72280

ЗАЩИТА ОТ ОШИБОК И ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ПОТЕРЬ ПАКЕТОВ В НИЗКОСКОРОСТНЫХ РЕЧЕВЫХ КОДЕКАХ. ТЕХНОЛОГИЯ MIMO В СИСТЕМАХ LTE

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Типовой вокодер состоит из кодера (анализатора) и декодера (синтезатора) речевого сигнала. В реальной системе ЦРС декодер разделен с кодером цифровым каналом связи, в котором могут возникать ошибки. Обработка речи ведется, как правило, по кадрам фиксированной длительности с формированием...

Русский

2014-11-20

3.51 MB

21 чел.

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ТКС

РЕФЕРАТ

На тему:

«ЗАЩИТА ОТ ОШИБОК И ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ПОТЕРЬ ПАКЕТОВ В НИЗКОСКОРОСТНЫХ РЕЧЕВЫХ КОДЕКАХ.

ТЕХНОЛОГИЯ MIMO В СИСТЕМАХ LTE»

Выпонила:                                                                                                   Проверила:

Ст.гр. ТК-07-4                                                                                             Сабурова С.А.

Садылко Е.

Харьков 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЗАЩИТА ОТ ОШИБОК И ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ПОТЕРЬ ПАКЕТОВ В НИЗКОСКОРОСТНЫХ РЕЧЕВЫХ КОДЕКАХ

Введение

1.1 Ошибки, возникающие в цифровых каналах связи

1.2 Основные методы борьбы с ошибками в цифровых каналах связи в приложении к вокодерам

1.3 Помехоустойчивые вокодеры

Заключение

Литература

2. ТЕХНОЛОГИЯ MIMO В СИСТЕМАХ LTE

Введение

2.1 Математическая модель MIMO

2.2 Оптимальная схема MIMO с ОС

2.3 Схемы SU-MIMO

2.4 Разнесенная передача

2.5 Схема MU-MIMO

2.6Адаптивное формирование диаграммы направленности

Заключение

Литература

ЗАЩИТА ОТ ОШИБОК И ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ПОТЕРЬ ПАКЕТОВ В НИЗКОСКОРОСТНЫХ РЕЧЕВЫХ КОДЕКАХ

Ключевые слова: низкоскоростное кодирование речи, вокодеры, помехоустойчивое кодирование, интерполяция потерь пакетов.

Введение. Низкоскоростные (0,6—16 кбит/с) речевые кодеки (вокодеры) широко используются в системах цифровой речевой связи (ЦРС), организуемой по радиоканалам в диапазонах KB и УКВ или в сетях передачи данных (ПД), в том числе с коммутацией пакетов, например в системах VoIP (Voice over IP).

Типовой вокодер состоит из кодера (анализатора) и декодера (синтезатора) речевого сигнала. В реальной системе ЦРС декодер разделен с кодером цифровым каналом связи, в котором могут возникать ошибки. Обработка речи ведется, как правило, по кадрам фиксированной длительности с формированием на выходе кодера речевых пакетов, состоящих из фиксированного или переменного числа бит.

Основными техническими характеристиками вокодеров являются: скорость цифрового потока на выходе анализатора, разборчивость и качество речи на выходе синтезатора, алгоритмическая задержка обработки сигнала, полоса передаваемых звуковых частот, чувствительность к акустическим шумам на входе вокодера, чувствительность к битовым ошибкам в цифровом канале связи, вычислительная сложность алгоритмов и их реализации для работы в реальном масштабе времени.

Основными параметрами качества передачи речи принято считать: разборчивость и качество речи, узнаваемость голоса диктора, отсутствие специфических искажений и артефактов звучания. Методы оценки этих параметров можно разделить на объективные (измеряемые инструментально) и субъективные (построенные на основе мнений людей-экспертов). Граница разделения достаточна условна, так как во многих измерениях, например артикуляционных испытаниях, принимают участие специально обученные люди, а в оценках субъективного качества речи широко используются компьютерные модели [1]. За эталон цифрового качества звучания узкополосной (0,3—3,4 кГц) речи обычно принимается качество цифровой телефонии по рекомендации ITU-T G.711 со скоростью 64 кбит/с (8 кГц, 8 бит на отсчет, логарифмическое компандирование).

Основными причинами снижения показателей качества речевых сигналов на выходе реальных систем ЦРС по сравнению с исходными сигналами на входе являются: ограниченная пропускная способность цифровых каналов связи, приводящая к использованию низкоскоростного кодирования речи с существенными потерями информации; акустический шум на стороне передачи, снижающий точность оценки параметров исходного речевого сигнала; акустический шум на стороне приема, затрудняющий восприятие синтезированного речевого сигнала человеком; битовые ошибки и потери пакетов в цифровых каналах связи, искажающие передаваемую информацию.

Таким образом, при разработке вокодеров с заданными характеристиками необходимо решить следующие основные задачи: рациональный выбор модели описания речевого сигнала, разработка алгоритмов помехоустойчивой оценки параметров модели на основе анализа текущего речевого сигнала, выбор способов эффективного квантования параметров модели, распределение ограниченного ресурса скорости цифрового канала между передаваемыми параметрами, выбор способов защиты передаваемых параметров от ошибок в канале. Последняя задача будет рассмотрена более подробно.

Ошибки, возникающие в цифровых каналах связи. По основным свойствам их можно разбить на несколько классов.

  1.  Случайные битовые ошибки без группирования. Характерны при низком отношении сигнал/шум (ОСШ) в физических каналах связи. Описываются постоянной во времени вероятностью возникновения ошибки в принятом бите PBER (Bit Error Rate).
  2.  Битовые ошибки с группированием. Характерны для импульсных радиопомех, для мобильных абонентов или связи в диапазоне KB, когда величина РBER изменяется во времени вследствие перемещения абонента или замираний несущего радиосигнала.
  3.  Случайные потери отдельных пакетов речевых данных целиком (блоковые ошибки без группирования). Характерны для работы вокодеров в сетях ПД с коммутацией пакетов, с асинхронной доставкой пакетов или с проверкой их целостности на основе контрольных сумм. Описываются постоянной во времени вероятностью пропадания или возникновения ошибочного речевого пакета PBLER (Block Error Rate).
  4.  Блоковые ошибки с группированием. Характерны для периодических кратковременных или долговременных срывов или пропадания отдельных каналов связи. Борьба с этим явлением на уровне организации системы ЦРС выходит за рамки возможностей вокодеров и далее не рассматривается.

Оценку поведения вокодеров в составе систем ЦРС для данных характерных ситуаций эксплуатации необходимо проводить еще на стадии их разработки, используя моделирование на компьютере. Для этого необходимо построить программные модели — симуляторы каналов, имитирующие поведение реальных цифровых каналов связи. В соответствии с приведенной выше классификацией ошибок в симуляторах каналов можно использовать следующие упрощенные модели их возникновения.

  1.  Двоичный симметричный канал без памяти (ДСКБП). Задается единственной вероятностью битовой ошибки РВЕR.
  2.  Двоичный канал с памятью (ДКСП), моделирующий группирование битовых ошибок. Канал имеет два состояния: «хорошее», обозначаемое G (от слова good), с малой вероятностью битовых ошибок PBER-G и «плохое», обозначаемое В (от слова bad), с большей вероятностью битовых ошибок PBER-B. Состояния Р и В могут случайно переключаться между собой в любой момент с вероятностями переходов РGB и РBG.
  3.  Потери отдельных речевых пакетов целиком без группирования. Описываются ДКСП со следующими ограничениями: PBER-G = 0, PBER-B = 0,5; переключение между состояниями происходит только на границе пакетов, состоящих из фиксированного числа бит, потери пакетов независимы друг от друга и описываются вероятностью потери пакета PBLER. Интересно отметить, что при PBER_B = 0,5 испорченный пакет представляет собой случайный набор бит с вероятностью заполнения нулем или единицей равной 0,5, а значение коэффициента битовых ошибок, усредненного за длительное время, стремиться к половине величины вероятности блоковых ошибок PBLER.

Основные методы борьбы с ошибками в цифровых каналах связи в приложении к вокодерам. Для борьбы со случайными битовыми ошибками без группирования используется помехоустойчивое канальное кодирование, основанное на внесении дополнительной избыточности в передаваемый цифровой поток на стороне кодера с последующей коррекцией возникших в канале ошибок на стороне декодера. Такие методы хорошо разработаны для систем ПД. Особенностью их применения в вокодерах, по сравнению со стандартным применением при ПД, является использование специфических свойств кодированного речевого сигнала, приводящее к общему повышению эффективности защиты передаваемых речевых сообщений от ошибок.

К этим свойствам вокодеров можно отнести, во-первых, локальный характер воздействия отдельных битовых ошибок в речевых пакетах на синтезируемый речевой сигнал с постепенным плавным уменьшением его качества при росте числа ошибок. Большинство алгоритмов речевого кодирования сохраняют приемлемую разборчивость синтезируемой речи при уровне битовых ошибок, доходящих до 10-3...10-2. Во-вторых, передаваемые параметры имеют, как правило, различную чувствительность к битовым ошибкам с точки зрения их влияния на качество синтеза речи, что позволяет использовать схемы неравномерной защиты бит от ошибок в речевом пакете. В-третьих, передаваемые параметры вокодеров обладают определенными остаточными статистическими свойствами, позволяющими использовать на приемной стороне схемы мягкое декодирование.

Для борьбы с группированием битовых ошибок применяется помехоустойчивое канальное кодирование с дополнительной перестановкой бит перед их передачей по каналу (для снижения степени группирования ошибок при декодировании). Основным отрицательным фактором для систем ЦРС в этом случае может быть возрастающая задержка в передаче речевых сигналов, если глубина перестановки бит превышает размер речевого пакета.

Потери речевых пакетов целиком (блоковые ошибки) представляют собой безвозвратные потери передаваемой информации, не подлежащие точному восстановлению. При ПД эта проблема решается путем повторной передачи пакетов с разнесением во времени или по запросу через обратный канал. В вокодерах возможен совсем иной подход, а именно интерполяция (реконструкция) потерянных речевых данных, исходя из свойств самого источника информации — речевого сигнала. Таким образом, при синтезе речи на выходе вокодера становится возможной реализация субъективного сглаживания (маскирования) артефактов звучания, вызванных потерями одиночных пакетов.

Существует множество алгоритмов маскирования потерь речевых пакетов (PLCPacket Loss Concealment) [2]. Все они решают задачу генерации вместо отсутствующего или испорченного фрагмента оригинальной речи синтетического речевого сигнала с близкими спектральными характеристиками и отсутствием заметных на слух переходов между оригинальными и интерполируемыми речевыми кадрами.

Для речи без кодирования возможна реконструкция пропущенного кадра во временной области методом повторения предыдущей речи синхронно с периодом основного тона (ОТ) [3]. Многие стандартные гибридные CELP (Code Excited Linear Prediction) кодеки, такие как ITU-T G.723.1, G.729, имеют встроенные механизмы PLC. Однако в них ошибка от потерянного кадра может распространяться на последующие кадры, принятые без ошибок, вследствие использования дифференциального кодирования параметров. Поэтому для систем VoIP предпочтительнее применение специально разработанных CELP-кодеков [4]. Для низкоскоростных параметрических вокодеров удобнее осуществлять интерполяцию в области параметров модели описания речевого сигнала. Этим обеспечивается непрерывность и плавность переходов между смежными фрагментами при синтезе речи.

Помехоустойчивые вокодеры. В соответствии с изложенными выше принципами защиты от битовых ошибок и блоковых потерь в Центре ЦОС СПб ГУТ были разработаны два вокодера со скоростью в канале связи 4320 бит/с и длительностью кадра 25 мс на основе MELP (Mixed Excitation Linear Prediction) модели описания речевого сигнала. Вокодеры предназначены для работы в составе цифровой УКВ радиостанции или системы VoIP.

Вокодеры типа MELP [5] используют параметрическое описание речевого сигнала на основе модели линейного предсказания (ЛП) 10-го порядка со смешанным возбуждением тон/шум в пяти частотных полосах. Помимо этого, отличительной особенностью MELP модели является использование: одиночных импульсов ОТ в сигнале возбуждения для моделирования переходных участков речи и взрывных звуков; адаптивного формантного фильтра для обострения формантных пиков при синтезе; дополнительного кодирования амплитуд гармоник ОТ сигнала остатка ЛП для вокализованных сигналов для повышения узнаваемости голоса; всепропускающего фазового звена для снижения пик-фактора синтезированного сигнала и др.

Первый помехоустойчивый вокодер RMELP-4320 (Robust MELP) построен на основе речевого кодирования со скоростью 2160 бит/с и двух вариантов помехоустойчивого канального сверточного кодирования: со скоростью 1/2 для закрытия всех бит речевого пакета или с использованием подхода неравномерного закрытия бит, исходя из их субъективной значимости при синтезе речевых сигналов [6]. Вокодер реализован в виде программы для ПЭВМ в арифметике с фиксированной точкой и на цифровом процессоре обработки сигналов TMS32VC55xx (38 MIPS, 46 Кбайт).

Второй вокодер MELP-4320 использует только речевое кодирование. Он имеет два режима работы: без интерполяции потерь пакетов и с интерполяцией таких потерь. В режиме без интерполяции декодер всегда синтезирует выходной речевой сигнал на основании принятого пакета вне зависимости от его целостности и содержания. В режиме с интерполяцией весь процесс состоит из следующих шагов.

  1.  Обнаружение испорченных (потерянных или опоздавших) пакетов с речевыми данными. Эта задача целиком ложится на внешние по отношению к синтезатору вокодера процедуры протокола и доставки речевых пакетов с проверкой их наличия или целостности. На входе синтезатора всегда должен присутствовать текущий речевой пакет и флаг, сигнализирующий о его целостности.
  2.  Если принятый пакет не поврежден, то осуществляется синтез выходного речевого кадра.
  3.  Если принятый пакет поврежден, то параметры модели описания речевого сигнала для текущего кадра экстраполируются на основе прошлого кадра или интерполируются на базе прошлого и будущего кадров (при введении задержки синтеза на один кадр). Простейшим способом экстраполяции является повторение параметров предыдущего кадра с понижением общей энергии сигнала. Интерполяцию спектральной огибающей сигнала на основе модели ЛП с точки зрения устойчивости лучше всего проводить в области линейных спектральных пар (ЛСП). В вокодере интерполируются следующие параметры: энергия кадра, ЛСП, величина ОТ для вокализованной речи, признаки тон/шум по частотным полосам. Далее производится синтез пропущенного кадра на основе интерполированных параметров.

Вокодер реализован в виде программы для ПЭВМ в арифметике с фиксированной точкой.

Для проведения сравнительных испытаний вокодеров использовались имитаторы цифровых каналов связи 1-го и 3-го типов, реализованные в виде программ для ПЭВМ. Для них можно задавать вероятность битовой ошибки PBER или блоковой ошибки PBLER. Качество речи на выходах вокодеров оценивалось количественно на основе объективного критерия PESQ-MOS по рекомендации ITU-T P.862 [1] с использованием тестовых записей двух дикторов — мужчины и женщины, читающих фонетически сбалансированные фразы по ГОСТ Р 50840—95.

Рис.1

Зависимости оценок качества речи по шкале PESQ-MOS на выходах вокодеров от вероятности битовых ошибок без группирования Рю в цифровом канале связи приведены на рис. 1 для дикторов «Ася» (а) и «Саша» (б). Используются следующие обозначения: А — вокодер MELP-4320 в режиме без интерполяции, В — вокодер RMELP-4320 с неравномерной защитой бит, С — вокодер RMELP-4320 с равномерной защитой бит.

Рис.2

На рис. 2 представлены зависимости оценок качества речи по шкале PESQ-MOS на выходе вокодера MELP-4320 от вероятности блоковых ошибок без группирования PBLER в цифровом канале связи для двух дикторов и двух режимов работы: с интерполяцией потерь пакетов (А, В) и без интерполяции (С, D).

Из анализа зависимостей видно, что при отсутствии ошибок в канале связи помехоустойчивый вокодер RMELP-4320 уступает по качеству простому вокодеру MELP-4320, однако в отличие от последнего сохраняет работоспособность при битовых ошибках, доходящих до 7—10%. Причем для PBER > 6% неравномерная схема защиты бит вокодера от ошибок имеет явное преимущество над равномерной защитой всех бит со скоростью 1/2.

Для вокодера MELP-4320 в условиях случайных потерь пакетов без группирования в режиме их экстраполяции (без задержки обработки сигнала) субъективное качество речи сохраняется вплоть до 25 % потерь пакетов, а при воспроизведении поврежденных пакетов со случайным заполнением «как есть» значительно снижается.

Заключение. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Целесообразно объединять схемы речевого и канального кодирования в один помехоустойчивый вокодер с неравномерным закрытием бит, разрабатываемый на основе их совместной оптимизации, исходя из требований пропускной способности цифрового канала, минимально допустимого качества синтезируемой речи и предельной вероятности битовых ошибок. Схемы с неравномерной защитой передаваемых бит в речевом пакете дают определенный выигрыш по сравнению со схемами с равномерным закрытием бит при высоких уровнях битовых ошибок, однако могут проигрывать им в качестве синтетической речи при низких уровнях ошибок.

2. Для сглаживания восприятия невозвратных потерь отдельных речевых кадров при синтезе речи удобно использовать интерполяцию речевого сигнала на основе его параметрического описания. Маскировка потерь пакетов улучшает субъективное качество речи, однако ее влияние на слоговую разборчивость требует дальнейшего изучения.

Объединение двух подходов, т.е. использование техники интерполяции потерь кадров в условиях значительных битовых ошибок, особенно при организации цифровой связи по радиоканалам, достаточно противоречивая задача. Интеграция механизма контроля целостности (например, CRC) внутрь речевого пакета приводит к значительному росту числа обнаруженных поврежденных пакетов даже при незначительных PBFR, что может привести к нежелательным пороговым эффектам в снижении качества речи при росте PBER. Это явление можно наблюдать в системе связи TETRA.

В.В. Бабкин, начальник лаборатории ЦОС СПб ГУТ, к.т.н.                                                                       

ЛИТЕРАТУРА

  1.  ITU-T Recommendation P.862. (02/2001). Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs.
  2.  Perkins C, Hodson O., Hardman V. A survey of packet loss recovery techniques for streaming audio. Proc. of Network//IEEE.— 1998. — Vol. 12. - Issue 5. - P. 40-48.
  3.  ITU-T Recommendation G.711 (1999). Appendix 1: A high quality low-complexity algorithm for packet loss concealment with G.711.
  4.  Babkin V.V., Ivanov V.N., LanneA.A., Pozdnov I.B. Internet Telephony Vocoders/Proc. of Second European DSP E&R Conference. — Paris.- 1998.- Sept.- P. 83-87.
  5.  SuppleeL.M., CohnR.P., ColluraJ.S., McCreeA.V. MELP: The New Federal Standard at 2400 bps//IEEE 1CASSP.- 1997.- P. 1591-1594.
  6.  Бабкин В. В., ЛаннэА.А., Шаптала В. С. Оптимизационная задача выбора речевого и канального кодирования/7-я Междунар. конф. и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA-2005).— Москва, 16—18 марта 2005г.

ТЕХНОЛОГИЯ MIMO В СИСТЕМАХ LTE

Ключевые слова: LTE (Long Term Evolution) системы подвижной связи в долгосрочной перспективе, MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) — системы с несколькими антеннами на передающей и приемной сторонах, SU-MIMO (Single User MIMO) — однопользовательские схемы MIMO, MU-MIMO (Multi User MIMO) — многопользовательские схемы MIMO, BF (Beam Forming) адаптивное формирование диаграммы направленности.

Введение. Во всех современных системах беспроводного широкополосного доступа, включая WiMAX, HSPA, UMB и LTE, предусматривается использование технологии MIMO. Востребованность этой технологии объясняется возможностью значительного увеличения пропускной способности и/или помехоустойчивости беспроводной системы связи по сравнению с традиционной системой SISO (Single-Input-Single-Output).

Пионеры в этой области — ученые Лабораторий Белла (в настоящее время в составе Alcatel-Lucent). В 1996 г. они предложили пространственно-временную архитектуру передачи сигналов — BLAST (Bell laboratories LAyered Space Time), а в 1998 г.— схему пространственного мультиплексирования — Vertical BLAST. Сегодня компания Alcatel-Lucent занимает лидирующую позицию в научно-исследовательской деятельности в области MIMO, что позволяет успешно реализовать эту технологию в линейке оборудования LTE.

 Достижения в области микроэлектроники, рост производительности процессорных платформ, технологические возможности решения сложных вычислительных задач в цифровых устройствах стимулируют развитие телекоммуникационных систем и передовых технологий, которые еще совсем недавно рассматривались только как «бумажные» — нереализуемые на практике. Технологии MIMO, как и сами системы беспроводного доступа, постоянно эволюционируют [1]. Спецификации 3GPP Rel. 6 и Rel. 7 (HSPA) включают схемы МIМО с двумя передающими антеннами. В системах WiMAX IEEE 802.16е предусматривается использование четырех передающих антенн, но без реализации обратной связи (ОС). В настоящее время в области MIMO наиболее прогрессивны системы LTE 3GPP Rel. 8, в которых применяются схемы MIMO с четырьмя передающими антеннами, как с ОС, так и без нее.

Математическая модель MIMO. На передающей стороне системы MIMO входной поток данных разделяется на М подпотоков, которые затем излучаются одновременно на одной и той же частоте через М передающих антенн (рис. 1). В каждый из N приемных трактов поступает аддитивная смесь из М переданных сигналов и шума.

Пояснить принцип обработки сигналов на приемной стороне системы MIMO можно, обратившись к математической модели системы. Сигналы в N приемных трактах можно описать системой линейных уравнений:

                            (1)

где yi — отсчет комплексной огибающей в i-й приемной ветви; θj— переданный через j-ю антенну комплексный символ квадратурно-амплитудной модуляции (КАМ); hijкомплексный коэффициент передачи тракта распространения сигнала, излучаемого j-й антенной и принимаемого i антенной; ηi, — отсчет комплексного гауссовского шума на i-м входе декодера со средней мощностью PN.

Систему уравнений (1) можно переписать в векторно-матричном виде:

Y = Hθ + η,                                                       (2)

где Y— вектор принятых сигналов; Н — матрица множителей канала; θ — вектор переданных информационных символов; η — вектор шума.

В математическом смысле процесс декодирования в системе MIMO сводится к решению системы уравнений (1) относительно неизвестных θj; при условии, что на приемной стороне известны комплексные множители канала hij. Как правило, передаче полезной информации предшествует фаза оценивания характеристик канала в приемном устройстве с помощью пилот-сигналов, в результате этого в приемном устройстве формируется оценка матрицы множителей канала Н.

При описании систем MIMO часто пользуются термином «ранг канала», под которым подразумевается ранг матрицы канала Н. Минимальное число, выбираемое из числа линейно независимых строк и числа линейно независимых столбцов в матрице, называется рангом этой матрицы. Физически ранг матрицы канала можно интерпретировать как количество независимых трактов распространения сигналов в канале связи. Для того чтобы получить максимальный эффект по пропускной способности в системе MIMO, матрица канала должна обладать максимальным рангом — max (М, N). При этом элементы матрицы канала должны быть некоррелированы между собой.

Оптимальная схема MIMO с ОС. Если в системе MIMO можно передать матрицу канала Н от приемника к передатчику, то на передающей и приемной сторонах имеется возможность сформировать виртуальные параллельные пространственные каналы, не интерферирующие между собой. Оптимальная схема MIMO с ОС изображена на рис. 2.

Для формирования оптимальных диаграмм направленности (ДН) антенных систем используется процедура сингулярного разложения [5] матрицы канала Н:

Н = UDV,                                                             (3)

где U и V — унитарные матрицы, используемые для формирования ДН на приемной и передающей сторонах, соответственно; D — диагональная матрица с собственными числами матрицы Н на главной диагонали.

Выражение для принятых сигналов (2) можно переписать как Y = UDVθ + η, или U-1Y = DVθ + U-1η. Введя новые обозначения Z = U-1Y и Q = , получим уравнение наблюдения в эквивалентной системе:

Z = + U-1η.                                           (4)

Таким образом, в эквивалентной системе (рис. 2) канал MIMO описывается диагональной матрицей D, т.е. может быть представлен как совокупность параллельных неинтерферирующих каналов SISO.

Помехоустойчивость и пропускная способность оптимальной системы MIМО с ОС значительно выше обычной системы без ОС [6]. Наличие информации о канале в передающем устройстве исключительно важно для повышения эффективности MIMO. Однако не всегда возможно организовать полноценную передачу вычисленных в приемнике характеристик пространственного канала по линии ОС от приемника к передатчику. На практике используют конечный набор «диаграммо-образующих» (прекодирующих) матриц, а от приемника к передатчику передается только номер требуемой прекодирующей матрицы.

Классификация схем MIMO в LTE. Технологии МIMO позволяют повысить пропускную способность, дальность связи и помехоустойчивость систем беспроводной связи. Для решения этих задач в системах LTE предусматриваются различные схемы MIMO:

однопользовательские SU-MIMO (Single User MIMO) используются на линии вниз для повышения пропускной способности и могут быть реализованы на базовых станциях (БС) с двумя или четырьмя передающими антеннами;

многопользовательские MU-MIMO (MultiUser MIMO) позволяют организовать доступ в сеть нескольких пользователей на одних и тех же частотно-временных каналах, увеличивая агрегатную пропускную способность системы. MU-MIMO могут использоваться на линии как вниз, так и вверх;

разнесенной передачи, специфицированные для линии вниз (при наличии двух или четырех передающих антенн на БС) и для линии вверх (при наличии на абонентской станции двух антенн). Разнесенная передача позволяет увеличить дальность связи и помехоустойчивость системы;

адаптивного формирования диаграммы направленности (BFBeam Forming), реализуемые на БС (линии вверх и вниз) и дающие возможность увеличить дальность связи и помехоустойчивость системы.

Схемы SU-MIMO. Эти схемы SU-MIMO предназначены, в первую очередь, для повышения пропускной способности за счет мультиплексирования нескольких потоков информации в пространственной области, отсюда название таких схем — пространственное мультиплексирование (SMSpatial Multiplexing). Тракты передачи и приема в системе SU-MIMO изображены на рис. 3. Входные данные демультиплексируются на K потоков (не более двух в LTE Rel. 8), каждый из которых подвергается помехоустойчивому кодированию и КАМ-модуляции, т.е. формируется K кодовых слов. Полученные кодовые слова посимвольно (подразумеваются символы КАМ) распределяются между L уровнями SM. Сформированные векторы из L символов умножаются на прекодирующую «диаграммо-образующую» матрицу и подаются на М антенных портов (L ≤ М).

Предусматривается использование схем SU-MIMO двух типов: с ОС и без нее.

Для поддержки на линии вниз SM с ОС абонентская станция (АС) должна передавать по обратному каналу индикатор ранга (RIRank Indicator), индикатор качества канала (CQIChannel Quality Indicator) и индикатор прекодирующей матрицы (PMIPrecoding Matrix Indicator). С помощью индикатора ранга абонентская станция (АС) указывает, сколько независимых пространственных каналов (или уровней) могут поддерживаться в данный момент на линии радиосвязи. При выборе количества уровней SM БС учитывает не только ранг канала, но и другие факторы: объем трафика, мощность передатчика и т. д. В зависимости от принятого CQI выбирается кратность КАМ и скорость помехоустойчивого кодирования кодовых слов. Индикатор РМI указывает на выбранную АС прекодирующую «диаграммо-образующую» матрицу, обеспечивающую согласование передаваемого сигнала с пространственными характеристиками тракта распространения радиоволн.

В общем случае K кодовых слов распределяются между L уровнями, количество которых выбирается БС в первую очередь в зависимости от ранга канала. В LTE для каждого кодового слова на линии вниз поддерживается гибридная процедура повторной передачи по запросу (HARQHybrid Automatic Repeat reQuest), требующая дополнительной сигнализации на линии вверх. Для снижения объема сигнальных сообщений используют максимум два кодовых слова даже, если можно обеспечить передачу более двух пространственных уровней. При передаче одного пространственного уровня демультиплексирование в передающем тракте не осуществляется, и формируется только одно кодовое слово.

Если АС перемещается с высокой скоростью, и характеристики канала изменяются достаточно быстро, или из-за высокой сигнальной нагрузки на линии вверх нет возможности передавать PMI, то SM работает в режиме без ОС. При этом остается обязательной передача по обратному каналу индикаторов RI и CQI. БС по принятому RI выбирает количество пространственных уровней и осуществляет прекодирование с циклически изменяющимися прекодирующими матрицами из фиксированного набора: осуществляется так называемая процедура разнесения с циклически изменяющимися сдвигами (CDDCyclic Delay Diversity). Сигналы через разные антенны передаются с разными фазовыми сдвигами и на приемной стороне получают сигнал, аналогичный сигналу, прошедшему через многолучевый канал с варьирующимися задержками. Эта процедура позволяет декоррелировать сигналы, излучаемые разными антеннами.

Если в режиме SM без ОС возникает необходимость переключиться на передачу одного пространственного уровня, то активизируется режим разнесенной передачи.

Разнесенная передача. На линии вниз для разнесенной передачи используется известный код Аламоути [5]. В базовой конфигурации эта схема реализуется в системе с двумя передающими и одной приемной антеннами (система 2x1), как показано на рис. 4.

В отличие от оригинальной схемы Аламоути, предполагающей пространственно-временную обработку, в LTE используется пространственно-частотный код (SFBCSpace Frequency Block Code). В такой схеме модуляционные символы одного кодового слова разбиваются на блоки по два символа, которые передаются через две антенны на паре смежных поднесущих. SFBC описывается порождающей матрицей:

SFBC — ортогональный код, строки порождающей матрицы ортогональны друг другу, тоже справедливо для ее столбцов.

Переход от оригинального пространственно-временного кода Аламоути к SFBC обусловлен тем, что для передачи каждой пары символов должна выделяться пара смежных ресурсных элементов — временных или частотных. В LTE ресурсы для передачи пользовательских данных выделяются блоками, причем блок в некоторых конфигурациях может состоять из нечетного числа символов OFDM (временные ресурсы). Количество поднесущих частот (частотные ресурсы) в блоке — всегда четное. Это дает возможность выделять пары поднесущих для каждого блока Аламоути.

Код SFBC позволяет достичь высокой помехоустойчивости и применяется, в основном, для увеличения дальности связи. Косвенный результат использования такой схемы — повышение пропускной способности системы: в пределах соты улучшается распределение отношения сигнал/шум, и как следствие становится возможным использование КAM более высокой кратности.

При наличии четырех передающих трактов на БС используется комбинация двух SFBC. Порождающая матрица сформированного кода (строки соответствуют антеннам, столбцы — поднесущим) выглядит следующим образом:

На линии вверх SFBC не применяется: для минимизации стоимости абонентское оборудование оснащается только одним передатчиком даже при наличии двух антенн. На линии вверх используется процедура селективного разнесения на передаче, т. е. для излучения сигналов выбирается одна из двух передающих антенн по командам от БС при замкнутой петле ОС. В случае отсутствия ОС АС самостоятельно выбирает антенну для излучения сигналов.

Схема MU-MIMO. Абонентские станции, находящиеся на достаточном расстоянии друг от друга, могут использоваться для организации виртуальной схемы MIMO, когда каждая из АС рассматривается как отдельный виртуальный антенный тракт. При этом каждый пространственный уровень в схеме SM используется для переноса информации одного абонента.

Схема многопользовательского MIMO может применяться на линии как вверх, так и вниз. АС, включенным в схему MU-MIMO, выделяются одинаковые частотно-временные канальные ресурсы. Для декорреляции сигналов в канале используются те же прекодирующие матрицы, что и для SU-MIMO. Пример организации трактов обработки сигналов на линии вниз в схеме MU-MIMO с двумя АС показан на рис. 5.

В схеме MU-MIMO обеспечивается только пространственное разнесение сигналов разных абонентов. Такой способ доступа называется множественным доступом с пространственным разнесением (SDMASpatial Division Multiple Access).

Адаптивное формирование диаграммы направленности.

В LTE различают два режима формирования диаграммы направленности:

прекодирование с ОС и поддержкой одного пространственного уровня. Эта схема аналогична описанной выше схеме SU-MIMO: прекодирующая «диаграммо-образующая» матрица на БС выбирается в соответствии с принятым от АС индикатором PMI;

адаптивное формирование диаграммы направленности. В данном случае количество уровней также равно одному, но PMI от АС не передается, БС производит оценку канала по пилот-сигналам АС и вычисляет комплексные весовые коэффициенты передачи сигналов в каждом приемопередающем тракте wi = piei , гдеpi — модуль коэффициента усиления; φi — фазовый сдвиг сигнала в i-м тракте.

Принцип адаптивного формирования диаграммы направленности иллюстрируется на рис. 6.

В этом режиме электромагнитное поле многоэлементной антенны БС формируется в виде узконаправленного главного лепестка, ориентированного в сторону АС. Для формирования такой диаграммы направленности в приемопередающих трактах БС передаваемый/принимаемый сигнал умножается на соответствующие весовые коэффициенты wi. В результате, благодаря взвешенному сложению диаграмм направленности каждого антенного элемента, формируется суммарная диаграмма с более узким главным лепестком в направлении пользователя и большим коэффициентом усиления (по сравнению с характеристиками каждого антенного элемента в отдельности). Такая схема позволяет повысить энергетическую эффективность системы и дальность связи.

Заключение. Многообразие схем MIMO в LTE и возможность выбора схемы, адаптированной к условиям распространения радиоволн, гарантирует достижение высокой спектральной эффективности до 15 бит/с/Гц (на линии вниз в системе 4x4 SU-MIMO в полосе 20 МГц) [5].

Развитие технологии на этом не останавливается, и уже в следующем поколении систем LTELTE Advanced [4], ставится более высокая цель 30 бит/с/Гц, и предусматривается использование схем пространственного мультиплексирования 8x8 и 4x4 на линиях вниз и вверх, соответственно.

Л.А. Варукина, ведущий специалист

по дизайну радиосетей компании Alcatel-Lucent, к.т.н.

ЛИТЕРАТУРА

  1.  ITU-R М. 1457—8. Detailed specifications of the radio interfaces of International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000).
  2.  3GPP TS 36.201. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); LTE Physical Layer — General Description (Rel. 8).
  3.  3GPP TS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer Procedures (Rel. 8).
  4.  3GPP TR 36.913. Requirements for Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced); Physical Layer Aspects (Rel. 8).
  5.  Sesia S., Toufik I, Baker M. LTE — The UMTS Long Term Evolution. From Theory to Practice/John Wiley & Sons Ltd, 2009. — 611c.
  6.  Ergen M. Mobile Broadband — Including WiMAX and LTE.— Springer, 2009.— 336 c.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61674. Устройство компьютера 18.52 KB
  Какие виды информации вам известны По форме представления информации различают числовую текстовую звуковую графическую и видеоинформацию Что изучает наука Информатика изучением всевозможных способов передачи хранения и обработки информации занимается...
61677. Лепка спортсмена(или кошки) в музеях хранятся скульптуры известных мастеров 12.62 KB
  Отличие скульптуры от др. видов искусства: язык скульптуры трехмерность объемность пропорции фактура; способы выполнения – высекание лепка вырезание отливка; материалы мрамор дерево металл песчаникпенопласт резина воск;значение света можно смотреть с разных точек зрения. По назначению скульптура бывает: Монументальная памятники обычно в городской парковой среде особый жанр монументальной скульптуры мемориальная надгобия Декоративнаяв основном носит прикладной характер украшает архитектурные сооружениядекоративные...
61678. Твои игрушки. Роспись дымковской игрушки 26.7 KB
  Цели и задачи: расписать игрушки в традициях дымковских мастеров; развивать познавательную активность учащихся через проведение исследовательской работы; формировать коммуникативные навыки работы...
61679. Выполнение растительных узоров по шаблону 22.47 KB
  Здравствуйте ребята Д: Здравствуйте Уч: Скажите что нам сегодня понадобится для урока рисования Д: Альбомный лист краски кисточки баночка с водой ластик простой карандаш.
61680. Деревня – деревянный мир 11.79 KB
  Цель урока: Задача урока: научить обучающихся составлять целостную картину/панно на тему «Деревня – деревянный мир» из художественных материалов.
61682. Дымковская игрушка 18.8 KB
  Цель урока: познакомит с народным промыслом Дымково научить детей украшать силуэт изображения дымковской игрушки. Задачи урока: А образовательная научить детей приёмам кистевой росписи основным элементам познакомить с основными цветами росписи...