OFDM-сигналы в телекоммуникационных системах беспроводной передачи данных



В данной работе рассматривается текущее состояние ряда протоколов беспроводной связи, даётся оценка перспективам их применения и предлагаются варианты актуальных направлений исследований по обеспечению защиты информации в беспроводных сетях.

Ключевые слова: OFDM-сигналы, пилот-сигналы, проектирование NGN, технологии MIMO, каналы с многолучевым распространением сигнала.

На сегодняшний день большое развитие в области передачи данных получили беспроводные сети — сети радиосвязи. Это связано с удобством их использования, экономичностью и приемлемой пропускной способностью. Исходя из текущей динамики развития инфокоммуникационных систем, следует, что по количеству и распространенности беспроводные сети в скором времени превзойдут проводные сети. Эта динамика непосредственным образом влияет на требования к защите информации в беспроводных сетях.

Одним из наиболее перспективных методов построения надежных и высокоскоростных систем связи является использование сигналов OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing — ортогональное частотное разделение подканалов). Сигналы OFDM широко используются при передаче данных в условиях многолучевого распространения, это позволяет решить проблемы межсимвольной интерференции (МСИ) и частотно-селективных замираний (ЧСЗ). При этом эффективно используется выделенная полоса частот канала и сохраняется высокая скорость передачи информации. Для обеспечения высокой эффективности передачи в первую очередь требуется обнаружить сигнал сигналы OFDM [1–5].

Для разработчиков цифровых телевизионных систем, а также специалистов в области цифровых систем синхронизации и систем передачи информации. Особенностью OFDM-систем является применение БПФ, что позволяет разбить данные на множество независимых потоков, передаваемых параллельно по большому числу ортогональных. Во временной области поток данных делится на отрезки некоторой длины (OFDM-символы), содержащие в качестве префикса специальный защитный интервал. Из определенного числа OFDM- символов формируются кадры, которые, в свою очередь, образуют суперкадры. Помимо информационных данных в символах передаются служебные данные о режиме работы, а также заранее известные на приемной стороне — пилот-сигналы. Они служат для оценки качества канала передачи и синхронизации приемопередающего оборудования. Значения параметров в этих ячейках, тщательно выбираются в целях оптимизации характеристик системы, особенно синхронизации и надежности приёма сигнала [1–5].

Применение в составе OFDM-сигнала большого набора поднесущих частот определяет такие его свойства, как высокая потенциальная помехоустойчивость, эффективность использования частотного спектра, простота реализации технических решений методами цифровой обработки. Влияние многолучевого распространения сигнала учитывается при обработке путем введения защитного интервала, длительности которого больше, чем предполагаемое запаздывание копий сигнала.

На протяжении защитного интервала сигнал продолжается, повторяясь во времени, поэтому операцию введения защитного интервала часто называют образованием циклического префикса. Этот интервал позволяет исключить искажения сигнала, вызванные многолучевым распространением в канале связи, т. е. устранить влияние запаздывающих копий предыдущего символа на обработку текущего информационного символа. Чтобы надлежащим образом осуществить демодуляцию сигнала, приемные устройства должны произвести его выборку во время полезного периода символа. Помехоустойчивое кодирование введено в систему для устранения влияния частотных селективных замираний в радиоканале, в результате чего отношение сигнал/шум на разных несущих различается. Природа таких замираний связана с интерференцией сигналов прямого и отраженного лучей на одной и той же несущей частоте. При нарушении временной и частотной синхронизаций снижается качество изображения и звука, воспроизводимого телевизионной системой. В связи с этим необходимо проанализировать и скорректировать принятый сигнал. Для демодуляции OFDM-сигнала с минимальным числом ошибок приемные устройства должны выделить полезные части OFDM-символов без защитных интервалов, а также настроиться на несущую частоту спектра, поэтому необходима синхронизация в работе передатчика и приемника. И для этой цели используются пилот-сигналы, именуемые иногда «пилотами» [1–5].

Одной из первостепенных задач OFDM-системы является повышение эффективности использования OFDM-сигнала в системах радиосвязи и радиовещания на основе разработки и исследования алгоритмов оценки и восстановления параметров. Многие вопросы исследуются разработчиками для повышения рабочих характеристик алгоритмов и их аппаратной реализации. Самые сложные и неоднозначные с научной точки зрения алгоритмы в OFDM-системах связаны с синхронизацией. При алгоритмическом подходе к решению задачи синхронизации приемопередающих систем используют защитный интервал и пилот-сигналы.

Основные практические алгоритмы синхронизации цифровых телевизионных систем построены интуитивно, недостаточно исследованы условия их применения, не учтено влияние канала передачи. Многие теоретические алгоритмы не имеют прикладного значения, так как их реализация требует знания неизвестных статистических характеристик. Комплекс нерешенных проблем составляет задачу для исследования и построения высокоточной системы синхронизации. Во многих работах по изучению OFDM сигналов в телекоммуникационных системах приведено решение основной и наиболее актуальной научно-технической проблемы цифрового вещания — разработки рациональной структуры схемы синхронизации, имеющей прикладное значение и универсальной по условиям применения.

Одним из наиболее эффективных способов передачи информации в каналах с многолучевым распространением сигналов (например, коротковолновом (КВ) канале) является использование OFDM-систем. Применение в системах передачи цифровой информации сигналов OFDM позволяет решить проблему межсимвольной интерференции (МСИ) за счет разделения высокоскоростного потока данных на несколько десятков (сотен, тысяч) низкоскоростных потоков и введения циклического префикса. Величина частотного интервала между поднесущими Δf выбирается минимальной и равной частоте 1/T. Наличие многих несущих с минимальным частотным разносом приводит к тому, что форма спектра результирующего сигнала становится близкой к прямоугольной. Таким образом, эффективно используется выделенная полоса частот канала и сохраняется высокая скорость передачи полезной информации [1–5].

Развитие технологий мобильных устройств, беспроводных локальных сетей (WLAN) и стремительный рост Интернет вызывают всё возрастающую потребность в увеличении ёмкости мобильных сетей. Возникает потребность во всё большей интеграции сотовых сетей с сетями передачи данных, например GPRS в GSM сетях, а также сети 3G и 4G. Однако существующие технологии не могут удовлетворить новых потребностей по ёмкости сети, скорости передачи и стоимости услуг. OFDM — ортогональное частотное мультиплексирование — это схема модуляции, которая позволяет быстро и эффективно передавать данные даже в каналах с многолучевым распространением сигнала. Передача ведется одновременно на большом количестве несущих частот. Эти несущие имеют небольшое разнесение по частоте и их спектры образуют групповой спектр OFDM сигнала.

Использование технологий ортогонального частотного (OFDM) и пространственного (MIMO) разнесения в современных беспроводных системах связи широкополосного доступа позволяет достичь увеличения информационной эффективности в условиях многолучевого распространения сигнала и, как следствие, повысить помехоустойчивость рассматриваемых систем. При этом значительное влияние на эффективность помехоустойчивого приема в условиях частотной и временной избирательности каналов оказывает точность фазовой синхронизации и оценивания канальных характеристик.

Существующие подходы к моделированию сигнала и оцениванию его параметров имеют либо высокую вычислительную сложность, либо недостаточную точность для использования в MIMO-OFDM системах, характеризующимися высокой чувствительностью к ошибкам синхронизации и оценивания.

Математическая модель MIMO-OFDM сигнала, учитывающая частотную и временную избирательность канала связи и условие неполной синхронизации, установленной в приемнике, позволяет повысить точность оценивания коэффициентов передачи канала и смещения частоты несущей на приемной стороне. В результате сравнительного анализа представленных алгоритмов в многолучевых каналах были сделаны выводы о точности получаемых оценок смещения несущей частоты и о возможностях практического применения подобных методов в системах с OFDM.

Литература:

1. Блаунштейн Н. Ш. Иерархия размещения фемто, пико, макросот в городской среде с плотным расположением абонентов, находящихся внутри и вне помещения // Информационно-управляющие системы. — № 4. — 2013.
2. Лемме Д. В. Характеристики передачи сигналов OFDM в многолучевых каналах / Д. В. Лемме // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии № 2 (30) — 2015.
3. Семенов О. Ю. Взаимодействие систем сигнализации R1.5 и R2 в сетях связи / XXII Международная научно-практическая конференция «Вопросы современных научных исследований». — Вестник современных исследований. — 2018, № 4–2 (19), с 299–304.
4. Семенов О. Ю. Организация связи передачи данных в SCADA-системе с нижним уровнем в автоматизированной системе управления технологического процесса / Давлетов Р. Р., Семенов О. Ю. // IV Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века», СурГУ, 29–30 ноября 2017г.
5. Rafael M. F. OFDM System Implementation in DSP Platform TMS320C6678 / Rafael M. F., Taufik A. // Journal of Computer and Communications, 2016, 4, p. 26–36.