УДК 004

Технология с несколькими несущими для системы MIMO на основе CDMA и CMFB

Макаров Павел Олегович – аспирант Московского технического университета связи и информатики.

Горгадзе Светлана Феликсовна – доктор технических наук, профессор кафедры Радиооборудования и схемотехники Московского технического университета связи и информатики.

Аннотация: В этой статье представлена новая методика, которая сочетает множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) и банки фильтров с косинусной модуляцией, особый класс FBMC, с массивными системами связи MIMO. В предлагаемом методе символы данных передаются в разных поддиапазонах, а также они расширяются в каждом поддиапазоне с помощью кода CDMA. В работе будут представлены результаты моделирования предлагаемого метода передачи с несколькими несущими.

Ключевые слова: передатчик, приемник, CDMA, CMFB, MIMO, FBMC, FB-MC-CDMA, CMFB-MC-CDMA.

Введение

В сетях беспроводной связи 5-го поколения появление новых предложений, таких как связь между машинами и Интернет вещей, требует большей пропускной способности. Данное требование привело к развитию новых методов модуляций для сетей 5G с большим количеством несущих, которые сочетаются с методом пространственного кодирования сигнала (MIMO - Multiple Input Multiple Output), что является ключевой особенностью всех передовых сотовых беспроводных систем. Одним из самых популярных методов передачи с несколькими несущими является мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing), которое привлекает большое внимание из-за его способности работать с частотно-избирательными каналами [1]. В системе OFDM циклический префикс вставляется между кадрами OFDM, чтобы избежать межсимвольной интерференции, что делает ее устойчивой к многолучевому замиранию. Комбинация OFDM и множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), известная как CDMA с несколькими несущими (MC-CDMA), также вызвала большой интерес в беспроводной мультимедийной связи из-за ее превосходной производительности. Несмотря на преимущества OFDM, существуют некоторые недостатки, такие как низкая спектральная эффективность из-за наличия циклического префикса и чувствительность к смещениям времени и частоты, вызванная ошибками синхронизации, а также доплеровскими сдвигами. В частности, смещение несущей частоты приведет к потере ортогональности, что повлечет за собой интерференцию между несущими и серьезное снижение производительности в асинхронных многопользовательских приложениях [1]. Альтернативным методом OFDM является метод частотного мультиплексирования с множеством несущих, использующий банк (гребёнку) частотных фильтров (FBMC - Filter-Bank Multi-Carrier Modulation). По сравнению OFDM и FBMC, FBMC может обеспечить более высокую эффективность использования полосы пропускания из-за отсутствия циклического префикса. Более того, в случае применения MIMO к системам FBMC линейное комбинирование компонентов сигнала сглаживает искажения канала, тем самым значительно уменьшая количество поднесущих [2]. В результате, как отношение пиковой мощности к средней мощности, так и сложность системы снижаются вместе с увеличением разноса поднесущих, что позволяет снизить чувствительность к смещению несущей частоты. Еще одним преимуществом FBMC является большая гибкость с точки зрения объединения несущих, поскольку каждый диапазон поднесущих привязан к выделенной части спектра с незначительными помехами другим диапазонам. Основываясь на этих преимуществах, FBMC рассматривается как предпочтительный вид модуляции для сотовых сетей следующего поколения. Банк косинусно-модулированных фильтров (CMFB - Cosine modulated flter banks), который относится к классу универсальных блоков фильтров, подобных FBMC и OQAM, широко изучался в обработке сигналов, а также его применение для модуляции с несколькими несущими упоминалось в [2,3]. В работах [2,3] так же упоминалось, что CFMB идеально подходит для MIMO, поскольку повышения производительности можно добиться с помощью частотного выравнивания. Система CMFB также предлагает простой метод выравнивания, который очень полезен в случае деконтаминации пилота. Схемы MC-CDMA на основе набора фильтров (FB-MC-CDMA) изучались в системах с одной антенной. Эти системы были впервые предложены в [4] и дополнительно изучены в [5], где изучается производительность различных систем FB-MC-CDMA в присутствии смещения несущей частоты. Дальнейшие исследования показывают, что различные цифровые реализации MC-CDMA могут преодолеть недостатки быстрого алгоритма на основе многофазной декомпозиции [6]. В этой статье рассматривается новый метод, основанный на CDMA и CMFB в сочетании с системами MIMO. В предлагаемом методе передаваемые символы расширяются с помощью кода CDMA с прямой последовательностью (DS-CDMA) , затем чипы, принадлежащие разным символам, назначаются разным поднесущим с помощью трансмультиплексора, что позволяет символам данных распространиться в каждом поддиапазоне. Распространение символа данных в каждом поддиапазоне уменьшит интерференцию между символами данных и улучшит характеристики коэффициента битовых ошибок.

Предлагаемая модель системы MC-CDMA на основе набора фильтров

На рисунках 1 и 2 представлены блок-схемы передатчика и приемника CMFB-MC-CDMA. Входящий поток модулированных символов данных , сначала проходит через последовательно-параллельный преобразователь, чтобы получить вектор параллельных потоков данных b размерности M×1.

Рисунок 1. Блок – схема передатчика CMFB-MC-CDMA.

Рисунок 2. Блок – схема приемника CMFB-MC-CDMA.

Затем каждый символ расширяется последовательностью , последовательность расширения уникальна для каждого пользователя, что дает вектор-строку из L чипов, где C представляет матрицу размеров M × L.

(1)

Каждая строка C, которая содержит L элементарных сигналов расширенного символа b(k), подвергается повышающей дискретизации на M. Сигнал строки  с повышающей дискретизацией и длиной LM подается на фильтр синтеза , который является одним из синтезированных фильтров . Следовательно, как показано на рис. 1, выходные сигналы фильтров синтеза суммируются для генерации сигнала передачи X(z):

(2)

который можно представить во временной области как:

 (3)

В предлагаемом передатчике выбраны специальные фильтры синтеза , которые называются косинусно-модулированными фильтрами и представляются как:

, (4)

где k = 0, 1, 2,..., M − 1, p0(n) — фильтр-прототип, а D — порядок фильтра. Наконец, добавляется префикс цикла для выполнения передаваемого сигнала.

Передаваемый сигнал отправляется через одну антенну мобильного терминала по каналу. Принятый сигнал на выходе канала после удаления циклического префикса попадает на блок быстрого преобразования Фурье, после чего выравниваются нулевым форсирующим эквалайзером с использованием взвешенной эквалайзером диагональной матрицей. Затем к выходу эквалайзера применяется операция обратного преобразования Фурье за которой следует процесс объединения с равным усилением. Комбинированный сигнал затем проходит через анализ CMFB, выходной сигнал фильтра подвергается понижающей дискретизации. Анализ CMFB представляет собой линейный инвариантный во времени фильтр, и операция понижающей дискретизации не влияет на дисперсию шума. Результирующие выходные данные с пониженной частотой дискретизации умножаются на соответствующий чип расширяющей последовательности и суммируются по последовательным значениям. Полученные символы затем проходят через параллельно-последовательный преобразователь для генерации принятого потока символов во вход решающего устройства, фазы поднесущих чередуются между 0 и π/2 среди соседних поднесущих. Эта регулировка фазы позволяет приемнику отделять передаваемые символы данных без межсимвольной интерференции и интерференции между несущими.

Моделирование системы

Показатели коэффициента битовых ошибок тестировались в многолучевых каналах с Релеевскими замираниями для системы MIMO, где предполагалось, что абонентская станция связывается с базовой станцией в дуплексном режиме с временным разделением (FDD). Базовая станция оснащена передающими и приемными антеннами, абонентская станция оснащена одной приемной и передающей антенной. Сигналы разных пользователей идентифицируются базовой станцией по их соответствующим коэффициентам усиления поднесущих между каждой антенной абонентской станции и антеннами базовой станции, поскольку векторы коэффициентов усиления каналов для разных пользователей статистически независимы друг от друга. При рассмотрении случая с одним пользователем и двумя антеннами система CMFB при использовании системы SISO в канале с Релеевскими замираниями и наличием 64 поднесущих для модуляций BPSK показала достижение коэффициента битовых ошибок в 10-4 при отношении сигнал/шум, равным в 17,5 дБ и модуляции 4-PAM при отношении сигнал /шум, равным в 10,8 дБ, что представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость коэффициента битовых ошибок для системы CMFB от отношения сигнал/шум для SISO в канале с Релеевскими замираниями.

Как видно из рисунка 4, при использовании трех антенн в многолучевом канале с Релеевскими замираниями производительность как BPSK, так и 4-PAM значительно ухудшается. При модуляции 4-PAM коэффициент битовой ошибки достигает 2×10-2 и значение отношения сигнал/шум равно 19 дБ, в то время как для модуляции BPSK такой же коэффициент битовой ошибки достигается при отношении сигнал/шум, равном в 12,5 дБ. Таким образом можно сделать вывод, что BPSK превосходит модуляцию 4-PAM на 6,5 дБ, однако это происходит за счет скорости передачи данных.

Рисунок 4. Зависимость коэффициента битовых ошибок для системы от отношения сигнал/шум для системы SISO в канале с Релеевскими замираниями.

Если же рассматривать случай с одним пользователем, где CDMA применяется к системе CMFB при наличии массивной системы MIMO, то на рисунке 5 мы видим повышение производительности при использовании предлагаемых систем по сравнению с обычной системой CMFB. Из-за расширения каждого пользовательского сигнала в каждом поддиапазоне коэффициент битовых ошибок, равный 10-4 достигается при отношении сигнал/шум в -1,5 дБ, когда CDMA комбинируется с CMFB. В случае, когда CDMA не используется, такой же коэффициент битовых ошибок достигается при отношение сигнал/шум в 7,5 дБ. Рассматриваемая новая система дополнительно улучшает отношение сигнал/шум на 9 дБ для канала с Релеевскими замираниями.

Рисунок 5. Сравнение зависимостей коэффициента битовой ошибки между традиционной системой CMFB и предлагаемой системой CMFB-MC-CDMA для 64 поддиапазонов в многолучевом Релееевском канале.

Рассмотрим многопользовательский случай для 8 пользователей, где количество поднесущих равно 64. На рисунке 6 показаны характеристики коэффициента битовых ошибок предлагаемой системы для различного количества антенн (N = 4,10 MIMO и N = 16, 50 и 100 Massive MIMO) в одном канале с Релеевскими замираниями. Как показано на рисунке 6, отношение сигнал/шум улучшается на 6 дБ для коэффициента битовых ошибок, равного 10−4 за счет увеличения количества антенн базовой станции с 4 до 16. Влияние массивного MIMO, где N>K, на предлагаемую модель системы также показано на рисунке 6, где видно, что коэффициент битовой ошибки, равный в 10−4, достигается при отношении сигнал/шум, равным 0,5 дБ. При количестве антенн, равным 50, тот же коэффициент битовой ошибки достигается при отношении сигнал/шум в -2,5 дБ, когда количество антенн базовой станции равно 100. Таким образом, можно сделать вывод, что для массивных многопользовательских систем MIMO принимаемый сигнал может быть принят с мощностью, равной или меньшей мощности шума, что повышает безопасность приема данных.

Рисунок 6. Зависимость коэффициента битовых ошибок CMFB-MC-CDMA в сравнении с отношением сигнал/шум для 64 поднесущих, 8 пользователей для разного количества приемных антенн N в Релеевском канале.

Кроме того, на рисунке 7 рассматривается влияние наличия абонентской станции, оснащенной двумя передающими антеннами, в предлагаемой системе CMFB-MC-CDMA. Количество антенн на базовой станции равно 16, количество поднесущих 64 и 8 пользователей. Как видно из рисунке 7, наличие двух передающих антенн увеличивает производительность на 3 дБ. Например, отношение сигнал/шум, необходимое для достижения коэффициента битовой ошибки, равное 10−4, составляет 5,5 дБ, когда у абонентской станции есть только одна передающая антенна, в то время как отношение сигнал/шум, необходимое для достижения того же коэффициента битовой ошибки , составляет 2,5 дБ, когда количество передающих антенн увеличивается до двух.

Рисунок 7. Зависимость коэффициента битовых ошибок системы CMFB-MC-CDMA от отношения сигнал/шум для 64 поднесущих, 8 пользователей и 16 антенн в Релеевском канале.

Наконец, влияние использования другого количества поднесущих в предлагаемой системе CMFB-MC-CDMA для случая 8 пользователей и 50 антенн в модели канала с Релеевским замиранием представлено на рисунке 8. Для коэффициента битовой ошибки, равного 10−4, увеличение количества поднесущих с 8 до 64 дает усиление на 0,4 дБ. Следовательно, можно сделать вывод, что увеличение количества поднесущих немного повысит производительность за счет увеличения сложности системы и значительного увеличения задержки. Основываясь на результатах, представленных в этой статье, можно увидеть, что предложенный CMFB-MC-CDMA с массивным MIMO оказывает значительное влияние на повышение производительности системы.

Рисунок 8. Зависимость коэффициента битовых ошибок от отношения сигнал/шум для массивных систем MIMO CMFB-MC-CDMA при 50 антеннах, 8 пользователей и различного количества поднесущих в канале с Релеевскими замираниями.

Заключение

В этой статье рассмотрена новая массивная система MIMO CMFB-MC-CDMA для улучшения производительности значения коэффициента битовых ошибок. Для однопользовательского случая производительность коэффициента битовых ошибок была изучена для систем SISO и массивных систем MIMO. Результаты моделирования показали, что отношение сигнал/шум улучшилось на 10 дБ при коэффициенте битовых ошибок, равным 2 × 10−2 в случае канала с Релеевскими замираниями. Так же было показано, что увеличение количества поднесущих с 8 до 64 при наличии массивной системы MIMO приводит к улучшению отношения сигнал/шум всего на 0,4 дБ при использовании 50 антенн. Предложенный CMFB-MC-CDMA с массивным MIMO оказывает значительное влияние на повышение производительности системы. Результаты, представленные в этой статье, показывают, что CMFB-MCCDMA является многообещающей альтернативой системам MC-CDMA на основе OFDM в будущих сетях 5G.

Список литературы

  1. Zaki, A.I., Hendy, A.A., Badawi, W.K., Badran, E.F. Joint PAPR reduction and sidelobe suppression in NC-OFDM based cognitive radio using wavelet packet and SC techniques, 2019.
  2. Sharma, S., Melvasalo, M., Koivunen, V. Multicarrier DS-CDMA waveforms for joint radar-communication system, 2020.
  3. Besseghier, M., Djebbar, A.B., Kofdis, E. Joint CFO and highly frequency selective channel estimation in FBMC/OQAM systems, 2022.
  4. Bianchi, T., Argenti, F.Analysis of the efects of carrier frequency ofset on flterbank-based MC-CDMA. Glob. Telecommun, 2004.
  5. Van Bolo, I., Espera, T.P., Marquez, R.V., Ambatali, C.D., Bernardo, N.I. Performance evaluation of spread spectrum-based multiple access combined with 5G flter-based multi-carrier waveforms, 2017.
  6. Wang, Z., Fan, S., Rui, Y.CDMA-FMT: A novel multiple access scheme for 5G wireless communications. ,2014.

Интересная статья? Поделись ей с другими: