N -1)0
IlHMIlHI N
wiik = (i /JN )-j2'
(ik / N)
(2)
Определим
где wN
h = dftn (g) = Fg и N=Fn .
Тогда можно записать:
Y = DFTn (IDFTn (X) ® g + n) = XFg + N = XH + N (3)
Итак, OFDM-системы используют большое количество ортогональных поднесущих колебаний. Общее число поднесущих выбирается равным 2p, где p -целое число, от характеристик конкретной системы радиосвязи и вида модуляции. Для передачи полезной информации используется лишь часть поднесущих колебаний. Так крайние поднесущие передают данные с нулевой амплитудой - за счет этого обеспечивается защитный интервал на краях полосы частот. Определенная же часть из них передает информацию, необходимую для синхронизации и оценки многолучевого канала (пилотные данные). Например, в OFDM-системе стандарта IEEE 802.11a (Wi-Fi) - 64 поднесущих, из них 4 8 - полезная информация, 4 - синхронизация и оценка канала, а 12 крайних - защитный интервал.
При разработке оценочных функций передаточной характеристики канала радиосвязи для беспроводных OFDM-систем необходимо решить задачу расположения экспериментальной информации [3], т.е. где по отношению опорному сигналу расположить пилотный и сколько использовать таких символов. Так же важно, чтобы оценочная функция была выполнена одновременно с низкой сложностью и с хорошей точностью отслеживания канала.
Замирающий дискретный многолучевой канал системы радиосвязи с OFDM может быть рассмотрен как двумерное пространство (2D) сигнала в плоскости времени и частоты. Тогда оптимальная оценочная функция канала радиосвязи с точки зрения среднеквадратичной ошибки основана на 2D интерполяции. Но двумерная структура оценочной функции слишком сложна для практической реализации и требует большого количества математических операций. Комбинация высоких скоростей передачи данных и снижения битовой ошибки в OFDM-системах требует использования оценочных функций, с компромиссным решением низкой сложности и высокой точности. Для этого используют одномерные (1D) оценки канала двух основных моделей размещения пилотных данных в системе OFDM - блочном и распределенном.
Блочная структура расположения пилотных символов получается при добавлении проверочных тонов во все поднесущие системы через определенный период. Распределенный тип построения применяется, когда радиоканал изменяется даже от одного блока до другого, при этом пилоты вставляются в определенные поднесущие каждого символа.
Задача отслеживания канала радиосвязи сводится к:
- нахождению условий канала радиосвязи (определенный вектор Гауссова белого шума g ) ;
- выделению пилот-сигналов (матрица X или вектор X );
- выражению принятого символа (определенный вектор Y ).
Приемник использует предполагаемые условия канала для декодирования полученных данных в блоке, пока не поступит следующий проверочный символ.
Оценка может быть основана на:
- методе наименьших квадратов (LS - least square)
- методе минимальной среднеквадратичной ошибки (MMSE - minimum mean-square error).
- методе максимума правдоподобия (ML -Maximum Likelihood Estimation)
Выведем общую структуру оценочной функции [5]. Заметим, что система описанная в (3) имеет вектор
g , являющийся наблюдаемой импульсной характеристикой канала после выборки частотной характеристики g(t):
1
& =1N
-J'(k+ (N-1)^ ) sin('m )
Sin(—(Tm - k))
N
(4)
Если задержка тт целое число, то вся энергия
от ат отображается в отчете 8тт • В обратном
же случае энергия рассеивается по всем дк - рисунок 2.
Большая часть энергии сохраняется в окрестности исходны:': импульсны:: расположений.
Рисунок 2 - Утечка энергии между отчетами для непрерывного канала
OFDM-систему, описанную в (3), можно представить как ряд N независимых Гауссовых каналов (рис. 3)
Ук = Кхк + пк = к=0...Ы-1, (5)
где Ък - комплексное замирание канала Ь=[Ьо Ь1 ... hы-l]T=DFTы(g), а пк - комплексный нулевой сред-
ний вектор нормального Гауссова шума.
Рисунок 3 - Передача данных по параллельным Гауссовым каналам
Согласно исследованным выражениям приведем общую структуру оценочной функции у:
Рисунок 4 - Общая структура функции канальной оценки в OFDM системах
Если канальный вектор g является Гауссовым и некоррелированным с шумом канала п, то минимальная среднеквадратичная ошибка (MMSE) вектора
g превратится в перекрестную матрицу ковариации между дг и у и автокорреляционную матрицу по у.
(6)
Прямой способ упростить вычисления - уменьшить размерность матрицы. Из рисунка 2 видно, что большая часть энергии импульсной характеристики лежит в первых Ь отчетах.
L = TgN
(12)
ёкшш
Rgy = E WH } = RggF"X" Ryy = E {yyH } = XFRggFHXH + a2n IN
(7)
Далее, Рдд - автокорреляционная матрица по д, шумовое различие. Предполага-величины нам известны. Так как
обозначает
Отсюда мы можем рассматривать только эти отсчеты при оценке ММБЕ, а элементы матрицы Ядд, соответствующие отсчетам с низкой энергией приравнять к нулю. Тогда, обозначив матрицей Т первые Ь колонок матрицы БПФ Е и взяв Ь на Ь элементы матрицы Ядд, получим упрощенную оценку ММЗЕ:
ёшш генерирует частот-
ется, что две эти столбцы F ортогональны, ную область оценки h
ham = Fgmrn = PQmmPE.V (S)
Тогда канальная оценка передаточной характеристики Q (рис. 1.9) системы OFDM, основанная на минимальной среднеквадратичной ошибке будет иметь вид:
-1
hasi ~ TQmmwT У
qm
■ = RL
-1 I-1
(THXHXT) a2n + Rgg (THXHXT)
(13)
(14)
Так в стандарте IEEE 8 02.16 (WiMax) отношение Tg/Ts выбирается из {1/32, 1/16, 1/8, 1/4}. Данный алгоритм представлен на рис. 5:
Qu
• = R„
( FHXHXF )"1 al + Rgg ' (FHXHXF )-1
(9)
Уо
Xo
1
' I
Уи-l—
XN-1
е Б • Q : е г-
о V- 0 &
А 0
-ho
1N-1
Рисунок 5 - Оптимизированная структура функции канальной оценки
Заключение. Предлагаемая оптимизированная структура функции канальной оценки OFDM сигнала при передаче по многолучевому каналу радиосвязи позволит снизить битовую ошибку в приемнике на 15%, что приведет к повышению помехоустойчивости.
К оценке канала радиосвязи еще можно подойти с точки зрения функции наименьшего квадрата (LS) циклической импульсной характеристики д, которая минимизирует параметр (y - XFg)H(y -XFg) :
ks=FQLsFHXHy ,
где
QlS = (FHXHXF)-1 (10)
Оценка LS (10) так же соответствует структуре оценочной функции (рис.4) и упрощается до
hls=X-1y (11)
Минимальная средняя квадратичная оценка требует вычисления матрицы Qmmse размерностью N на N, что существенно затрудняет вычисления при больших N.
ЛИТЕРАТУРА
1. Получение OFDM сигналов для высокоскоростных сетей WiMax / О.Н Чирков, А.В. Муратов // Труды международного симпозиума надежность и качество, Издательство: Пензенский государственный университет (Пенза). 2012. Т. 1. С. 364.
2. Оценка пропускной способности высокоуровневых видов модуляции m-qam / О.Н. Чирков // Вестник воронежского государственного технического университета. Издательство: Воронежский государственный технический университет (Воронеж). 2012г. Том: 6.Страницы: 12-13.
3. Способы контроля помехозащищенности передачи данных / И.В. Свиридова, И.В. Остроумов, А.В. Муратов // Труды международного симпозиума надежность и качество, Издательство: Пензенский государственный университет (Пенза). 2013. Т. 2. С. 17.
4. Гельгор А.Л. Попов Е.А. Технология LTE мобильной передачи данных: учеб. пособие - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. С. 81-108.
5. Рошан П. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Перевод с англ. -М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. С. 95-131.
УДК 681.324
Григорьев П.В., Кривошеин А.И., Прудиус А.А.
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Москва, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОЧАСТОТНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ПРЕДИКТИВНОГО РЕМОНТА
Работа посвящена анализу методов и средств управления системами энергообеспечения с помощью RF1D-технологии. В работе рассматривается концепция построения датчиков, являющихся чувствительными элементами беспроводной сенсорной сети, предназначенной для контроля и мониторинга энергопотребления. Кратко рассмотрены варианты реализации данных устройств и их характеристики. По результатам исследований сформулированы рекомендации по работе систем передачи данных. Предложена универсальная платформа, которая позволит измерять потребление электрического тока электронными устройствами или оборудованием, проводить сбор данных, выполнять анализ и прогнозирование нагрузки электросети с учетом требований предиктивного ремонта.
Ключевые слова:
БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ, УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, КЕ1Б-МЕТКИ, МОНИТОРИНГ, ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ
Введение
В последнее время широкое распространение в контрольно-измерительных системах получаются технологии регистрации информации с радиочастотной идентификацией ^ЕИ) . Стремительный рост и развитие RЕID технологии приводит к тому, что предположительно к 2020 году число RЕID-меток способно достигнуть уровня в 10 триллионов — к
тому времени они будут стоить менее цента. После того как стоимость одной RЕID - метки опуститься ниже 5 центов, они смогут доминировать на рынке упаковок товаров (более триллиона штук в год), почтовых отправлений (около 650 млрд. в год) и книг (около 50 млрд. в год), организации производственных процессов. Кроме перечисленных рынков могут появиться и другие, объемом в десятки
где
