Введение 9
1 Множественный метод на основе разреженных кодов 11
1.1 Структура кодовых книг и символов SCMA 11
1.2 Построение сигнальных созвездий 15
1.3 Алгоритм детектирования 16
2 Технология MIMO 19
2.1 Классификация систем MIMO 19
2.2 Пространственно-временные блочные коды 22
2.3 Ортогональные пространственно-временные блочные коды 23
2.4 Квазиортогональные пространственно-временные блочные коды 25
2.5 Методы декодирования 28
3 Моделирование системы MIMO-OFDM QAM-8 31
3.1 Описание модели 31
3.2 Структура фрейма и STBC 32
3.3 Характеристики канала и его оценка 35
3.4 Модель SISO 36
3.5 Моделирование каналов 37
3.6 Результаты моделирования и их анализ 40
4 Моделирование системы MIMO-SCMA 47
4.1 Модель SCMA 47
4.2 Модель MIMO-SCMA 47
4.3 Результаты моделирования и их анализ 48
Заключение 54
Список использованных источников 55
Приложение А (обязательное) Кодовая книга SCMA 60
Приложение Б (обязательное) Результаты модельных исследований помехоустойчивости систем связи с MIMO-SCMA
С развитием технологий ежегодно растет потребность в большей скорости передачи и объеме трафика. Сейчас идет активное развитие и развертывание беспроводных сетей пятого поколения (5G), которые должны будут обеспечить более высокое качество обслуживания, пропускную способность и низкие задержки.
Помимо услуг сверхширокополосной мобильной связи в сетях нового поколения рассматриваются сценарии массовой межмашинной связи для поддержки «Интернета вещей» (Internet of Things - IoT) [1]. В 2020 году прогнозируется наличие 20-30 миллиардов IoT-устройств [2]. Актуальной является проблема обеспечения высокоплотных соединений и поддержания корректной работы большого числа устройств.
В качестве технологии, призванной решить данную проблему, выбраны методы неортогонального множественного доступа (Non-Orhogonal Multiple Access - NOMA) [3]. Неортогональные методы множественного доступа можно разделить на две группы: с разделением каналов по мощности (Power-Domain NOMA - PD-NOMA) [4] и на основе разреженных кодов (Code Domain-NOMA - CD-NOMA), такие как: SCMA [5], Multi-User Shared Access (MUSA) [6], Pattern Division Multiple Access (PDMA) [7], Interleave Division Multiple Access (IDMA) [8]. SCMA обеспечивает большую помехоустойчивость по сравнению с другими существующими методами [9].
В сетях нового поколения предполагается использовать и другую технологию, повышающую спектральную эффективность, - massive MIMO [10]. MIMO позволяет повысить скорость передачи и/или помехоустойчивость. Объединение данной технологии с SCMA позволит улучшить характеристики систем связи с SCMA по сравнению с подобными одноантенными системами Single Input Single Output (SISO) [11, 12].
Первые статьи по технологии SCMA вышли в 2013 году. С тех пор проводятся активные исследования по развитию данной технологии в разных направлениях. Часть исследований направлена на уменьшение вычислительной сложности алгоритмов детектирования и построение кодовых книг с разными характеристиками помехоустойчивости, другая - на комбинирование SCMA с уже известными технологиями. Так, к SCMA добавляются различные помехоустойчивые коды, в том числе полярное кодирование [13-15], технология MIMO и др.
Большинство статей по теме MIMO-SCMA направлены на увеличение спектральной эффективности за счет применения пространственного мультиплексирования, а также на улучшение алгоритмов детектирования таких систем с помощью совместного детектора или иных методов детектирования [16-19].
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка и исследование метода множественного доступа на основе разреженных кодов в многоантенных системах в нисходящем (Downlink) канале.
Для достижения цели были поставлены основные задачи:
- теоретический анализ литературы по темам SCMA и MIMO;
- разработка модели канала MIMO для квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation - QAM);
- разработка модели SCMA;
- разработка модели MIMO-SCMA;
- исследование помехоустойчивости разработанных моделей.
В ходе выполнения ВКР были получены следующие результаты:
- изучена теория систем связи с SCMA и MIMO;
- разработаны модели MIMO-OFDM QAM-8 и MIMO-SCMA для схемы Аламоути, кода J4, кода QOSTBC-4;
- проведено исследование помехоустойчивости системы связи с MIMO- SCMA для каналов с разными статистическими характеристиками.
В результате исследования помехоустойчивости разработанных моделей был показан выигрыш MIMO-SCMA до 4 дБ для разных моделей каналов по сравнению с SISO-SCMA. Также было выявлено, что модель MIMO-OFDM QAM-8 уступает в помехоустойчивости SISO-SCMA.
Разработанные модели могут быть использованы в учебных целях для исследования помехоустойчивости систем связи с MIMO-OFDM QAM, SCMA, MIMO-SCMA. Помимо этого, полученные результаты могут лечь в основу дальнейших исследований по тематике MIMO-SCMA, стать базой для создания систем связи, имеющих высокие показатели помехоустойчивости и обеспечивающие стабильные высокоплотные соединения.
