Аналіз методів оцінювання імпульсної характеристики каналу в системах зв’язку з технологією ofdm

Abstract

Communication systems are a key tool in the development of modern society. Technological developments have led to the need for high-speed data exchange in large volumes. Therefore, improvement of the existing and creating new communication systems is an urgent task. One of the most promising technologies for the development of digital communication systems is orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The main advantage of OFDM is its high resistance to multi-path fading. In an urban environment, radio waves are reflected buildings, the signal arrives at the receiver with different delays, which causes intersymbol interference (ISI). OFDM solves this problem by dividing a high-speed data stream into many slow sub streams, each of which is transmitted on a separate, narrow subcarrier frequency. Due to this, the symbols become longer than the delays caused by reflections, which minimizes the impact of ISI. In addition, OFDM provides high spectral efficiency, that is, it enables to transmit more data per unit of frequency band. This is achieved due to the orthogonality of subcarriers, the spectra of which overlap, but do not interfere with each other. This allows to tightly "pack" subcarriers, making the most of the available frequency range. The paper analyzes methods for estimating the impulse response of a communication channel in communication systems using OFDM technology. Assessment of communication channel parameters is an important stage in the operation of OFDM systems, since the number of errors that occur during information transmission depends on the accuracy of the assessment of channel parameters. In particular, the maximum length sequence method (MLS), which does not require a priori information about the channel, and the linear minimum mean square error method (LMMSE), for which it is necessary to know the autocovariance matrix of the channel, are considered. These methods are widely used in practice, but have their drawbacks. The analysis of the effectiveness of the methods was carried out on a model example by statistical modeling. The communication channel was described using the Rayleigh model. The analysis results showed that the MLS method is simple to implement, but demonstrates worse estimation accuracy compared to the LMMSE method. The LMMSE method shows a gain of up to 2 dB compared to the MLS method, but has an order of magnitude higher computational complexity.

Системи зв’язку є ключовим інструментом у розвитку сучасного суспільства. Розвиток технологій зумовлює потребу у високошвидкісному обміні даними у великих обсягах. Тому удосконалення наявних та створення нових систем зв’язку є актуальним завданням. Однією з найперспективніших технологій для розвитку цифрових систем зв’язку є ортогональне частотне мультиплексування (OFDM). Головною перевагою OFDM є його висока стійкість до багатопроменевого поширення сигналу (multi-path fading). У міському середовищі, де радіохвилі відбиваються від будівель, сигнал надходить до приймача з різними затримками, що спричиняє міжсимвольні перешкоди (ISI). OFDM вирішує цю проблему, розділяючи високошвидкісний потік даних на багато повільних підпотоків, кожний з яких передається на окремій, вузькій підносійній частоті. Завдяки цьому, символи стають довшими ніж затримки, спричинені відбиттями, що мінімізує вплив ISI. До того ж OFDM забезпечує високу спектральну ефективність, тобто дозволяє передавати більше даних на одиницю смуги частот. Це досягається завдяки ортогональності підносійних, спектри яких перекриваються, але не заважають один одному. Це дозволяє щільно «упакувати» підносійні, максимально використовуючи доступний частотний діапазон. У роботі проаналізовано методи оцінювання імпульсної характеристики каналу зв’язку в системах зв’язку з технологією OFDM. Оцінювання параметрів каналу зв’язку є важливим етапом в роботі OFDM систем, оскільки від точності оцінки параметрів каналу залежить кількість помилок, яка виникає під час передачі інформації. Зокрема розглянуто метод послідовності максимальної довжини (MLS), який не потребує апріорної інформації про канал, та метод мінімуму середньоквадратичної помилки (LMMSE), для роботи якого необхідно знати автоковаріаційну матрицю каналу. Ці методи широко використовуються на практиці, проте мають свої недоліки. Аналіз ефективності роботи методів проводився на модельному прикладі шляхом статистичного моделювання. Канал зв’язку описувався за моделлю Релея. Результати аналізу показали, що метод MLS простий в реалізації, проте демонструє гіршу точність оцінювання у порівнянні з методом LMMSE. Метод LMMSE показує виграш до 2 дБ в у порівнянні з методом MLS, проте має на порядок вищу обчислювальну складність.