Влияние эффекта Доплера на эффективность передачи OFDM сигналов в системах связи с беспилотными летательными аппаратами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.391.6:621.396.13

ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ OFDM СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ С БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

А.В. Полынкин, Х.Т. Ле

Проведено исследование OFDM системы с оценкой канала на основе пилот-сигналов, выполнены анализ методов оценки радиоканала и анализ влияния эффекта Доплера на качество демодуляции OFDM сигналов применительно к связи с беспилотными летательными аппаратами.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, кодированное ортогональное частотное мультиплексирование сигналов, межсимвольная интерференция, частотно-селективный канал, интерференция поднесущих.

В настоящее время использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) расширяется в различных сферах деятельности. Для решения поставленных задач, а также для обеспечения безопасности полета необходим надежный канал передачи информации «БПЛА - наземный пункт управления (НПУ)». Передача данных с борта БПЛА на НПУ осуществляется в реальном масштабе времени, следовательно, для передачи большого объема информации с БПЛА необходима радиолиния с высокой пропускной способностью. Кроме того, канал передачи информации между БПЛА и НПУ является частотно-селективным, а его параметры изменяются во времени. Поэтому при использовании обычной одночастотной модуляции для обеспечения высокоскоростной передачи данных требуется высокая сложность адаптивного эквалайзера, аппаратурная реализация которого очень затруднена. Один из эффективных подходов в этом случае - применение технологии мультиплексирования с кодированным ортогональным частотным разделением каналов ^OFDM) [1, 2], которая обладает высокой спектральной эффективностью и помехоустойчивостью. Качество функционирования системы связи с OFDM модуляцией существенно зависит от методов оценки параметров канала при изменяющихся во времени условиях распространения сигнала. В отличие от традиционных беспроводных сетей, таких как Wifi и Wimax, радиоканал связи в системах БПЛА характеризуется большим радиусом действия и высокой скоростью движения летательного аппарата. Это приводит к достаточно большому различию между временем прихода сигнала по возможным путям его распространения и высокому допплеровскому смещению частоты. Но при большом доплеровском сдвиге частоты ортогональность поднесущих частот теряется, и качество демодуляции OFDM сигналов сильно ухудшается. Поэтому необходима оценка влияния доплеровского частотного смещения на эффективность передачи информации между БПЛА и НПУ с использо-

ванием OFDM модуляции.

Канал радиосвязи между пунктом управления и БПЛА относится к авиационному типу радиоканала, который описывается многолучевой моделью с явлениями переотражения, рассеивания и дифракции [4]. Моделирование авиационных каналов связи сильно зависит от анализируемого сценария движения: полёт, взлёт и приземление, руление на аэродроме, парковка. В зависимости от полетной ситуации канал авиационной связи характеризуется типом замираний, величинами доплеровского смещения, временных задержек, которые проявляются в каждой лучевой компоненте. При этом выделяется компонента прямой радиовидимости. И канал авиационной связи описывается законом Райса. Сценарий «полёт» описывается двухлучевой моделью, в которой отраженные задержанные лучи представляются релеевским процессом. Коэффициент Райса (отношение энергии компоненты прямой радиовидимости к суммарной рассеянной энергии сигнала) для этого сценария принимает значения в диапазоне 2...20 дБ, типичное значение 15 дБ [4].

Система OFDM, использующая пилот-сигналы для оценки характеристик канала приведена на рис. 1.

Входные

биты

Х(к)

х(п)

г

1 2 —► 3 4 5 6 1 8 9

17

II)

Выходные

биты

11

<—

22 21 ч 20 , 19 18 16 15 14 - 13

■і—

*—

12

Y(k) у(п)

Рис. І. Структурная схема OFDM системы:

І - FEC-кодер; 2 - перемежитель; 3 - сигнальный кодер;

4 и 14 - последовательно-параллельное преобразование; 5 - добавление пилот-сигналов; б - ОБПФ; ? - добавление защитного интервала;

S и І9 - параллельно-последовательное преобразование; 9 - ЦАП;

І0 и І2 - квадратурные модуляторы; ІІ - канал связи; ІЗ - АЦП;

ІЗ - удаление защитного интервала; Іб - БПФ; І? - оценка частотной характеристики канала; І8 - эквалайзер; 20 - сигнальный декодер;

2І - деперемежитель; 22 - FEC-декодер

Блок ОБПФ формирует из последовательности передаваемых данных Х(к) отсчеты комплексной огибающей ОБОМ символа х(п) следующим уравнением:

N-1

х(п) = ЮП {X (к)} = £ X (к) г3 (2ркпШ \ (1)

k=0

где X (к) = |Х (к )| х exp( jj(k))- комплексный модулирующий символ (КАМ

символ или ФМ символ); N - число поднесущих колебаний, формирующих один OFDM символ.

После блока ОБПФ добавляется защитный интервал, величина которого для предотвращения межсимвольной интерференции (МСИ) больше чем ожидаемое расширение задержки в канале. Этот защитный сигнал содержит циклический префикс OFDM символа для устранения интерференции различных поднесущих.

Передаваемый сигнал x(n) проходит через частотно-селективный, изменяющийся канал с аддитивным шумом. Принимаемый сигнал имеет вид:

y (n) = x(n) ® h(n) + w(n), (2)

где w(n) - аддитивный белый гауссов шум, а h(n) - импульсная характеристика канала, которая имеет вид:

h(n) = £ heJ{2PN)fD,Ts"d(k-Tl) 0 < n < N -1. (3)

i=0

Здесь L - общее число путей распространения; k - индекс расширения задержки (величина, кратная периоду дискретизации); Ts - период дискретизации; hl - комплексная импульсная характеристика соответствующего пути распространения; fD - доплеровское смещение частоты; t - задержка

распространения (нормированная к периоду дискретизации).

В приемнике, после преобразования в дискретный вид и низкочастотной фильтрации защитный интервал удаляется, отсчеты y(n) импульсной характеристики принятого сигнала извлекаются и подаются в блок БПФ для следующего преобразования:

1 N-1

Y(к) = DFT{y(n)} = -1y(n) e-j>. (4)

N n=0

В случае отсутствия межсимвольной интерференции

Y(к) = X(к)H(к) + W(к) к = 0,1,2, •••, N -1, (5)

где W^J = DFT{w(n)},

H(к) = t]h.eJPfDlTs ' ( s) e~j{2щ/N)к - результат преобразования

1=0 pfDTs

Фурье импульсной характеристики канала h(n).

После БПФ извлекаются пилот-сигналы и вычисляются оценки канала Ё(к) для информационных поднесущих. Частотные составляющие принятого сигнала оцениваются следующим образом

Хк = Н(к) к = 0’1’2- N -1. (6)

Доплеровский сдвиг частоты пропорционален скорости аппарата и

представляется выражением

Fd = — cos в, d Л

(7)

где n - скорость движения аппарата, Л - длина волны несущей частоты, в - угол, определяющий направление перемещения аппарата относительно НПУ.

Эффект Доплера нарушает ортогональность поднесущих OFDM символа и приводит к интерференции поднесущих. Пусть I(k) - величина, учитывающая эту интерференцию и приводящая к изменению k-ой подне-сущей частотной характеристики.

Перепишем уравнение (І) в виде

Y(k) = X(k)H(k) +1(k) + W(k) k = 0,1,2, •••, n - І, (S)

l-і n-і h x(к) і - eJ 2p( ^-k+K)

где 1 (k) =

i=0 K=0, K *k

N 1

е

j (2p/N)(fDjTs -k+K)

е

- J (2ят, / N) K

Оценка канала может быть выполнена либо вставкой пилот-сигналов в каждую поднесущую частоту OFDM символа с определенным периодом или вставкой пилот-сигналов в каждый OFDM символ в определенные его поднесущие [5]. Методы вставки пилот-сигналов представлены на рис. 2. Первый метод добавления пилот-сигналов называется блочным. Оценка канала производится на основе обучающих сигналов в первом OFDM символе и полученные результаты используются при передаче следующих символов. Второй тип добавления пилот-сигналов называется распределенным. Оценка канала распределенными пилот-сигналами состоит из оценки канала на пилот-поднесущих и построения интерполяционной функции, применимого к сигналам остальных поднесущих.

О Информационные сигналы

О Информационные сигналы

hQ Si к Пилот-сигналы 3 « Пилот-сигналы

н о • о О о • О О О • о О о н о О о о О О О О о о о о О

н -

о сЗ • о о о • О О О • о о о о C-J О о о о G О О о о о о О

нГ1 • Q о о • О О О • о О о &Г1 0J • • • • • • • • • • • •

X S • О о о • О О О • о о о к э о о о о G о о о о о о о

о • О о о • О О О • о о о о О о о о о о о о о о о о

(3 (D

в ч • О о о • О О О • Q о Q X ч. • • • • • • • • • • • •

о с • О о о • О О о • О о о о с О о о о о О о о о о о о

• О о о • О О о • о О о о о о о 0 О О о о о о о

• О о о • О: О о • о о о • • • • • • • • • • • •

Sf

а) В'к"я б)

Рис. 2. Методы добавления пилот-сигналов: а - блочный метод; б - распределенный метод

Время

Наличие пилот-сигналов приводит к снижению скорости передачи информации с БПЛА на НСУ. Чем меньше используется пилот-сигналов,

31

тем выше скорость передачи данных. Интервалы между соседними пилот-сигналами во временной (St) и частотной (Sf) областях должны удовлетворить условиям [3]:

S, < — ■—; Sf <—----------— , (9)

F.T tDF

d s max

где Fd - доплеровский сдвиг частоты, tmax - максимальный разброс задержек, Ts - длительность OFDM сигнала, DF - расстояние между соседними

поднесущими.

На основе указанных условий для повышения скорости передачи данных выбирается оптимальная схема вставки пилот-сигналов.

Методы оценки характеристики радиоканала делятся на две группы: это так называемые слепые методы и методы, основанные на периодической посылке специальных тестирующих (обучающих) сигналов. При применении слепых методов измеряются статистические характеристики принимаемых сигналов, и характеристики канала определяются на основе связи априорно известных статистических характеристик излучаемых сигналов и измеренных характеристик выходных сигналов. Слепые методы не требуют дополнительных затрат времени на посылку специальных измерительных сигналов. Однако они имеют существенный недостаток - для измерения элементов передаточной матрицы канала с достаточной точностью необходимо значительное время. Поэтому слепые методы неприменимы в быстро изменяющихся условиях распространения сигнала [6].

При применении методов оценки матрицы радиоканала с помощью обучающих сигналов известные тестовые символы вставляются в начало каждого блока перед посылкой информационных символов. Если значения элементов матрицы канала быстро изменяются во времени и зависят от частоты (канал с двойной селективностью по времени и по частоте), то посылка тестирующей последовательности только в начале блока может оказаться недостаточной для точной оценки канала. В этом случае тестирующие символы (пилот-символы) вставляются периодически между информационными во время передачи блока. Оценивание параметров канала в методах, использующих пилот-сигналы, основано на возможности довольно точно вычислить значения комплексных амплитуд в моменты времени, соответствующие пилот-сигналам. Полученные оценки интерполируются на соседние информационные интервалы.

На практике наиболее часто для оценки передаточной матрицы канала применяются метод наименьших квадратов (НК) и метод минимума среднеквадратического отклонения (МСКО) [7]. Метод МСКО дает лучшие результаты, чем метод НК, по критериям среднеквадратической ошибки и вероятности битовой ошибки, но требует большого объема вычислений. Используем для оценки канала метод НК.

При распределенных пилот-сигналах оценка канала на информаци-

онных поднесущих производится с помощью интерполяции информации о канале в принятых пилот-сигналах. Наиболее распространенными являются линейная интерполяция, интерполяция второго порядка, интерполяция кубическими сплайнами и низкочастотная интерполяция. Воспользуемся для оценки канала низкочастотной интерполяцией, приводящей к наименьшей вероятности битовой ошибки [7].

Основные параметры системы OFDM, используемые при моделировании, приведены в таблицу.

Параметры OFDM системы

Параметр Значение

Несущая частота 2,4 ГГц

Полоса частот OFDM сигнала 2,5 МГц

Скорость кодирования R = 3/4

Тип модуляции QPSK

Общее число поднесущих N = 64

Расстояние между поднесущими DF = 39,06 КГц

Число поднесущих, используемых для передачи данных 00 -о

Отношение числа пилот-сигналов к числу информационных поднесущих 1/6

Длительность OFDM сигнала Ts = 40 мкс

Длительность защитного интервала т = 6,4 мкс

При моделировании процесса оценки передаточной характеристики канала с помощью блочных пилот-сигналов оценка, полученная для одного OFDM символа (полностью состоящего из пилот-сигналов), используется для коррекции шести последующих OFDM символов (St = 6) (состоящих только из информационных сигналов). При моделировании процесса оценки передаточной характеристики канала с помощью распределенных пилот-сигналов в каждый OFDM символ вставляется восемь пилот-сигналов (Sf = 6). При моделировании использована двухлучевая модель канала Райса (задержки лучей - 0 и 1200 нс, мощности лучей - 0 и -15 дБ). Коэффициент Райса принят равным 10 дБ.

На рис. 3 и 4 представлены зависимости вероятности битовой ошибки системы от отношения сигнал/шум в канале для различных методов оценки коэффициента передачи канала при различных скоростях движения БПЛА.

Результаты показывают, что при низких скоростях полета БПЛА (ниже 70 км/ч) оценка канала блочным методом дает меньшую вероятность битовой ошибки. При больших скоростях БПЛА (больше 120 км/ч)

лучший результат дает оценка канала распределенным методом.

При повышении скорости движения БПЛА вероятность битовой ошибки увеличивается для обоих методов вставки пилот-сигналов, причем на эффективность оценки канала блочными пилот-сигналами сильно влияет скорость БПЛА.

Рис. 3. Результаты оценки канала при низких скоростях

движения БПЛА

Отношение сигнал/шум, дБ

Рис. 4. Результаты оценки канала при больших скоростях

движения БПЛА

На рис. 5 показаны зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум в канале для различного количества пилот-сигналов в одном OFDM символе при использовании распределенного метода. При увеличении числа пилот-сигналов вероятность ошибки уменьшается, однако при этом снижается скорость передачи информации. Следовательно, количество пилот-сигналов должно выбираться с учетом требуемой вероятности битовой ошибки и скорости передачи информации.

О 5 10 15 20 25

Отношение сигнал/шум, дБ

Рис. 5. Результаты оценки каналараспределенным методом (скорость БПЛА равна 120 км/ч)

Результаты моделирования показывают, что при большой скорости БПЛА (больше 120 км/ч) использование распределенного метода добавки пилот-сигналов более эффективно по сравнению с использованием блочного метода. А при низкой скорости БПЛА (меньше 70 км/ч) более эффективен блочный метод. При повышении скорости БПЛА вероятность битовой ошибки системы растет для обоих методов. Эффективность оценки канала распределенным методом повышается при увеличении количества пилот-сигналов в OFDM символе.

Список литературы

1. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики. Эко-Трендз, 2005. 392с.

2. В. Слюсар, Радиолинии связи с БПЛА. Примеры реализации /

В. Слюсар //Электроника: наука, технология, бизнес. 2010. № 5. С. 56-60.

35

3. Richa B., Shweta S. Impact of Sampling Theorem on Pilot Aided Channel Estimation for OFDM based Multi-Carrier System// International Conference on Advances in Electronics and Electrical Engineering, Bangkok, Thailand, 2012.

4. Haas E. Aeronautical channel modeling// IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2002. V. 51. № 2. P. 254-264.

5. Yong S.C., Jaekwon K. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB. John Wiley & Sons Ltd. 2010. 544 p.

6. Сюваткин В.С., Есипенко В.И., Ковалев И.П., Сухоребров В.Г. WiMAX - технология беспроводной связи: теоретические основы, стандарты, применение - М.: БХВ-Петербург, 2005. 368 с.

7. Sinem C., Mustafa E., Anuj P., Ahmad B. Channel Estimation Techniques Based on Pilot Arrangement in OFDM Systems// IEEE Transactions on Broadcasting. 2002. Vol. 48. № 3. P. 223-229.

Полынкин Александр Викторович, канд. техн. наук, доц., avipolatnla.net, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ле Хыу Туан, асп., letuan2l lagmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF DOPPLER EFFECT ON OFDM TRANSMISSION IN UA V COMMUNICA TION SYSTEM

A. V. Polynkin, H. Т. Le

The description of the OFDM system based on pilot channel estimation is given. Channel estimation methods for OFDM systems are investigated. Doppler shift impact on UA V OFDM communication system is analyzed.

Key words: unmanned aerial vehicle, coded orthogonal frequency division multiplexing, intersymbol interference, frequency-selective channel, intercarrier interference.

Polynkin Aleksandr Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, avipol atula. net, Russia, Tula, Tula State University,

Le Huu Tuan, postgraduate, letuan21 l a gmail. com, Russia, Tula, Tula State University