RU2781468C1 - Method for increasing the noise immunity of receiving ofdm signals in channels with memory and fast fading - Google Patents

Abstract

FIELD: communications technology.

SUBSTANCE: invention relates to communication technology and can be used in mobile communication systems in which orthogonal frequency multiplexing is required. A pilot signal is inserted into each OFDM symbol in the transmitting device, while a sequence of samples of the pilot signal envelope formed by means of a parallel-sequential conversion, the length of which is selected so that the time scattering interval at a given transmission rate provides measuring all samples of the impulse response, is subjected to the FFT operation separately from the samples of the OFDM symbol information sequence envelope, and on the receiving side, according to the sequence of samples of the envelope of the pilot signal with a known information content, the pulse response samples are measured, after which, in the sequence of samples of the envelope of the information symbol, the signals of inter-symbol interference are compensated.

EFFECT: increase in the noise immunity of receiving OFDM signals in channels with memory and fast fading.

1 cl, 5 dwg

Description

Способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями, относится к системам связи, использующим ортогональное частотное мультиплексирование и может быть использовано в системах мобильной связи 4-го и 5-го поколения.The method for improving the noise immunity of receiving OFDM signals in channels with memory and fast fading refers to communication systems using orthogonal frequency multiplexing and can be used in mobile communication systems of the 4th and 5th generation.

Известен способ приема OFDM-радиосигнала Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи / Л.Н. Волков, М.С. Немировский, Ю.С. Шинаков. М.: Эко-Трендз, 2005, заключающийся в том, что сигнал из передающего устройства после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом поступает на вход приемного устройства, из аналогового входного сигнала выделяется последовательность отсчетов огибающей, из полученной последовательности удаляются отсчеты защитного интервала, оставшиеся отсчеты, характеризующие OFDM символ, после последовательно-параллельного преобразования подвергаются быстрому преобразованию Фурье, результатом которого является совокупность модулирующих символов, которые преобразуются в последовательность информационных бит, предназначенное для устранения межсимвольной интерференции. Но данный способ не позволяет сохранить помехоустойчивость приема в каналах с памятью, величина которой превосходит исправляющую способность защитного интервала, а также при воздействии на сигнал быстрых замираний.A known method of receiving an OFDM radio signal Volkov LN, Nemirovskiy MS, Shinakov Yu.S. Systems of digital radio communication / L.N. Volkov, M.S. Nemirovsky, Yu.S. Shinakov. M .: Eco-Trends, 2005, which consists in the fact that the signal from the transmitter after passing through the multipath channel with additive noise enters the input of the receiver, a sequence of envelope samples is extracted from the analog input signal, the guard interval samples are removed from the resulting sequence, the remaining the samples characterizing the OFDM symbol, after serial-parallel conversion, are subjected to a fast Fourier transform, which results in a set of modulating symbols that are converted into a sequence of information bits designed to eliminate inter-symbol interference. But this method does not allow to maintain the noise immunity of reception in channels with memory, the value of which exceeds the correcting ability of the guard interval, as well as when the signal is exposed to fast fading.

Наиболее схожим к предлагаемому способу по своей технической сущности является способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью. Патент №2618211, дата приоритета 07.09.2015, опубликовано 03.05.2017, МПК H04J 11/00, заключающийся в том, что сигналы из передающего устройства после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом поступает на вход приемного устройства, из аналогового входного сигнала выделяется последовательность отсчетов огибающей, из полученной последовательности удаляются отсчеты защитного интервала, оставшиеся отсчеты, характеризующие OFDM символ, после последовательно-параллельного преобразования подвергаются быстрому преобразованию Фурье, результатом которого является совокупность модулирующих символов, преобразуемых далее в последовательность информационных бит, перед удалением отсчетов защитного интервала производится измерение импульсной характеристики канала по содержимому в структуре передаваемого сигнала пилот-символам в известным информационным содержанием, и далее по измеренной импульсной характеристике осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции из последовательности отсчетов огибающей. Но данный способ, в ситуации, когда в канале с рассеянием лучи распространения сигнала подвергаются воздействию быстрых замираний, также не позволяет сохранить помехоустойчивость приема.The most similar to the proposed method in its technical essence is a method for improving the noise immunity of receiving OFDM signals in channels with memory. Patent No. 2618211, priority date 09/07/2015, published 05/03/2017, IPC H04J 11/00, which consists in the fact that the signals from the transmitter after passing through the multipath channel with additive noise enter the input of the receiver, a sequence is extracted from the analog input signal envelope samples, the guard interval samples are removed from the resulting sequence, the remaining samples characterizing the OFDM symbol, after serial-parallel transformation, are subjected to a fast Fourier transform, the result of which is a set of modulating symbols that are further converted into a sequence of information bits, before removing the guard interval samples, the impulse response is measured. channel characteristics according to the content in the structure of the transmitted signal to pilot symbols in known information content, and then according to the measured impulse response, ISI signals are compensated from a sequence of envelope samples. But this method, in a situation where the signal propagation beams are exposed to fast fading in a scatter channel, also does not allow maintaining the noise immunity of the reception.

Поставленная задача решается за счет того, что согласно предлагаемому способу, заключающемуся в том, что для каналов с памятью и быстрыми замираниями:The problem is solved due to the fact that according to the proposed method, which consists in the fact that for channels with memory and fast fading:

- в передающем устройстве пилот-сигнал вставляется в каждый OFDM символ, при этом сформированная посредством параллельно-последовательного преобразования последовательность отсчетов огибающей пилот-сигнала, длина которой выбирается таким образом, чтобы интервал временного рассеяния при заданной скорости передачи позволял измерить все отсчеты импульсной характеристики, подвергается операции ОБПФ отдельно от отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа, которые, в свою очередь, также подвергаются операции ОБПФ, после чего обе последовательности отсчетов мультиплексируется в единый поток последовательности отсчетов OFDM символа и далее поступают на блок параллельно-последовательного преобразования и отправляются в канал;- in the transmitter, the pilot signal is inserted into each OFDM symbol, while the sequence of samples of the pilot signal envelope generated by parallel-to-serial conversion, the length of which is chosen so that the time scattering interval at a given transmission rate makes it possible to measure all samples of the impulse response, is subjected to IFFT operations separate from the samples of the OFDM symbol information sequence envelope, which, in turn, are also subjected to the IFFT operation, after which both sample sequences are multiplexed into a single stream of the OFDM symbol sample sequence and then fed to the parallel-to-serial conversion unit and sent to the channel;

- на приемной стороне по последовательности отсчетов огибающей пилот-сигнала с известным информационным содержанием осуществляется измерение отсчетов импульсной характеристики, после чего в последовательности отсчетов огибающей информационного символа осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции, производится оценивание отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа, которые подвергаются операции БПФ.- on the receiving side, according to the sequence of samples of the envelope of the pilot signal with known information content, the samples of the impulse response are measured, after which, in the sequence of samples of the envelope of the information symbol, the intersymbol interference signals are compensated, the samples of the envelope of the information sequence of the OFDM symbol are estimated, which are subjected to the FFT operation.

Способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями реализуется устройством, поясненным чертежами, где на фигурах 1 и 2 изображено:A method for improving the noise immunity of receiving OFDM signals in channels with memory and fast fading is implemented by a device illustrated by drawings, where figures 1 and 2 show:

- передатчик: кодеры (для информационного сигнала 1(a) и для пилот-сигнала 1(б)), блок отображения сигнала 2(a), блок отображения пилот-сигнала 2(б), блоки ОБПФ (обратного быстрого преобразования Фурье) для информационного сигнала (рабочий пакет) 3(a) и для пилот-сигнала 3(б), мультиплексор 4, Пр/Пс (параллельно-последовательный) преобразователь 5, блок добавления защитного интервала 6, Ц/А (цифро-аналоговый) преобразователь 7, РЧ (радиочастотный) процессор;- transmitter: encoders (for information signal 1(a) and for pilot signal 1(b)), signal mapper 2(a), pilot signal mapper 2(b), IFFT (inverse fast Fourier transform) blocks for information signal (working packet) 3(a) and for the pilot signal 3(b), multiplexer 4, S/S (parallel-to-serial) converter 5, guard interval addition unit 6, D/A (digital-to-analog) converter 7 , RF (radio frequency) processor;

- приемник: РЧ процессор 1, А/Ц (аналогово-цифровой) преобразователь 2, блок измерения 3, компенсатор межсимвольной интерференции 4, блок удаления защитного интервала 5, Пс/Пр (последовательно-параллельный) преобразователь 6, блок БПФ (быстрого преобразования Фурье) 7, блок выделения пилотного символа 8, блок оценки канала 9, эквалайзер 10, Пр/Пс (параллельно-последовательный) преобразователь 11, блок обратного отображения символа 12, декодер 13, приемник данных 14.- receiver: RF processor 1, A/D (analogue-to-digital) converter 2, measurement unit 3, intersymbol interference canceller 4, guard interval removal unit 5, S/R (serial-to-parallel) converter 6, FFT (fast Fourier transform) unit ) 7, pilot symbol extractor 8, channel estimator 9, equalizer 10, PR/PS (parallel-to-serial) converter 11, symbol demapper 12, decoder 13, data receiver 14.

Способ повышения помехоустойчивости приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями реализуется следующим образом:A method for improving the noise immunity of receiving OFDM signals in channels with memory and fast fading is implemented as follows:

- в передатчике: передаваемые информационные данные и пилот-сигнал формируются параллельно друг другу, для начала они кодируются 1 (а, б), затем поступают на блок отображения сигнала 2(a) и блок отображения пилот-сигнала 2(б), после этого операция ОБПФ совершается отдельно как для информационных данных 3(a), так и для пилот-сигнала 3(б), только после этого полученные сигналы мультиплексируются 4 и из параллельного состояния преобразуются в последовательное 5, таким образом структурная схема OFDM системы становится адаптированной к быстрым замираниям, позволяя передавать пилот-сигналы более короткой длительности в каждом OFDM символе, далее добавляется защитный интервал 6 для борьбы с межсимвольной интерференцией и преобразуется из цифрового сигнала в аналоговый 7, затем поступая в РЧ процессор 8, сигнал переносится в высокочастотную область и передается с помощью антенны;- in the transmitter: the transmitted information data and the pilot signal are formed in parallel to each other, first they are encoded 1 (a, b), then they are sent to the signal display unit 2(a) and the pilot signal display unit 2(b), after that the IFFT operation is performed separately for both information data 3(a) and pilot signal 3(b), only after that the received signals are multiplexed 4 and converted from parallel to serial 5, thus the block diagram of the OFDM system becomes adapted to fast fading, allowing the transmission of pilot signals of a shorter duration in each OFDM symbol, then a guard interval 6 is added to combat inter-symbol interference and converted from a digital signal to an analog 7, then entering the RF processor 8, the signal is transferred to the high frequency region and transmitted using antennas;

- в приемнике: сигналы из передающего устройства после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом поступают на антенну приемного устройства, вводятся в РЧ процессор 1, где принимаемый сигнал переносится на промежуточную частоту, далее поступает на аналого-цифровой преобразователь 2, в котором аналоговые сигналы преобразуются в цифровые отсчеты огибающей OFDM символа и поступают на блок измерения 3 импульсной характеристики канала, и на блок выделения пилотного-сигнала 8, после измерения импульсной характеристики канала по пилот-сигналам (информационное содержимое которых, известно на приеме) происходит удаление пилот-сигналов из каждого OFDM символа, затем информационный сигнал поступает на компенсатор межсимвольной интерференции, где по измеренной импульсной характеристике канала осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции из последовательности отсчетов огибающей, очищенные сигналы поступают на блок удаления защитного интервала 5, затем поступают на блок 6 для последовательно-параллельного преобразования сигнала, затем в блоке 7 БПФ (быстрого преобразования Фурье) формируется совокупность модулирующих символов, которые корректируются по фазе и амплитуде в блоке эквалайзера 10 с помощью выделенного пилотного сигнала в блоке 8 и определенного в блоке оценки канала 9, коэффициента передачи канала на каждой поднесущей скорректированные сигналы подвергаются параллельно-последовательному преобразованию в блоке 11, затем поступают на блок обратного отображения символа 12, на декодер 13 и обработанные сигналы поступают на приемник данных 14.- in the receiver: the signals from the transmitter, after passing through the multipath channel with additive noise, arrive at the antenna of the receiver, are introduced into the RF processor 1, where the received signal is transferred to an intermediate frequency, then goes to the analog-to-digital converter 2, in which the analog signals are converted into digital samples of the OFDM symbol envelope and are fed to the channel impulse response measurement unit 3, and to the pilot signal extraction unit 8, after measuring the channel impulse response from the pilot signals (the information content of which is known at the reception), the pilot signals are removed from each OFDM symbol, then the information signal is fed to the inter-symbol interference canceller, where, according to the measured impulse response of the channel, the inter-symbol interference signals are compensated from the sequence of envelope samples, the cleaned signals are fed to the guard interval removal unit 5, then blunt to block 6 for serial-to-parallel signal conversion, then in block 7 of the FFT (fast Fourier transform) a set of modulating symbols is formed, which are corrected in phase and amplitude in equalizer block 10 using the selected pilot signal in block 8 and determined in the channel estimation block 9, the channel gain on each subcarrier, the corrected signals are subjected to a parallel-to-serial conversion in block 11, then they are sent to the symbol demapper 12, to the decoder 13, and the processed signals are sent to the data receiver 14.

Способ реализуется следующим образом. Обозначим импульсную характеристику канала связи с памятью через h(t), длительность которойThe method is implemented as follows. Let us denote the impulse response of the communication channel with the memory as h(t), the duration of which is

определяется как М⋅Δt, гдеis defined as М⋅Δt, where

Т - длительность OFDM символа,T is the duration of the OFDM symbol,

N - число поднесущих OFDM символа,N is the number of subcarriers of an OFDM symbol,

М - количество отсчетов огибающей OFDM символа, пораженных межсимвольной интерференцией.M is the number of OFDM symbol envelope samples affected by intersymbol interference.

На передаче комплексная огибающая OFDM символа имеет вид [4]:On transmission, the complex envelope of an OFDM symbol has the form [4]:

где

- комплексная огибающая модулирующего символа,where

is the complex envelope of the modulating symbol,

t_k - момент начала OFDM символа.t _k is the start time of the OFDM symbol.

Полагая для простоты t_k=0, отсчеты комплексной огибающей

взятые через интервал Δt, представим какAssuming for simplicity t _k =0, the counts of the complex envelope

taken through the interval Δt, we represent as

Если рассеяние энергии передаваемых отсчетов во времени отсутствует, то в месте приема по накопленной совокупности отсчетов

с помощью ДПФ (реализуемого через БПФ) при высоких отношениях сигнал/шум решения о передаваемых символах

выносится практически безошибочно.If there is no scattering of the energy of the transmitted readings in time, then at the place of reception according to the accumulated set of readings

using DFT (implemented via FFT) at high signal-to-noise ratios decisions about transmitted symbols

rendered almost unmistakably.

При небольшом временном рассеянии, называемым также памятью канала или явлением межсимвольной интерференции, для сохранения ортогональности поднесущих OFDM символа его длительность увеличивается на время рассеяния, формированием защитных интервалов до и после OFDM символа.In case of small time spread, also called channel memory or inter-symbol interference phenomenon, in order to maintain the orthogonality of the subcarriers of an OFDM symbol, its duration is increased by the spread time by forming guard intervals before and after the OFDM symbol.

Если фактическое время рассеяния в канале превосходит предполагаемое, то приемник OFDM символов становится неработоспособным даже при высоких отношениях сигнал/шум, т.к. нарушается ортогональность поднесущих в структуре OFDM сигнала и операция ДПФ не может осуществить демодуляцию, т.е. выделить из

символы

.If the actual channel dissipation time exceeds the expected one, then the OFDM symbol receiver becomes inoperable even at high signal-to-noise ratios, since the orthogonality of the subcarriers in the OFDM signal structure is violated and the DFT operation cannot demodulate, i.e. pick out from

symbols

.

При любых способах формирования сигнала на передаче и алгоритмах обработки в месте приема влияние канала связи (в предположении его линейности) остается неизменным - при наличии явно выраженного временного рассеяния τ_p ≈ M⋅Δt (М - количество отсчетов импульсной характеристики узкополосного канала, Δt - интервал времени между отсчетами комплексной огибающей OFDM-символа) на любой передаваемый отсчет

, l = 0,1, … N - 1 на приеме будет оказывать интерференционное воздействие каждый из (М -1) предшествующих отсчетов.With any methods of signal formation at the transmission and processing algorithms at the receiving point, the influence of the communication channel (assuming its linearity) remains unchanged - in the presence of a pronounced time scattering τ _p ≈ M⋅Δt time between samples of the complex envelope of the OFDM symbol) to any transmitted sample

, l = 0.1, ... N - 1 at the reception will have an interference effect of each of the (M -1) previous readings.

Если импульсная характеристика канала с постоянными параметрами определяется отсчетами h₀, h₁, … h_M-1, то на приемной стороне сигнал, соответствующий OFDM-символу и наблюдаемый на интервале анализа T _a = (N+М - 1)Δt, запишется в видеIf the impulse response of a channel with constant parameters is determined by readings h ₀ , h ₁ , … h _M-1 , then on the receiving side the signal corresponding to the OFDM symbol and observed in the analysis interval T _a = (N+M - 1)Δt, will be written in form

где

- вектор отсчетов огибающей OFDM-символа,where

- vector of OFDM symbol envelope samples,

w(t) - реализация аддитивной помехи, [⋅]^T - символ транспонирования.w(t) - implementation of additive noise, [⋅] ^T - transposition symbol.

В данном способе предлагается использовать в качестве алгоритма обработки сигналов на приеме алгоритм ПЦППР - прием «в целом» на интервале рассеяния (памяти) с поэлементным принятием решения. Этот алгоритм неоднократно обсуждался в публикациях, например, в работах [2,3,4,5,6] и в более ранних работах, где было показано, что алгоритм ПЦППР обладает помехоустойчивостью, практически совпадающей с помехоустойчивостью «алгоритма Витерби» (АВ) и имеет минимально возможную для алгоритмов, работающих в каналах с памятью, задержку в принятии решения. Последнее свойство алгоритма обусловлено использованием «обратной связью по решению» (ОСР), использование которой определяет принципиальное отличие ПЦППР от АВ.In this method, it is proposed to use the PCRPR algorithm as a signal processing algorithm at the reception - reception "as a whole" on the scattering interval (memory) with element-by-element decision making. This algorithm has been repeatedly discussed in publications, for example, in [2,3,4,5,6] and in earlier works, where it was shown that the PCRPD algorithm has noise immunity, which practically coincides with the noise immunity of the “Viterbi algorithm” (AV) and has the minimum possible delay in decision making for algorithms operating in memory channels. The last property of the algorithm is due to the use of "decision feedback" (OSR), the use of which determines the fundamental difference between PCRPD and AV.

Согласно алгоритму ПЦППР для канала с постоянными параметрами и аддитивным белым гауссовским шумом w(t) совместно оптимальные, согласно критерию минимума среднеквадратической ошибки, оценки составляющих вектора U могут быть найдены по правилуAccording to the PRPPR algorithm for a channel with constant parameters and additive white Gaussian noise w(t), jointly optimal, according to the minimum mean square error criterion, estimates of the components of the vector U can be found by the rule

Полученные из (5) оценки отсчетов огибающей OFDM-символа используются далее [1] для решения задачи демодуляции посредством реализации дискретного преобразования Фурье. Очевидно, минимизация в (5) невозможна с использованием переборных алгоритмов. С учетом того, что нахождение из выражения (5) оценок составляющих вектора U, например, по критерию минимума среднеквадратической ошибки, эквивалентно решению обратной задачи по оценке вектора U из матричного уравнения (аналог уравнения (4))The estimates of the OFDM symbol envelope counts obtained from (5) are used below [1] to solve the demodulation problem by implementing the discrete Fourier transform. Obviously, minimization in (5) is not possible using enumeration algorithms. Taking into account the fact that finding from expression (5) the estimates of the components of the vector U, for example, by the criterion of minimum mean square error, is equivalent to solving the inverse problem of estimating the vector U from the matrix equation (analogous to equation (4))

где:

- вектор отсчетов шума, Н - диагонально-блочная матрица, составленная из отсчетов импульсной характеристики.where:

is the vector of noise samples, H is a diagonal-block matrix composed of impulse response samples.

Если элементы матрицы Н известны (что всегда реализуется на основе использования тестовых последовательностей в структуре канального сигнала), то оценки компонент вектора U с вероятностью 1 определяют главное квазирешение уравнения (6) [7]. Данное квазирешение минимизирует невязку

и норму

, а элементы вектора U ищутся из условия минимизации функционала

с параметром регуляризации α. Как показано в [2], оценки составляющих вектора и могут быть получены из решения системы линейных алгебраических уравнений для каждой квадратурной составляющей сигнала

. Обратная связь «по решению» при формировании оценок, а не решений, теперь может быть названа обратной связью «по оценке».If the elements of the matrix H are known (which is always implemented based on the use of test sequences in the structure of the channel signal), then the estimates of the components of the vector U with probability 1 determine the main quasi-solution of equation (6) [7]. This quasi-solution minimizes the discrepancy

and norm

, and the elements of the vector U are sought from the condition of minimizing the functional

with the regularization parameter α. As shown in [2], estimates of the components of the vector and can be obtained from the solution of a system of linear algebraic equations for each quadrature component of the signal

. "Decision" feedback in generating scores rather than decisions can now be called "score" feedback.

Например, для косинусной составляющей система уравнений будет иметь видFor example, for the cosine component, the system of equations will look like

гдеwhere

α - параметр регуляризации.α is the regularization parameter.

Очевидно,

.Obviously,

.

Как показано в [2], оценки, формируемые из решения системы уравнений (7) могут иметь малое значение среднеквадратической ошибки оценивания, которое определяется дисперсией отсчетов аддитивной помехи и смещением, неизбежно сопровождающим данную процедуру оценивания и зависящим от выбора параметра регуляризации α. Всегда возможен выбор такого α, при котором смещение будет пренебрежимо мало, а среднеквадратическая ошибка оценивания достаточно мала для обеспечения малой вероятности ошибки при формировании решений

.As shown in [2], the estimates formed from the solution of the system of equations (7) can have a small value of the root-mean-square estimation error, which is determined by the variance of the additive noise samples and the bias that inevitably accompanies this estimation procedure and depends on the choice of the regularization parameter α. It is always possible to choose such α for which the bias will be negligibly small, and the root-mean-square estimation error is small enough to ensure a low probability of error in the formation of solutions

.

Если теперь для формирования решений

в приемнике использовать оценки

из (7), то влияние межсимвольной интерференции, превосходящей исправляющую способность защитного интервала в структуре OFDM символа, будет устранено. Здесь

.If now for the formation of decisions

in receiver use estimates

from (7), then the effect of inter-symbol interference exceeding the corrective capacity of the guard interval in the OFDM symbol structure will be eliminated. Here

.

Согласно алгоритму ПЦППР после получения оценки первого отсчета огибающей путем минимизации в (5) интервал анализа T _a сдвигается по оси времени на величину Δt. На новом интервале анализа сначала составляющие вектора z очищаются от последействия, порожденного отсчетом, который был оценен на предыдущем интервале анализа (с использованием обратной связи «по оценке»), и далее повторяется последовательность действий предыдущего интервале анализа, что дает формирование оценки следующего отсчета огибающей. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут оценены все отсчеты огибающей OFDM-символа. После получения оценок всех отсчетов огибающей операцией дискретного преобразования Фурье формируется решение относительно модулирующих символов.According to the PCRPD algorithm, after obtaining an estimate of the first sample of the envelope by minimizing in (5), the analysis interval T _a is shifted along the time axis by Δt. At the new analysis interval, first, the components of the vector z are cleared of the aftereffect generated by the sample that was estimated at the previous analysis interval (using feedback “by estimate”), and then the sequence of actions of the previous analysis interval is repeated, which gives the formation of an estimate of the next sample of the envelope. This process is repeated until all OFDM symbol envelope samples have been evaluated. After obtaining estimates of all samples by the envelope operation of the discrete Fourier transform, a solution is formed with respect to the modulating symbols.

Из изложенного становится очевидным, что использование алгоритма ПЦППР для решения задачи демодуляции в канале с рассеянием не требует формирования на передаче отсчетов префикса и постфикса в структуре OFDM-символа. Отказавшись от таких «вставок» в OFDM-символ на передаче можно повысить спектральную эффективность системы сигналов в

раз по отношению к системе, использующей для борьбы с памятью канала префиксы и постфиксы.From the foregoing, it becomes obvious that the use of the PRPPR algorithm to solve the problem of demodulation in a scatter channel does not require the formation of a prefix and a postfix in the structure of the OFDM symbol during the transmission of samples. By refusing such “inserts” into the OFDM symbol during transmission, it is possible to increase the spectral efficiency of the signal system in

times in relation to a system that uses prefixes and postfixes to deal with channel memory.

Важной проблемой, решение которой необходимо для использования алгоритма ПЦППР, является оценка импульсной характеристики канала в месте приема. Как показано в [6], при использовании пилот-сигналов, периодически повторяющихся между передаваемыми OFDM-символами, информационное содержание которых известно, решение задачи сводится к оценке отсчетов импульсной реакции из соотношения (4), в котором неизвестными теперь являются элементы матрицы Н, а содержание вектора U известно на приеме. Совершенно очевидно, что решение данной задачи может быть осуществлено минимизацией выше приведенного регуляризующего функционала

через решение системы линейных алгебраических уравнений, в которой коэффициенты уравнения определяются через известные в данном случае значения отсчетов огибающей OFDM-символа.An important problem, the solution of which is necessary for the use of the PCR algorithm, is the estimation of the impulse response of the channel at the receiving point. As shown in [6], when using pilot signals that periodically repeat between transmitted OFDM symbols, the information content of which is known, the solution of the problem is reduced to estimating the impulse response samples from relation (4), in which the elements of the matrix H are now unknown, and the content of the vector U is known at the reception. It is quite obvious that this problem can be solved by minimizing the above regularizing functional

through the solution of a system of linear algebraic equations, in which the coefficients of the equation are determined through the values of the samples of the envelope of the OFDM symbol known in this case.

В случае, когда в канале с многолучевостью лучи распространения сигналов подвергаются замираниям квадратурная модуляция в составе OFDM не может обеспечить требуемых показателей помехоустойчивости (вероятности ошибки на бит). Возможной альтернативой QAM в данной ситуации может служить модуляция QPSK или BPSK. Кроме того, традиционно используемая структура группового сигнала, при которой в поток информационных символов OFDM периодически вставляются пилот-символы, предназначенные для оценивания характеристик используемого канала в месте приема, не позволяет для каждого OFDM-символа получать оценки параметров канала с необходимой точностью.In the case when, in a multipath channel, the propagation paths of signals are subject to fading, quadrature modulation as part of OFDM cannot provide the required noise immunity indicators (probability of errors per bit). A possible alternative to QAM in this situation is QPSK or BPSK modulation. In addition, the traditional baseband structure, in which pilot symbols are periodically inserted into the OFDM information symbol stream to estimate the characteristics of the channel in use at the receiving location, does not allow obtaining channel parameter estimates with the required accuracy for each OFDM symbol.

Поэтому для канала с памятью и быстрыми замираниями предлагается структура группового сигнала, не содержащая специальных «измерительных» пилот-символов. Для получения оценок параметров канала в месте приема каждый OFDM-символ должен содержать пилот-сигнал (ПС), информационное содержание которого априори известно, и условно называемый «рабочий пакет» (РП) с символами, которые несут сообщение для получателя. Теперь поток OFDM-символов будет выглядеть так, как показано на фиг. 3Therefore, for a channel with memory and fast fading, a group signal structure is proposed that does not contain special "measuring" pilot symbols. To obtain channel parameter estimates at the receiving location, each OFDM symbol must contain a pilot signal (PS), the information content of which is a priori known, and a conditionally called "work packet" (RP) with symbols that carry a message for the recipient. The OFDM symbol stream will now look like the one shown in FIG. 3

На фиг. 3 обозначено: L_ПС - размер пилот-сигнала, L_РП - размер рабочего пакета. Размер L_ПС должен быть таким, чтобы интервал временного рассеяния τ_p при заданной скорости передачи позволял оценить все отсчеты импульсной характеристики. Размер рабочего пакета L_РП выбирается из соображения, чтобы к концу интервала времени его обработки оценки отсчетов импульсной характеристики не устарели настолько, что вероятность ошибки на бит будет стремиться к 0,5. Для предлагаемой структуры OFDM-символов модель системы показана на фиг. 1., где АБГШ - аддитивный белый гауссовский шум.In FIG. 3 denoted: L _TS - pilot signal size, L _RP - working packet size. The size L _{of the PS} should be such that the time scattering interval τ _p at a given transmission rate allows one to estimate all samples of the impulse response. The size of the working packet L _RP is chosen from the consideration that by the end of the processing time interval, the estimates of the impulse response samples are not so outdated that the bit error probability will tend to 0.5. For the proposed OFDM symbol structure, the system model is shown in FIG. 1., where AWGN is additive white Gaussian noise.

Из схемы фиг. 1 следует, что операция ОБПФ (обратное быстрое преобразование Фурье) производится отдельно для модулированных символов ИК и модулированных символов данных (Для примера, можно использовать QPSK модуляцию или BPSK). Затем полученные комплексные отсчеты сигнала поступают в блок параллельно-последовательного преобразования и отправляются в канал. Аналогичный подход к формированию структуры сигнала для канала с быстрыми замираниями рассматривался в работе [8], где, однако, для борьбы с рассеянием в канале использовались традиционные методы, основанные на использовании префиксов, постфиксов и других «вставок», снижающих спектральную эффективность системы.From the diagram of Fig. 1 that the IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) operation is performed separately for modulated IR symbols and modulated data symbols (For example, QPSK modulation or BPSK can be used). Then the obtained complex signal samples are fed into the parallel-to-serial conversion unit and sent to the channel. A similar approach to the formation of the signal structure for a channel with fast fading was considered in [8], where, however, traditional methods based on the use of prefixes, postfixes, and other “inserts” that reduce the spectral efficiency of the system were used to combat scattering in the channel.

Структурная схема моделирования работы передающего и приемного устройств (фиг. 1 и фиг. 2) согласно предлагаемому способу представлена на фиг. 4.The block diagram of modeling the operation of the transmitting and receiving devices (Fig. 1 and Fig. 2) according to the proposed method is shown in Fig. four.

Результаты моделирования в пакете Matlab работы системы, согласно структурной схеме фиг. 4, приведены на графиках фиг. 5. Структура сигнала на передаче: L_ПС=16, L_РП=256. Оценивание отсчетов огибающей каждого OFDM-символа на приеме перед совершением операции БПФ осуществлялось алгоритмом ПЦППР. Алгоритмы оценивания отсчетов импульсной характеристики указаны на фиг. 5, где МП - это алгоритм максимального правдоподобия, а обозначение «детерминированная ИХ» соответствует случаю, когда импульсная характеристика канала известна точно в месте приема.The results of simulation in the Matlab package of the system operation, according to the block diagram of Fig. 4 are shown in the graphs of FIG. 5. The structure of the signal on the transmission: L _PS =16, L _RP =256. The evaluation of the samples of the envelope of each OFDM symbol at the reception before performing the FFT operation was carried out by the PCR algorithm. The algorithms for estimating impulse response readings are shown in Fig. 5, where MT is the maximum likelihood algorithm, and the designation "deterministic IR" corresponds to the case when the channel impulse response is known exactly at the receiving location.

В эксперименте предполагалось, что канал характеризуется шестью отсчетами импульсной характеристики (независимыми лучами), замирающими по рэлеевскому закону с параметром формы σ=1 при стартовой реализации импульсной характеристики: h₀=1,3; h₁=-0,5; h₂=0,4; h₃=-0,25; h₄=0,15; h₅=0,05.It was assumed in the experiment that the channel is characterized by six counts of the impulse response (independent beams), fading according to the Rayleigh law with the shape parameter σ=1 at the initial implementation of the impulse response: h ₀ =1.3; h ₁ \u003d -0.5; h ₂ =0.4; h ₃ = -0.25; h ₄ =0.15; h ₅ \u003d 0.05.

Анализ кривых, представленных на фиг. 5, показывает, что потенциальные возможности алгоритма ПЦППР (при известной импульсной характеристике) в сочетании с модуляцией QPSK и предлагаемой структурой группового сигнала и OFDM-символа реализуют неплохие показатели помехоустойчивости при сохранении высокой спектральной эффективности всей системы. В работе [3], например, приведены данные по помехоустойчивости алгоритма ПЦППР в шестилучевом канале с постоянными параметрами с использованием QAM: при ОСШ (отношении сигнал/шум) 15дБ вероятность битовой ошибки составляет 2⋅10^-2. В описанном эксперименте при ОСШ 15дБ вероятность ошибки - 3⋅10^-4. Выигрыш по вероятности ошибки составляет два порядка.Analysis of the curves presented in Fig. 5 shows that the potential of the PCR algorithm (with a known impulse response) in combination with QPSK modulation and the proposed group signal and OFDM symbol structure provides good noise immunity while maintaining high spectral efficiency of the entire system. In [3], for example, data are given on the noise immunity of the PCR algorithm in a six-beam channel with constant parameters using QAM: with an SNR (signal-to-noise ratio) of 15 dB, the probability of a bit error is 2⋅10 ^-2 . In the described experiment at SNR 15dB the error probability is 3⋅10 ^-4 . The gain in error probability is two orders of magnitude.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С.Системы цифровой радиосвязи/ Л.Н. Волков, М.С. Немировский, Ю.С. Шинаков. М.: Эко-Трендз, 2005, 392 с.1. Volkov L.N., Nemirovskiy M.S., Shinakov Yu.S. Digital radio communication systems / L.N. Volkov, M.S. Nemirovsky, Yu.S. Shinakov. M.: Eco-Trends, 2005, 392 p.

2. Карташевский В.Г. Обработка пространственно-временных сигналов в каналах с памятью / В.Г. Карташевский. М.: Радио и связь, 2000, 272 с.2. Kartashevsky V.G. Processing of space-time signals in channels with memory / V.G. Kartashevsky. M.: Radio and communication, 2000, 272 p.

3. Карташевский В.Г., Вельский К.А., Слипенчук К.С. Прием сигналов OFDM в каналах с рассеянием // Радиотехника. 2015. №2. С. 62-68.3. Kartashevsky V.G., Velsky K.A., Slipenchuk K.S. Reception of OFDM signals in scatter channels. Radiotekhnika. 2015. №2. pp. 62-68.

4. Карташевский В.Г., Коняева О.С, Семенов Е.С. Прием «в целом» для системы MIMO в канале с памятью // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. №11. С. 49-53.4. Kartashevsky V.G., Konyaeva O.S., Semenov E.S. Reception "as a whole" for a MIMO system in a channel with memory // Advances in modern radio electronics. 2015. No. 11. pp. 49-53.

5. Карташевский В.Г., Вельский К.А., Филимонов А.А. Прием сигналов OFDM в системе MIMO в каналах с памятью // Радиотехника. 2016. №2. С. 91-95.5. Kartashevsky V.G., Velsky K.A., Filimonov A.A. Reception of OFDM signals in the MIMO system in channels with memory // Radio engineering. 2016. №2. pp. 91-95.

6. Карташевский В.Г., Семенов Е.С, Филимонов А.А. Прием сигналов OFDM в каналах с рассеянием при оценивании параметров канала // Радиотехника. 2016. №12. С. 48-55.6. Kartashevsky V.G., Semenov E.S., Filimonov A.A. Reception of OFDM signals in channels with scattering when estimating channel parameters. Radiotekhnika. 2016. No. 12. pp. 48-55.

7. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин. М.: Наука, 1979, 288 с.7. Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Methods for solving ill-posed problems / A.N. Tikhonov, V.Ya. Arsenin. M.: Nauka, 1979, 288 p.

8. Vasudevan, K. Coherent detection of turbo coded OFDM signals transmitted through frequency selective rayleigh fading channels. In Proceedings of the IEEE ISPCC. Shimla, India, Sept. 2013.8. Vasudevan, K. Coherent detection of turbo coded OFDM signals transmitted through frequency selective rayleigh fading channels. In Proceedings of the IEEE ISPCC. Shimla, India, Sept. 2013.

Claims (3)

Способ передачи и приема OFDM сигналов в каналах с памятью и быстрыми замираниями, заключающийся в том, что в передающем устройстве формируют параллельно друг другу передаваемые информационные данные и пилот-сигнал, затем каждый из них передают на свой блок отображения и мультиплексируют, и из параллельного состояния преобразуют в последовательное, добавляют защитный интервал и преобразуют из цифрового сигнала в аналоговый для переноса в высокочастотную область и передачи с передающего устройства, после прохождения канала многолучевого распространения с аддитивным шумом сигнал поступает на вход приемного устройства, из аналогового входного сигнала выделяют последовательность отсчетов огибающей OFDM символов, позволяющей по пилот-сигналам с известным информационным содержанием произвести измерение отсчетов импульсной характеристики канала связи и далее по измеренным отсчетам импульсной характеристики осуществить компенсацию сигналов межсимвольной интерференции из последовательности отсчетов огибающей, отличающийся тем, что для каналов с памятью и быстрыми замираниями:A method for transmitting and receiving OFDM signals in channels with memory and fast fading, which consists in the fact that in the transmitting device the transmitted information data and the pilot signal are formed in parallel to each other, then each of them is transmitted to its own display unit and multiplexed, and from the parallel state converted to serial, add a guard interval and convert from a digital signal to analog for transfer to the high-frequency region and transmission from the transmitter, after passing through the multipath channel with additive noise, the signal enters the input of the receiver, a sequence of samples of the OFDM symbol envelope is extracted from the analog input signal , which allows, using pilot signals with known information content, to measure the samples of the impulse response of the communication channel and then, using the measured samples of the impulse response, to compensate for intersymbol interference signals from the sequence of samples envelope, characterized in that for channels with memory and fast fading: - в передающем устройстве пилот-сигнал вставляют в каждый OFDM символ, при этом длину сформированной посредством параллельно-последовательного преобразования последовательности отсчетов огибающей пилот-сигнала выбирают таким образом, чтобы интервал временного рассеяния при заданной скорости передачи позволял измерить все отсчеты импульсной характеристики, передаваемые информационные данные и пилот-сигнал подвергают операции ОБПФ отдельно от отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа, которые, в свою очередь, также подвергают операции ОБПФ, после чего обе последовательности отсчетов мультиплексируют в единый поток последовательности отсчетов OFDM символа, который поступает на блок параллельно-последовательного преобразования, и отправляют в канал;- in the transmitter, the pilot signal is inserted into each OFDM symbol, while the length of the sequence of samples of the envelope of the pilot signal generated by parallel-to-serial conversion is chosen so that the time scattering interval at a given transmission rate makes it possible to measure all samples of the impulse response, transmitted information data and the pilot signal is subjected to IFFT operation separately from the samples of the envelope information sequence of the OFDM symbol, which, in turn, are also subjected to the IFFT operation, after which both sequences of samples are multiplexed into a single stream of the OFDM symbol sample sequence, which is fed to the parallel-to-serial transform block , and sent to the channel; - на приемной стороне по последовательности отсчетов огибающей пилот-сигнала с известным информационным содержанием осуществляют измерение отсчетов импульсной характеристики, после чего в последовательности отсчетов огибающей информационного символа осуществляют компенсацию сигналов межсимвольной интерференции, производят оценивание отсчетов огибающей информационной последовательности OFDM-символа и подвергают операции БПФ.- on the receiving side, according to the sequence of samples of the envelope of the pilot signal with known information content, the samples of the impulse response are measured, after which, in the sequence of samples of the envelope of the information symbol, the intersymbol interference signals are compensated, the samples of the envelope of the information sequence of the OFDM symbol are estimated and subjected to the FFT operation.

Images