ОЦЕНКА КАНАЛА СВЯЗИ С МIМО-ОFDМ СИСТЕМЫ ОБМЕНА ДАННЫМИ МЕЖДУ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ НА ОСНОВЕ СОТОВОЙ СЕТИ С СИЛЬНЫМИ ПОМЕХАМИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.25987^Ти.2019.15.6.008 УДК 621.396. 621

ОЦЕНКА КАНАЛА СВЯЗИ С MIMO-OFDM СИСТЕМЫ ОБМЕНА ДАННЫМИ МЕЖДУ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ НА ОСНОВЕ СОТОВОЙ СЕТИ С СИЛЬНЫМИ

ПОМЕХАМИ

О.Н. Чирков, И.М. Пашуева, Э.Э. Каграманов

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: исследуется построение пилот-сигналов для оценки канала радиосвязи системы обмена данными между транспортными средствами на основе сотовой сети с MIMO-OFDM с сильными помехами в радиоканале от повторного использования спектра между различными линиями связи. Исследуемая система обмена данными между транспортными средствами на основе сотовой сети в настоящий момент рассматривается как наиболее перспективное и реализуемое решение для автомобильной связи и сетей с поддержкой 5G. Получена схема построения пилот-сигналов с повышенной помехоустойчивостью с использованием последовательности зон с нулевой корреляцией. Выведен метод оценки канала системы обмена данными между транспортными средствами на основе корреляции во временной области. В полученном методе используется последовательность зон из того же семейства, из которого выбраны символы пилот-сигнала из временной области. Помехи в многолучевом канале эффективно устраняются путем использования метода оценки на основе корреляции. Результаты моделирования показывают, что предложенный метод оценки канала системы обмена данными между транспортными средствами на основе сотовой сети с сильными помехами показывает характеристики битовой ошибки от отношения сигнал/шум близкие к характеристикам канала без помех

Ключевые слова: пилот-сигнал, сотовая сеть, оценка канала, последовательность зон, корреляция, символ, помехи

Введение

Система обмена данными между транспортными средствами на основе сотовой сети (C-V2X) разработана в рамках проекта 3-го поколения (3GPP). Рассматриваемая технология направлена на подключение транспортных средств к сети с поддержкой 5G и автономное управление [1]. Средства связи C-V2X включают в себя следующие режимы: связь между транспортными средствами (V2V); связь между транспортными средствами и пешеходами (V2P) по прямому каналу; связь между транспортным средством и инфраструктурой (V2I); а также связь между транспортным средством и облачным хранением данных (V2C) через усовершенствованные сотовые каналы [2].

Цифровая схема модуляции OFDM [3] и многоантенная технология MIMO [4] широко применяются в современных сотовых сетях для улучшения характеристик приёма-передачи сигнала. Система связи между транспортными средствами на основе сотовой сети является многосотовой средой с несколькими, одновременно работающими, активными передатчиками. Из-за различных режимов связи и сложной топологии сети применение MIMO-OFDM в системах C-V2X требует точной оценки канала.

© Чирков О.Н., Пашуева И.М., Каграманов Э.Э., 2019

Одновременная передача данных вызывает помехи пилот-сигналов, что определенно понижает точность оценки канала. Современные методы построения пилот-сигнала и оценки канала в транспортных сетях не учитывают многосотовое строение сети. Отсюда, оценка канала связи в системе обмена данными между транспортными средствами на основе сотовой сети на основе MIMO-OFDM является актуальной и одновременно сложной проблемой разработчиков.

Существует ряд исследований, направленных на усовершенствование пилотного сигнала в многоантенной системе. Разработана схема пилот-сигнала на основе последовательностей зон для MIMO-OFDM, которая позволяет эффективно уменьшить межсотовые помехи [5]. Также предложена оптимальная схема проектирования пилот-сигналов, в которой методом наименьших квадратов (LS) [6] канала минимизируется среднеквадратичная ошибка MSE. Для полного устранения помех пилот-сигналов в многолучевом канале последовательности зон должны одновременно иметь свойства как идеальной импульсной автокорреляции (АС), так и нулевой взаимной корреляции (СС). При рассмотрении сложного сценария помех, когда система С-У2Х включает в себя различные режимы связи и режимы совместного использования спектра (рис. 1), совокупные помехи будут намного выше, что приведет к значительному снижению эффективности оценки канала.

Рассмотрим вопрос построения оптимальной схемы пилот-сигналов для систем С-У2Х на базе MIMO-OFDM с целью повышения помехоустойчивости, используя корреляционные свойства последовательностей зон с нулевой корреляцией (2С2).

Система связи С-У2Х на основе MШO-OFDM

На рис. 1 показана система связи между транспортными средствами на основе сотовой сети на основе MIMO-OFDM, которая обычно включает в себя связь У21 от базовой станции (БС) с транспортными средствами (ТС) и связь У2У между транспортными средствами.

Рис. 1. Система связи С-У2Х

БС и ТС оборудованы передающими N и приемными N антеннами, и В органи-

зации связи между транспортным средством и инфраструктурой (У21) используются N передающие антенны и N приемные антенны. Удаленная связь между транспортными средствами (У2У) использует одинаковое количество передающих и приемных антенн - Предполагается, что в сети есть источники Ку, такие как БС и передатчики У2У-связи. В каждой приемной антенне в системах MIMO-OFDM используется одна и та же процедура оценки канала, поэтому, в качестве примера, для исследования будет использоваться только одна приемная антенна линии связи У21. Выражения каналов связи У2У можно легко получить, заменив на {г, в полученных результатах. Переданный символ во временной области с циклическим префиксом на ^й передающей антенне v-го источника может быть выражен как 5(Ю = [5(Ю(ы-Ыд)- 5(г)(0) • • • (Л - 1)], (1)

где N - длина циклического префикса. Чтобы исключить влияние помех в пилот-сигнале, длина циклического префикса должна быть Ыд > Ь + ттах , где L обозначает максимальную задержку многолучевого канала, а Ттах обозначает максимальную зависимость времени распространения среди соседних источников [7]. N N. и N представляют собой наборы индексов {0,1,...,КГ1}, {0,1,...,Кг-1} и {0,1,...,N^-1} соответственно. Вектор отклика канала между ^й передающей антенной у-го источника и г-й приемной антенной целевого транспортного средства, обозначенный как ft|Ьr),teWtJreWJ.,veW,;, можно представить как

^ = (0)^(1 , (2) где (Ь) - усиление 1-го пути,

е МТ и V е - набор независимых

комплексных гауссовских случайных векторов,

= 0ЬХ1 и

удовлетворяющих условиям Е

е

(у),(у)Н

(V) = )

Vм =

г,г ■

0

(у)

17

(¿-1)

(3)

Учитывая идеальную синхронизацию по времени и компенсацию сдвига частоты на приемнике, принятый символ во временной области на г-й приемной антенне может быть представлен как

у^^о^Ч^, (4)

где пг является КХ1 вектор с Е[пг] = 0МХ1 и Е[пгпг] = .

? О) = ,0)

5^(0) 5^(^-1)

5^(1)

(Ы-

1)

5^(0)

Ь + 1) Ь + 2)

2)

(5)

Используем простой класс двоичных последовательностей зон с нулевой корреляцией (2С2) [7].

Пусть F(A,B,C) обозначают один набор семейств двоичных последовательностей 2С2, где А представляет длину последовательности, В - размер семейства, а С - длину зоны.

Тогда

где ^ = [^(0)^(1)^ (2) -Ь(А- 1)], 0 < 1<В- 1

Согласно исследованиям [7], можно получить

А = 22п+тЬ0, В = 2п+1, С = 2п+т + 1 (7)

где п и т - неотрицательные целые числа,

а L0 - начальная длина последовательности во

время построения.

Корреляционные характеристики F(A,B,C)

можно представить в виде N-1

яи(т) = ^ + т)тоал) =

к=О

!Ь, если г = ], т = 0 0, если г = ], 0 < т < I, 0, если г ф ], 0 < т < I г = 0,1,-,В - 1,у = 0,1,-,Я-1. (8) На рис. 2 и 3 представлены корреляционные характеристики F (1024,16,65), в которых параметры построения последовательности в (7) установлены как L0 = 2, т = 3 и п = 3.

i

L

0.2 es Г ! ®

i! oo С* i ::

Зона нулевой ¿ó

-М -Tlfi корреляции

■1 -- ■ .1 L

-100 -3} «0 -4D -Я О 20 « ЬО И !«)

Рис. 2. Значение AC последовательностей ZCZ

98 (tí

„ 1 J

9 л 1

«I n 1

Зона нулево I . W .

6 корреляции >1

■o.e

На рис. 2 и 3 показано, что существует зона нулевой корреляции для значений AC и CC, где длина последовательности ZCZ равна С.

Характеристика последовательностей зон с нулевой корреляцией может использоваться для устранения помех пилот-сигнала. Выберем символы пилот-сигнала во временной области из того же набора семейств, где длинна последовательности ZCZ равна длине OFDM символа с данными.

Схема повторного использования кластера пилот-сигнала в исследуемой системе показана на рис. 1, где Q=4 кластера последовательности зон с нулевой корреляцией. В случае связи с несколькими антеннами, такой как система MIMO [8], последовательности пилот-сигналов, назначенные разным передающим антеннам, представляют собой разные последовательности ZCZ, но в пределах одного кластера пилот-сигналов. Следовательно, каждый спроектированный пилотный кластер должен содержать как минимум NT различных последовательностей зон с нулевой корреляцией.

Для связи V2I любые две соседние БС должны быть распределены с различными кластерами последовательности зон.

В V2V выделенный кластер последовательности зон с нулевой корреляцией конкретной линии связи должен отличаться от кластеров последовательности ZCZ, назначенных БС, в зону покрытия которых попадает транспортное средство. Следует отметить, что кластеры, назначенные для связи V2V, являются динамическими из-за мобильности транспортных средств. Если в сети нет новых БС, их выделенные кластеры могут не изменяться.

Для эффективного устранения помех пилот-сигнала в многолучевом канале в системе C-V2X длина построенных последовательностей ZCZ должна быть равна или больше длины циклического префикса.

Предложенный метод

Чтобы полностью использовать преимущества схемы проектирования пилот-сигналов на основе последовательностей ZCZ, воспользуемся методом корреляционной оценки канала временной области (TD-CCE) [7], который может эффективно устранить помехи пилот-сигнала в многолучевом канале. Метод корреляционной оценки канала временной области показан на рис. 4.

Рис. 3. Значение CC последовательностей ZCZ

[ Чокэльный перенос 2С2 г | Рис. 4. ГБ-ССЕ метод

В приемнике используется взаимный коррелятор для обработки L сдвинутых локальных последовательностей 2С2 с принятым символом пилот-сигнала. Это приводит к соответствующей импульсной характеристике каждого канала.

Оценка канала на г-й антенне транспортного средства в определенной зоне, например, у = 0, равна

(о) _ М°)„ ДоЬОКО)

/Л")

-с

Уг

У ™т -(и) ~ (V) / (V) +

1 -(0) А

(9)

где ¿о е Ат и это матрица, которая состоит из Ь Х А сдвинутых локальных последовательностей 2С2.

7,(0)

(х ) может быть задано, как

с40)

„(0)

(0)

(о),

(1)

С(>-1) с(ои)(0) с®(Л-1 + 1) с(п0)(Л-1 + 2)

Из (8) получается

^(>-1) с<>-2)

(10)

-(о) »(&) = (Л1Ь, если Ь = 0 и £ = ¿0 (Ц) ^о £ ( 0£, иначе . ( )

Для оценки эффективности устранения помех пилот-сигнала в многолучевом канале и устойчивости к сильным помехам предложенного метода рассчитаем среднеквадратичную ошибку MSE на г-й антенне транспортного средства [9]

МБЕг г =

Е\Тг

Л(°) -л(°)

аг0,г "to,r

■)С

С"®

Лг(о)

(12) (13)

что влияние помех пилот-сигнала в многолучевом канале

г(0) =2уЬ-1„(0)

г с0,г _ 2 ¿>г=о %,г , Согласно (12), получается,

может быть полностью исключено с использованием предложенной схемы на основе последовательностей 2С2 и метода ГБ-ССЕ.

Результаты моделирования

Проведено моделирование предлагаемой схемы пилот-сигнала и метода ГБ-ССЕ в системе С-У2Х на основе М1МО-ОРБМ. N = 9 (включая шесть БС и три ТС в качестве передатчиков), а каждая БС оборудована 4 передающими антеннами и каждое ТС оборудовано 2 передающими или приемными антеннами. Базовая станция размещена на участке (0, -50 м). Исследуемый объект находится на участке (-100 м, 0 м). Модель канала 1Ги-А - замирания в многолучевом канале [10]. Параметры моделирования приведены в таблице.

Пропускная способность системы 20 МН

Длина ЦП 64

Количество поднесущих 1024

Частота дискретизации 20 МН

Радиус покрытия БС 500 м

Радиус охвата ТС 50 м

Координаты БС (-500, 50), (0, 50),

(500, 50), (-500, -

50), (0, -50), (500,

-50)(м)

Мощность передачи БС 40 дБм

Мощность передачи ТС 15 дБм

Коэффициент потерь В=-3

Скорость ТС От 10 км/ч до 50

км/ч

Частота 5,9 GHz

На рис. 5 представлено сравнение предложенной схемы пилот-сигнала и оптимальной схемы с точки зрения среднеквадратичной ошибки от отношения сигнал/шум.

Рис. 5. МБЕ от отношения БЫЪ

Из рис. 5 видно, что предложенная схема имеет значительный выигрыш в производительности по сравнению с оптимальной схемой мультиплексирования с кодовым разделением в частотной области (FD-CDM) для оценки канала в системах С-У2Х.

На рис. 6 представлены результаты минимальной среднеквадратичной ошибки движущегося транспортного средства, когда оно проезжает мимо БС, расположенной в (0 м, 50 м).

--- ПреЭл еженная схема TD-CDM Опт и.мил ьчяя схема FD-CLJM р ..... ......

2

J

о — п- /

.....

V* /

1/'

.....

;■> ■ ■ -

2d 1 С о е 0 100 120 140 1 69 iw 20

¿.■Motion К (т)

Рис. 6. MSE от отношения местоположения движущегося транспортного средства

Ось Х на рис. 6 обозначает серию местоположений исследуемого транспортного средства, движущегося вдоль линии (х, 200 м). При большом значении Х, т.е. близости к краю зоны покрытия БС, происходит увеличение помех от соседних БС.

Заключение

В данной статье была рассмотрена актуальная проблема проектирования пилот-сигнала и оценка радиоканала для системы С-У2Х на основе MIMO-OFDM. Главной целью являлось устранение помех пилот-сигнала в условиях многолучевости и влияния соседних базовых станций и транспортных средств.

Для пилот-сигнала было предложено использовать последовательности зон с нулевой корреляцией 2С2 и повторное использование кластера. Предложенная схема мультиплексирования с кодовым разделением во временной

области (TD-CDM) имеет лучшую помехоустойчивость по сравнению с оптимальной схемой мультиплексирования с кодовым разделением в частотной области FD-CDM, которая страдает от значительного ухудшения характеристик на границах зон (рис. 1).

Таким образом, предложенный метод может быть использован в системах обмена данными между транспортными средствами на основе сотовой сети.

Литература

1. LTE evolution for vehicle-to-everything services / H. Seo, K.D. Lee, S. Yasukawa, Y. Peng, P. Sartori // IEEE Communications Magazine. Jun. 2016. Vol. 54. №. 6. pp. 22-28.

2. Interference Graph-Based Resource Allocation (In-GRA) for D2D Communications Underlaying Cellular Networks/ R. Zhang, X. Cheng, L. Yang, B. Jiao // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2015. Vol. 64. № 8. pp. 3844-3850.

3. Чирков О.Н., Астрединов Р.К. Многополосный преобразователь частоты OFDM // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 2018. С. 120-124.

4. 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. Пенза: Пензенский государственный университет, 2019. Т. 2. С. 85-87.

5. Optimal pilot sequence design for multi-cell MIMO-OFDM systems / J.W. Kang, Y. Whang, H.Y. Lee, K.S. Kim // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2011. Vol. 10. № 10. pp. 3354-3367.

6. Чирков О.Н., Ромащенко М.А., Чураков П.П. Усовершенствованный метод оценки канала с итерационным подавлением помех для многопользовательских систем MIMO-OFDM // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 6 (8). С. 150-155.

7. Class of binary sequences with zero correlation zone / P. Fan, N. Suehiro, N. Kuroyanagi and X. Deng // Electronics Letters. 1999. Vol. 35. № 10. pp. 777-779.

8. Пилотная оценка канала радиосвязи в MIMO-OFDM системах/ О.Н. Чирков, М.А. Ромащенко, И.С. Бобылкин, Р.Н. Щипелев, А.А. Матвеев // Надежность и качество: тр. междунар. симпозиума. Пенза: Пензенский государственный университет, 2019. Т. 2. С. 87-90.

9. Самодуров А.С. Разработка элементов программного комплекса анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. №7.1. С. 122-125.

10. ITU-R Recommendation M. 1225, Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000, 1997.

Поступила 24.10.2019; принята к публикации 11.12.2019 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

65

Пашуева Ирина Михайловна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: vapushka@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/ 0000-00018218-9094

Каграманов Эдуард Эдуардович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kagramanov98@yandex.ru

ASSESSMENT OF THE MIMO-OFDM COMMUNICATION CHANNEL OF DATA EXCHANGE BETWEEN VEHICLES BASED ON A CELLULAR NETWORK WITH STRONG

INTERFERENCE

O.N. Chirkov, I.M. Pashueva, E.E. Kagramanov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article investigates the construction of pilot signals for estimating the radio channel of a system for exchanging data between vehicles based on a cellular network with MIMO-OFDM with strong interference in the radio channel from spectrum reuse between different communication lines. The studied data exchange system between vehicles based on a cellular network is currently considered the most promising and feasible solution for automotive communications and networks with 5G support. A scheme for constructing pilot signals with increased noise immunity using a sequence of zones with zero correlation is obtained. A method for estimating the channel of a system for exchanging data between vehicles based on correlation in the time domain is derived. The obtained method uses a sequence of zones from the same family from which the pilot symbols from the time domain are selected. Noise in a multipath channel is effectively eliminated by using a correlation-based estimation. Simulation results show that proposed method for estimating channel of a system for exchanging data between vehicles based on a cellular network with strong interference shows the characteristics of the bit error from the signal-to-noise ratio close to the characteristics of the channel without interference

Key words: pilot signal, cellular network, channel estimation, sequence of zones, correlation, symbol, noise

References

1. Seo H., Lee K.D., Yasukawa S., Peng Y., Sartori P. "LTE evolution for vehicle-to-everything services", IEEE Communications Magazine, Jun. 2016, vol. 54, no. 6, pp. 22-28.

2. Zhang R., Cheng X., Yang L., Jiao B. "Interference graph-based resource allocation (InGRA) for D2D communications underlaying cellular networks", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Aug. 2015, vol. 64, no. 8, pp. 3844-3850.

3. Chirkov O.N., Astredinov R.K. "OFDM multi-band frequency converter", Problems of Ensuring the Reliability and Quality of Instruments, Devices and Systems. Interuniversity Collection of Scientific Papers (Problemy Obespecheniya Nadezhnosti i Kachestva Priborov, Ustroystv i Sistem: mezhvuz. sb. nauch. tr.), Voronezh, 2018, pp. 120-124.

4. Chirkov O.N., Romashchenko M.A., Bobylkin I.S., Shchipelev R.N., Sobolev M.I. "Methods of noise-tolerant signal detection in multi-antenna MIMO systems with spatial multiplexing", Proc. of the International Symposium: Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr. mezhdunar. simpoziuma), Penza State University, 2019, vol. 2, pp. 85-87.

5. Kang J.W., Whang Y., Lee H.Y., Kim K.S. "Optimal pilot sequence design for multi-cell MIMO-OFDM systems", IEEE Transactions on Wireless Communications, Oct. 2011, vol. 10, no. 10, pp. 3354-3367.

6. Chirkov O.N., Romashchenko M.A., Churakov P.P. "An improved method for channel estimation with iterative noise reduction for multi-user MIMO-OFDM systems", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2019, vol. 83, no. 6 (8), pp. 150-155.

7. Fan P., Suehiro N., Kuroyanagi N., Deng X. "Class of binary sequences with zero correlation zone", Electronics Letters, May 1999, vol. 35, no. 10, pp. 777-779.

8. Chirkov O.N., Romashchenko M.A., Bobylkin I.S., Shchipelev R.N., Matveev A.A. "Pilot assessment of the radio channel in MIMO-OFDM systems", Proc. of the International Symposium: Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr. mezhdunar. simpoziuma), Penza State University, 2019, vol. 2, pp. 87-90.

9. Samodurov A.S. "Development of elements of a software package for the analysis and synthesis of ultra-wideband antennas of radio monitoring equipment for mobile and stationary based", Bulletin of the Voronezh State Technical University (Vestnik Voro-nezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta), 2012, vol. 8, no. 7-1, pp. 122-125.

10. ITU-R Recommendation M. 1225, Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000, 1997.

Submitted 24.10.2019; revised 11.12.2019 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

Irina M. Pashueva, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14, Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: vapushka@yandex.ru, ORCID: https: // orcid. org / 0000-0001-8218-9094 Eduard E. Kagramanov, Student, Voronezh State Technical University (14, Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kagramanov98@yandex.ru