Новые алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах подвижной связи

Оглавление

СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений 10

Введение 11

1. Мобильные телекоммуникационные системы третьего поколения 12
1.1. Введение 12
1.2. Мобильные системы UMTS/IMT-2000 13
1.2.1. Характеристики UTRA/IMT-2000 14
1.2.2. Физические каналы 17
1.2.3. Расширение спектра и модуляция 18
1.2.3.1. Ортогональные коды с изменяющимся коэффициентом расширения в системах UTRA/IMT-2000 18
1.2.3.2. Расширение спектра и модуляция в обратном канале 21
1.2.3.3. Расширение спектра и модуляция в прямом канале 23
1.2.4. Управление мощностью передачи 24
1.2.4.1. Управление мощностью в системах UTRA/IMT-2000
с использованием обратной связи 24
1.2.4.2. Управление мощностью без обратной связи во время доступа мобильной станции 25
1.2.5. Передача обслуживания (Hand-off) 25
1.2.5.1. Внутричастотная или мягкая передача обслуживания 26
1.2.5.2. Межчастотная или жесткая передача обслуживания 26
1.2.6. Межсотовая синхронизация в системах множественного доступа с временным разделением в UTRAIMT-2000 27
1.3. Наземная система радиодоступа cdma2000 28
1.3.1. Характеристики системы cdma2000 29
1.3.2. Расширение спектра и модуляция 30
1.3.2.1. Расширение спектра и модуляция в прямом канале 31
1.3.2.2. Модуляция и расширение спектра в обратном канале 33
1.3.3. Канал случайного доступа 34
1.3.4. Передача обслуживания 36
1.4. Широкополосные системы множественного доступа с кодовым разделением WCDMA 37
1.4.1. История стандарта 37
1.4.2. Частотные диапазоны систем 3GPP 37
1.4.3. WCDMA — характеристики и возможности 38
1.4.4. Физический уровень WCDMA 39
1.4.5. Процесс передачи данных 40
1.4.6. Помехоустойчивое канальное кодирование 40
1.4.7. Сверточные коды 41
1.4.8. Турбо кодирование 41
1.4.9. Расширение спектра сигнала (Spreading) 42
1.4.10. Канальное кодирование 43
1.4.11. Скремблирующие коды 44
1.4.12. Расширение спектра и модуляция в обратном канале 45
1.4.13. Расширение спектра и модуляция в прямом канале 47
1.5. Направления совершенствования систем WCDMA 48
1.5.1. Адаптивные антенны 48
1.5.2. Многопользовательское детектирование и подавление интерференции 48
1.5.3. Разнесенная передача 49
1.5.3.1. Разнесенная передача с временным разделением 49
1.5.3.2. Ортогональная разнесенная передача 49
1.6. Переход от систем третьего поколения (3G) к системам четвертого поколения (4G) 50
1.7. Литература 54

2. Турбокоды 59
2.1. Введение 59
2.1.1. Блоковые коды 59
2.1.2. Сверточные коды 61
2.1.2.1. Представление сверточных кодов 62
2.1.2.2. Завершение кодовой решетки сверточного кода 64
2.1.2.3. Выколотые сверточные коды 64
2.1.2.4. Рекурсивные систематические сверточные коды 65
2.1.3. Каскадные коды 66
2.1.4. Турбокоды 67
2.2. Турбо коды, построенные с использованием сверточных кодов 68
2.2.1. Кодер турбокода 68
2.2.2. Декодер турбокода 69
2.2.2.1. Схема декодера 69
2.2.2.2. Логарифм отношения правдоподобия 70
2.2.2.3. Моментное описание распределения двоичных случайных величин 73
2.2.2.4. MAP алгоритм декодирования 75
2.2.2.5. Итеративное декодирование турбокода 81
2.2.2.6. Модификации MAP алгоритма 84
2.2.2.6.1. Max-Log-MAP алгоритм 84
2.2.2.6.2. Log-MAP алгоритм 86
2.2.2.7. Алгоритм декодирования Витерби с мягким решением 87
2.2.2.8. Декодирование турбо кода, основанное на фильтрации цифровых процессов 91
2.2.2.8.1. Представление кодированного сигнала в виде марковского процесса 91
2.2.2.8.2. Оптимальное декодирование рекурсивных сверточных кодов 92
2.2.2.8.2.1. Прямое направление 95
2.2.2.8.2.2. Обратное направление 97
2.2.2.8.2.3. Вычисление мягких оценок кодированных символов 102
2.2.2.9. Сравнение различных вариантов построения турбо декодера 104
2.2.2.10. Разработка перемежителя 107
2.2.2.10.1. Свойства перемежителя 108
2.2.2.10.1.1. Расстояние S 108
2.2.2.10.1.2. Mod-k перемежитель 112
2.2.2.10.1.3. Свойство симметричности 116
2.2.2.10.2. Типы перемежителей 116
2.2.2.10.2.1. Блоковый перемежитель 117
2.2.2.10.2.2. Циклический перемежитель 118
2.2.2.10.2.3. Блоковый диагональный перемежитель 118
2.2.2.10.2.4. Псевдослучайный перемежитель 120
2.2.2.10.2.5. Симметричные перемежители 120
2.2.2.10.2.5.1. Блоковый симметричный перемежитель 120
2.2.2.10.2.5.2. Блоковый диагональный симметричный перемежитель 120
2.2.2.10.2.5.3. Циклический симметричный перемежитель 122
2.2.2.10.2.5.4. Псевдослучайный симметричный перемежитель 123
2.2.2.10.3. Симметричный mod-k перемежитель 130
2.2.3. Аналитическая оценка эффективности турбокодов 134
2.2.3.1. Сравнение асимптотических характеристик турбокодов и сверточных кодов 134
2.2.3.2. Эффективность турбокода с блоковым перемежителем 139
2.2.3.3. Спектр весов турбокода 143
2.2.4. Эффективность турбо кодов в канале связи с аддитивным белым гауссовским шумом и двоичной фазовой модуляцией 146
2.2.4.1. Влияние количества итераций декодирования
на характеристики турбо кода 147
2.2.4.2. Влияние выкалывания на характеристики турбокода 147
2.2.4.3. Влияние алгоритма декодирования составляющих кодов на характеристики турбокода 148
2.2.4.4. Влияние длины кадра на характеристики турбокода 150
2.2.4.5. Влияние составляющих кодов на характеристики турбокода 152
2.2.4.6. Влияние способа завершения кодовой решетки
на характеристики турбокода 154
2.2.4.7. Влияние неточности оценивания мощности шума
на характеристики помехоустойчивости 157
2.2.5. Эффективность турбо кодов в каналах связи с релеевскими замираниями и двоичной фазовой модуляцией 163
2.2.5.1. Характеристики в полностью перемеженном релеевском канале 163
2.2.5.2. Характеристики в коррелированном релеевском канале 166
2.3. Заключение 167
2.4. Литература 168

3. Пространственно-временное блочное кодирование 171
3.1. Введение 171
3.2. Модель канала со многими входами и многими выходами 171
3.3. Теоретико-информационные характеристики MIMO каналов
с квазистатическими общими релеевскими замираниями 172
3.4. Общий случай пространственно-временного кодирования для многоантенных систем связи. Критерии оптимизации
пространственно-временных кодов 174
3.5. Концепция пространственно-временного блочного кодирования 178
3.6. Исходные алгоритмы пространственно-временного блочного кодирования 179
3.6.1. Maximum Ratio Combining 180
3.6.2. Пространственно-временной блочный код на основе двух передатчиков 181
3.6.2.1. Пространственно-временной код G2 , использующий один приемник 182
3.6.2.2. Пространственно-временной код G2 , использующий два приемника 184
3.7. Разработка пространственно-временных блочных кодов для разного числа передающих антенн 187
3.7.1. Вещественные ортогональные формы
и пространственно-временные блочные коды 187
3.7.2. Обобщенные вещественные ортогональные формы 189
3.7.3. Комплексные ортогональные формы
и пространственно-временные блочные коды 190
3.7.4. Обобщенные комплексные ортогональные формы 191
3.7.5. Основные результаты разработки STBC на основе комплексных ортогональных форм 193
3.7.6. Декодирование пространственно-временных кодов, построенных на основе комплексных ортогональных форм 194
3.8. Декодирование пространственно-временных кодов по правилу максимума апостериорной вероятности 197
3.9. Анализ качества пространственно-временного блочного кода 199
3.10. Сравнение характеристик различных пространственно-временных блочных кодов 201
3.10.1. Объединение по максимальному отношению
и пространственно-временной код G2 201
3.10.2. Характеристики схем с эффективной скоростью передачи
1 бит/с 203
3.10.3. Характеристики схем с эффективной скоростью передачи
2 бит/с 204
3.10.4. Характеристики схем с эффективной скоростью передачи
3 бит/с 205
3.11. Заключение 208
3.12. Литература 208

4. Пространственно-временные решетчатые коды 210
4.1. Введение 210
4.2. Пространственно-временные коды 210
4.3. Концепция пространственно-временных решетчатых кодов 212
4.3.1. Исходная идея: разнесение по задержке 212
4.3.2. Аналитическое описание of STTC 213
4.3.3. Разработка новых пространственно-временных кодов 215
4.3.4. Результаты моделирования 215
4.4. Структура системы связи с STTC 216
4.5. Кодирование данных пространственно-временными решетчатыми кодами 218
4.5.1. Пространственно-временной решетчатый код с 4 состояниями для 4-PSK 218
4.5.2. Пространственно-временной решетчатый код с 8 состояниями для 8-PSK 220
4.6. Критерии оптимизации пространственно-временных кодов 221
4.6.1. Ранговый критерий 221
4.6.2. Детерминантный критерий 222
4.6.3. Критерий евклидова расстояния 222
4.7. Разработка пространственно-временных решетчатых кодов 223
4.8. Декодирование STTC 225
4.9. Характеристики пространственно-временных решетчатых кодов 225
4.10. Сопоставление STBC и STTS 230
4.10.1. Анализ качества 231
4.10.2. Результаты моделирования 231
4.11. Направления развития пространственно-временных кодов 234
4.11.1. Новые пространственно-временные решетчатые коды 234
4.11.2. Каналы с коррелированными замираниями 234
4.11.3. Многоуровневый синтез 234
4.11.4. Информация о состоянии каналов 235
4.11.5. Применение к OFDM 235
4.11.6. Каскадные пространственно-временные блочные коды 235
4.11.7. Итерационное декодирование 235
4.12. Литература 236

5. Повышение скорости передачи информации и спектральной эффективности беспроводных систем связи. Архитектура BLAST 239
5.1. Введение 239
5.2. Пропускная способность MIMO каналов с общими релеевскими замираниями 240
5.3. Выигрыш пространственного мультиплексирования 247
5.4. Приемники пространственно мультиплексированных сигналов 247
5.5. V-BLAST-архитектура, реализующая выигрыш пространственного мультиплексирования 249
5.5.1. Вводные замечания 249
5.5.2. Структура системы и основные принципы построения 250
5.5.3. V-BLAST детектирование 251
5.5.4. Результаты моделирования 254
5.5.5. Результаты лабораторных испытаний 255
5.5.6. Сопоставление V-BLAST и STBC 256
5.5.7. Использование канального кодирования в системах
с пространственным мультиплексированием 257
5.6. Заключение 259
5.7. Литература 259

6. Пространственно-временное кодирование в системах высокоскоростной передачи данных 261
6.1. Вводные замечания 261
6.2. Формирование потоков сигналов для передачи по MIMO-каналам. Общий подход 261
6.3. Повышение помехоустойчивости BLAST архитектуры за счет использования пространственно-временной обработки
передаваемого потока данных 263
6.4. Использование линейных дисперсных кодов для распределения символов по пространству и времени 265
6.4.1. Вводные замечания 265
6.4.2. Модель системы 266
6.4.3. Информационно-теоретический анализ некоторых пространственно-временных кодов 268
6.4.3.1. Взаимная информация, достигаемая ортогональными STBC 269
6.4.3.2. Другие ортогональные STBC 273
6.4.3.3. Взаимная информация, достигаемая при V-BLAST 274
6.4.4. Линейные дисперсные пространственно-временные коды 275
6.4.4.1. Определение LD кодов 275
6.4.4.2. Декодирование 277
6.4.4.3. Синтез линейных дисперсных кодов 278
6.4.4.4. Примеры LD кодов и их характеристики 285
6.4.4.4.1. LD код и ортогональный STBC
при nT = nR = 2, R = 8 285
6.4.4.4.2. LD код и ортогональный STBC
при nT = 3, nR = 1, R = 6 286
6.4.4.4.3. LD код из 2 Ѕ 2 ортогонального STBC
при T = 6, nT = 3 288
6.4.4.4.4. LD код и V-BLAST
при nT = 2, nR = 2, R = 4 289
6.4.4.4.5. LD код и V-BLAST
при nT = 2, 4, nR = 2, R = 8 291
6.4.4.4.6. LD код и V-BLAST
при nT = 4; 8, nR = 4, R = 16 292
6.4.4.5. Таблица взаимной информации 293
6.5. Заключение 294
Приложение A. Вычисление градиента 295
Приложение B. Средняя вероятность парной ошибки 298
6.6. Литература 302

7. Использование пространственно-временного и канального кодирования
в высокоскоростных системах связи. Сферическое декодирование 303
7.1. Вводные замечания 303
7.2. Характеристики систем с LD пространственно-временным и LDPC канальным кодированием 303
7.3. Универсальный декодер решетчатого кода для каналов
с замираниями 307
7.3.1. Вводные замечания 307
7.3.2. Алгоритм сферического декодирования решетчатых кодов 308
7.3.3. Сферический декодер для каналов с замираниями 312
7.3.4. Выводы 313
7.4. Декодер решетчатого кода для MIMO систем 313
7.4.1. Вводные замечания 313
7.4.2. Решетчатое представление многоантенной архитектуры 314
7.4.3. Сферическое декодирование в многоантенных системах 315
7.4.4. Результаты моделирования и анализ характеристик декодирования для многоантенной системы
без канального кодирования 315
7.5. Сферический декодер с уменьшенной сложностью
для многоантенных систем 317
7.5.1. Вводные замечания 317
7.5.2. Модель системы 318
7.5.3. Алгоритм сферического декодирования 319
7.5.4. Алгоритм сферического декодирования с пониженной сложностью 323
7.5.5. Результаты моделирования 325
7.5.6. Выводы 327
7.6. Итерационное декодирование для каналов MIMO с помощью модифицированного сферического декодера 327
7.6.1. Вводные замечания 327
7.6.2. Модель системы 328
7.6.3. Алгоритм Финке-Поста 331
7.6.4. Вычислительная сложность алгоритма Финке-Поста 333
7.6.5. Модифицированный алгоритм Финке-Поста, использующий критерий максимума апостериорной вероятностей (MAВ) 334
7.6.6. Вычислительная сложность FP-MAP алгоритма 337
7.6.7. Результаты моделирования 338
7.7. Заключение 342
7.8. Литература 342