Зондирование канала

Зондирование каналов - это метод оценки радиосреды для беспроводной связи, особенно систем MIMO . Из-за влияния местности и препятствий беспроводные сигналы распространяются по нескольким путям ( эффект многолучевого распространения ). Чтобы минимизировать или использовать эффект многолучевого распространения, инженеры используют зондирование канала для обработки многомерного пространственно-временного сигнала и оценки характеристик канала. Это помогает моделировать и проектировать беспроводные системы.

Мотивация и приложения

На качество мобильной радиосвязи в значительной степени влияет среда распространения радиоволн. ^[1] Блокирование зданиями и естественными препятствиями создает множество путей между передатчиком и приемником с разными временными отклонениями, фазами и затуханиями. В системе с одним входом и одним выходом (SISO) несколько путей распространения могут создавать проблемы для оптимизации сигнала. Однако, благодаря развитию систем с множеством входов и множеством выходов (MIMO), он может увеличить пропускную способность канала и улучшить QoS . ^[2]Чтобы оценить эффективность этих систем с множеством антенн, необходимо измерение радиосреды. Зондирование каналов - это такой метод, который позволяет оценить характеристики канала для моделирования и проектирования антенных решеток. ^[3]

Постановка проблемы и основы

Зондирование MIMO ^[4]

В системе с многолучевым распространением беспроводной канал зависит от частоты, времени и положения. Таким образом, следующие параметры описывают канал: ^[2]

• Направление отправления (DOD)
• Направление прибытия (DOA)
• Временная задержка
• Доплеровский сдвиг
• Матрица весовых коэффициентов комплексных поляриметрических путей

Чтобы определить путь распространения между каждым элементом передатчика и каждым элементом приемника, инженеры передают широкополосный многотональный тестовый сигнал. Непрерывная периодическая тестовая последовательность передатчика поступает в приемник и соотносится с исходной последовательностью. Эта импульсная функция автокорреляции называется импульсной характеристикой канала (CIR) . ^[5] Получив передаточную функцию CIR, мы можем оценить среду канала и улучшить производительность.

Описание существующих подходов

Эхолот MIMO Vector Channel

Основанный на множестве антенн как на передатчиках, так и на приемниках, эхолот с векторным каналом MIMO может эффективно определять направление распространения на обоих концах соединения и значительно улучшать разрешение параметров множественного тракта. ^[1]

КД модель распространения волн ^[1]

Модель плоской волны

Инженеры моделируют распространение волн как конечную сумму дискретных, локально плоских волн вместо модели трассировки лучей. Это сокращает объем вычислений и снижает требования к знаниям оптики. Волны между передатчиками и приемниками считаются плоскими. Два других важных предположения:

• Относительная полоса пропускания достаточно мала, поэтому временную задержку можно просто преобразовать в фазовый сдвиг между антеннами.
• Апертура решетки достаточно мала, чтобы не было заметных изменений величины.

Исходя из таких предположений, базовая модель сигнала описывается как:

${\ Displaystyle час (\ альфа, \ тау, \ psi _ {R}, \ upsilon _ {R}, \ psi _ {T}, \ upsilon _ {T}) = \ sum _ {p = 1} ^ { P} \ gamma _ {p} \ delta (\ alpha - \ alpha _ {p}) \ delta (\ tau - \ tau _ {p}) \ cdot \ delta (\ psi _ {R} - \ psi _ { R_ {p}}) \ delta (\ upsilon _ {R} - \ upsilon _ {R_ {p}}) \ cdot \ delta (\ psi _ {T} - \ psi _ {T_ {p}}) \ delta (\ upsilon _ {T} - \ upsilon _ {T_ {p}})}$

где - TDOA (разница во времени прихода) волнового фронта . являются DOA на приемнике и DOD на передатчике, это доплеровский сдвиг.${\ displaystyle \ tau _ {p}}$${\ displaystyle p}$${\ displaystyle \ psi _ {R_ {p}}, \ upsilon _ {R_ {p}}}$${\ displaystyle \ psi _ {T_ {p}}, \ upsilon _ {T_ {p}}}$${\displaystyle \alpha _{p}}$

Сверхширокополосное зондирование каналов MIMO в реальном времени

Более широкая полоса пропускания для измерения канала - цель будущих зондовых устройств. Новый СШП-эхолот в режиме реального времени может измерять канал в большей полосе частот от нуля до 5 ГГц. Зондирование канала UWB MIMO в реальном времени значительно повышает точность локализации и обнаружения, что облегчает точное отслеживание мобильных устройств. ^[6]

Сигнал возбуждения

В качестве сигнала возбуждения выбран многотональный сигнал.

${\displaystyle x(t)=\sum _{k=-N_{c}/2}^{N_{c}/2-1}\sin(2\pi (f_{c}+k\cdot \Delta f)\cdot t+\theta _{k})}$

где - центральная частота, ( - Полоса пропускания, - Количество мультитонов) - это интервал между тонами, и - это фаза тона. можно получить с помощью${\displaystyle f_{c}}$${\displaystyle \Delta f=B/N_{c}}$${\displaystyle B}$${\displaystyle N_{c}}$${\displaystyle \theta _{k}}$${\displaystyle k^{th}}$${\displaystyle \theta _{k}}$

${\displaystyle \theta _{k}={{(\pi \cdot k)}^{2} \over N_{c}/2}}$

Постобработка данных

РАСКУСНОЕ ЗВУЧЕНИЕ. максимальная доплеровская частота. - максимальная длительность импульсного отклика, а S - разброс канала (красный прямоугольник на рисунке). ^[4]${\displaystyle \alpha _{max}}$${\displaystyle \tau _{max}}$

1. ДПФ по K-1 (одна форма сигнала потеряна из-за переключения массива) выполняется для сигналов, которые измеряются в каждом канале (K: формы сигналов на канал).
2. Выборки частотной области на многотональных частотах выбираются для каждой выборки.${\displaystyle (K-1)^{th}}$
3. Расчетная передаточная функция канала получается следующим образом:${\displaystyle {\hat {H}}(f)}$

${\displaystyle {\hat {H}}(f)={X_{ref}(f)^{*}\cdot Y(f) \over {\left|X_{ref}(f)\right|}^{2}+c\cdot {\hat {\sigma }}_{N}^{2}(f)}}$

где - мощность шума, - опорный сигнал, - выборки. Коэффициент масштабирования c определяется как${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{N}^{2}(f)}$${\displaystyle X_{ref}(f)}$${\displaystyle Y(f)}$

${\displaystyle c={{\bar {\sigma }}_{ref}^{2} \over max{({\bar {\sigma }}_{Y}^{2}}-{\bar {\sigma }}_{N}^{2}),{\bar {\sigma }}_{N}^{2}}}$

Эхолот канала RUSK

Звуковой сигнализатор канала RUSK возбуждает все частоты одновременно, так что можно измерить частотную характеристику всех частот. Тестовый сигнал периодический по времени с периодом . Период должен быть больше, чем длительность импульсной характеристики канала, чтобы захватить все задержанные компоненты многолучевого распространения в приемнике. На рисунке показана типичная импульсная характеристика канала (CIR) для эхолота RUSK. Вводится вторичная временная переменная, так что CIR является функцией времени задержки и времени наблюдения . Спектр Доплера с задержкой получается преобразованием Фурье. ^[4]${\displaystyle t_{p}}$${\displaystyle \tau _{max}}$${\displaystyle \tau }$${\displaystyle t}$

использованная литература