УДК 621:681 ББК 32.97

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОКАНАЛА MIMO НА ЕГО ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ

В.И. СЛЮСАР (д.т.н., профессор), Н.А. МАСЕСОВ (к.т.н.),С.В. ФЕЩЕНКО

Центральный научно-исследовательский институт вооружения и военной техники Вооруженных Сил Украины, Военный институт телекоммуникаций и информатизации Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт ", г. Киев, Украина)

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ Материалы Международной научно-технической конференции ИСТ-2010

В условиях широкого применения и информационной насыщенности современных телекоммуникационных радиосистем специального назначения остро стоят вопросы выполнения возлагающихся на них требований. Постоянная модернизация, развитие и создание новых средств радиосвязи и станций специального назначения являются актуальными задачами, решение которых невозможно без использования современных информационных технологий. В ряде работ отечественных и зарубежных авторов достаточно полно описаны принципы обработки цифровых сигналов с применением технологии ;множественный вход множественный выход; (MIMO), а также обоснованы их схемотехнические решения. Однако в них полагалось, что при детектировании информационных символов матрица Н радиоканала точно известна в приемнике. На практике матрица канала измеряется в процессе передачи, и неизбежные погрешности измерения влияют на характеристики MIMO-системы связи. В докладе представлены результаты исследований взаимосвязи задач измерения характеристик радиоканала и передачи информации по нему.

Среди известных методов оценки характеристик радиоканалов предлагается использовать метод оценки матрицы Н радиоканала с помощью тестирующих сигналов. Так как значения элементов матрицы канала быстро изменяются во времени и зависят от частоты, что проявляется в условиях радиоэлектронного противодействия, применяется модуляция, связанная с пилот-символами (PSAM - Pilot Symbol Assisted Modulation). При этом тестирующие пилот-символы вставляются периодически между информационными символами во время передачи блока.

Рассмотрим, к чему приводит неточное знание матрицы канала в приемнике, на простом примере канала с плоской частотной характеристикой. Используемую в приемнике при обработке сигнала матрицу канала Н удобно записать в виде:

где- точное значение матрицы канала, неизвестное в приемнике; - погрешность оценки матрицы. При точно известной матрице канала MIMO-система эквивалентна Nt отдельным независимым пространственным подканалам. Коэффициентыпередачи по мощностиэтих подканалов определяются собственными значениями матрицыНо такое идеальное разделение пространственных подканалов становится невозможным, если матрица канала Но неизвестна точно. Тогда отдельные пространственные подканалы становятся связанными между собой и сигнал из одного подканала попадает в другой. Возникают взаимные помехи, дополнительный шум, уменьшающий скорость передачи информации. Для уменьшения взаимных помех следует увеличивать точность измерений и, следовательно, увеличивать длительность тестирующего сигнала и время измерения. Однако при увеличении длительности интервала измерения неизбежно уменьшится время передачи информации. Таким образом, при выборе длительности тестирующего сигнала следует идти на компромисс между обеспечением достаточной точности измерений и сокращением времени передачи информации. Приведем некоторые количественные соотношения, которые могут быть использованы при выборе оптимальной длительности тестирующего сигнала. Запишем погрешность измерения элементов матрицы канала (дисперсию о H элементом матрицы АН в (1)) в виде

В (2) записано, что дисперсия о H элементов матрицы АН пропорциональна дисперсии о²

шума в приемной антенне и обратно пропорциональна времени измерения Т_изм и мощности излучения Р при измерении. Величина Т_изм - безразмерная величина, равная доли общего времени, за

траченной на измерения. Величина Р/Nt - это мощность, направляемая в одну из Ntантенн при измерении. Полагается, что общая мощность Р при измерении остается такой же, как и при передаче информации. Безразмерный коэффициент А характеризует уменьшение влияния шума за счет эффекта накопления при измерении. Более строго, как видно из (2), этот коэффициент равен:

при Nt=1, Т_изм=1, Р=1 То есть коэффициент d равен отношению погрешности измерения элемента матрицы к дисперсии шума при условии, что все время, отведенное на передачу блока, тратится на измерения (Т_изм = 1), что мощность излучения равна 1 (Р = 1), и вся она направляется в одну антенну (N1 = 1).

Используем следующие простые формулы для среднего значения коэффициентов передачи мощности между различными пространственными каналамии учета взаимных помех:

Среднее значение коэффициента передачи мощности собственного пространственного канала обозначенное при учете погрешности можно подсчитать по формуле

При малой погрешности измерений, а именно только такой случай представляет интерес на практике, приведенные формулы упрощаются:

Следовательно, при расчете пропускной способности нужно к собственному шуму каждого пространственного канала добавить шум, обусловленный взаимными помехами. Дисперсия этого шума равна:

В выражении (3) учтено, что мощность сигнала в каждом из Nt пространственных подканалов равна Р/Nt и число соседних каналов равно Nt - 1. Окончательное выражение для пропускной способности с учетом взаимных помех, отношения сигнал/шум SNR) и потерь времени на измерение матрицы канала запишем в виде:

или эквивалентно, с использованием единичной матрицы:

Исследовать выражение (5) на экстремум и найти оптимальное время измерения достаточно сложно. Поэтому было проведено математическое моделирование в пакете MattCad. Из сравнения полученных графиков следует, что измерение матрицы канала приводит к уменьшению пропускной способности, которое особенно значительно как при больших затратах времени на измерение, так и при малых. Однако существуют оптимальные временные затраты на измерение. Определено, что при уменьшенииSNR оптимальное время измерений уменьшается. Полученные результаты применимы также в системе мульти-MIMOпри расчёте оптимального времени измерения матрицы Н для каждой пары абонентов в системе.