Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ШИРОКОПОЛОСНОГО РАДИОДОСТУПА НА БАЗЕ АРХИТЕКТУРЫ SDR
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМОЕ РАДИО 9
1.1 Основные особенности SDR 12
1.2 Принцип работы 14
1.3 Аппаратная часть 16
1.4 Проблемы и решения 18
2 СИСТЕМА КОГНИТИВНОГО РАДИО 20
2.1 Концепция систем когнитивного радио 20
2.2 Система когнитивного радио в данный момент 22
2.3 Свойства систем когнитивного радио 24
2.3.1 Сканирование и анализ спектра 24
2.3.2 Формирование спектра 25
2.4 Архитектура сетей когнитивного радио 27
2.4.1 Межуровневая архитектура сетей когнитивного радио 27
2.4.2. Инфраструктура 29
2.4.3. Ad-hoc архитектура 30
2.4.4. Mesh архитектура 31
2.5 Принципы работы сетей когнитивного радио 33
2.5.1 Принцип работы систем когнитивного радио с использованием базы
данных, содержащей информацию об окружающем радиопространстве 33
2.5.2 Принцип работы систем когнитивного радио с использованием
контрольного канала (Cognitive Pilot Channel, CPC) 34
2.6 Обзор сигналов, используемых в системах когнитивного радио 37
3 СИГНАЛЬНО-КОДОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В
СИСТЕМАХ КОГНИТИВНОГО РАДИО 39
3.1 OFDM 39
3.1.1 Принцип OFDM 41
3.1.2 Ортогональность частот 44
3.1.3 Циклический префикс 47
3.1.4 Кодирование символов в OFDM-модуляции 48
3.1.5 Плюсы применение OFDM в системах когнитивного радио 49
3.1.5.1 Формирование спектра 49
3.1.5.2 Адаптация к окружающей среде 50
3.1.5.3 Совместимость 50
3.1.6 Проблемы применением OFDM в системах когнитивного радио 51
3.1.6.1 Взаимная интерференция (помехи) 52
3.2 NOSEFDM 53
3.2.1. Временные и спектральные характеристики случайных
последовательностей сигналов с NOSEFDM 56
3.2.1.1 Аналитическое представление случайных
последовательностей сигналов с NOSEFDM 56
3.2.1.2. Спектральные характеристики сигналов с NOSEFDM 58
3.2.2 Частотный план расположения сигналов на поднесущих частотах 60
3.3 Системы со многими несущими, основанные на банках фильтров FBMC . 65
3.3.1 SMT Многотональные сигналы со сдвигом квадратурных компонент 67
3.3.2 CMT Косинус-модулированные многотональные сигналы 69
4 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ 73
4.1 Спектральные характеристики OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM сигналов 74
4.2 Спектральные характеристики OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM сигналов
при ширине спектра в 20МГц 79
4.3 Спектральные характеристики сигналов с OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM,
при обнулении поднесущих 80
4.4 Спектральные характеристики сигналов с OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM,
при формировании минимально возможной пустой области в спектре 85
5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДОВ
ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ SDR 93
6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 93
6.1 Планирование работ по исследованию 93
6.2 Расчет расходов на оплату труда на исследование 95
6.3 Расчет продолжительности исследования 96
6.4 Расчет стоимости расходных материалов 97
6.5 Расчет сметы расходов на исследование 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 102
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМОЕ РАДИО 9
1.1 Основные особенности SDR 12
1.2 Принцип работы 14
1.3 Аппаратная часть 16
1.4 Проблемы и решения 18
2 СИСТЕМА КОГНИТИВНОГО РАДИО 20
2.1 Концепция систем когнитивного радио 20
2.2 Система когнитивного радио в данный момент 22
2.3 Свойства систем когнитивного радио 24
2.3.1 Сканирование и анализ спектра 24
2.3.2 Формирование спектра 25
2.4 Архитектура сетей когнитивного радио 27
2.4.1 Межуровневая архитектура сетей когнитивного радио 27
2.4.2. Инфраструктура 29
2.4.3. Ad-hoc архитектура 30
2.4.4. Mesh архитектура 31
2.5 Принципы работы сетей когнитивного радио 33
2.5.1 Принцип работы систем когнитивного радио с использованием базы
данных, содержащей информацию об окружающем радиопространстве 33
2.5.2 Принцип работы систем когнитивного радио с использованием
контрольного канала (Cognitive Pilot Channel, CPC) 34
2.6 Обзор сигналов, используемых в системах когнитивного радио 37
3 СИГНАЛЬНО-КОДОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В
СИСТЕМАХ КОГНИТИВНОГО РАДИО 39
3.1 OFDM 39
3.1.1 Принцип OFDM 41
3.1.2 Ортогональность частот 44
3.1.3 Циклический префикс 47
3.1.4 Кодирование символов в OFDM-модуляции 48
3.1.5 Плюсы применение OFDM в системах когнитивного радио 49
3.1.5.1 Формирование спектра 49
3.1.5.2 Адаптация к окружающей среде 50
3.1.5.3 Совместимость 50
3.1.6 Проблемы применением OFDM в системах когнитивного радио 51
3.1.6.1 Взаимная интерференция (помехи) 52
3.2 NOSEFDM 53
3.2.1. Временные и спектральные характеристики случайных
последовательностей сигналов с NOSEFDM 56
3.2.1.1 Аналитическое представление случайных
последовательностей сигналов с NOSEFDM 56
3.2.1.2. Спектральные характеристики сигналов с NOSEFDM 58
3.2.2 Частотный план расположения сигналов на поднесущих частотах 60
3.3 Системы со многими несущими, основанные на банках фильтров FBMC . 65
3.3.1 SMT Многотональные сигналы со сдвигом квадратурных компонент 67
3.3.2 CMT Косинус-модулированные многотональные сигналы 69
4 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ 73
4.1 Спектральные характеристики OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM сигналов 74
4.2 Спектральные характеристики OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM сигналов
при ширине спектра в 20МГц 79
4.3 Спектральные характеристики сигналов с OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM,
при обнулении поднесущих 80
4.4 Спектральные характеристики сигналов с OFDM, CMT, SMT и NOSEFDM,
при формировании минимально возможной пустой области в спектре 85
5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДОВ
ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ SDR 93
6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 93
6.1 Планирование работ по исследованию 93
6.2 Расчет расходов на оплату труда на исследование 95
6.3 Расчет продолжительности исследования 96
6.4 Расчет стоимости расходных материалов 97
6.5 Расчет сметы расходов на исследование 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 102
Интенсивное развитие беспроводных технологий доступа к информационным ресурсам на сегодняшний день привело к тому, что радиочастотный ресурс для них практически исчерпан. В связи с этим все более актуальной становиться проблема повышения спектральной эффективности современных беспроводных технологий связи для обеспечения высокоскоростного доступа к информационным и медиа услугам [1].
Значительно повысить эффективность использования спектра позволяет механизм динамического управления спектром, согласно которому вторичным пользователям (не закрепленным за данным частотным диапазоном) предоставляется возможность использовать диапазоны первичных пользователей (закрепленных за данным диапазоном) на время, пока этот диапазон не используется первичным пользователем. На сегодняшний день подобную технологию реализуют системы связи с программируемыми параметрами (Soft Defined Ra¬dio SDR), которые ввиду своей гибкой архитектуры могут обеспечивать многократную перестройку передатчика за сеанс связи. Дальнейшее развития техно-логия SDR получила сравнительно недавно, когда было предложено интегрировать интеллектуальный модуль в структуры SDR приемо-передатчика, который оценивает параметры канала связи и электромагнитную обстановку в регионе и принимает решение о выборе оптимальных параметров для передачи информации (несущая частота, ширина рабочей полосы, скорость, вид кодирования и т.п.). Такая технология получила название когнитивного радио (Cognitive Radio System CRS). Системы когнитивного радио имеют достаточно широкие возможности в плане передачи информации и основные из них это выбор оптимальной сигнально-кодовой конструкции с точки зрения спектральной эффективности и помехоустойчивости. На сегодняшний день разработано несколько вариантов сигнально-кодовых конструкций являющихся модификациями классической технологии ортогонального частотного мультиплексирования с разделением (OFDM). Наибольшее распространение получили такие системы как CMT (Cosine modulated multitone - косинус-модулированные многотональные сигналы), SMT (Staggered modulated multitone- многотональные сигналы со сдвигом квадратурных компонент), NOSEFDM (Non Orthogonal Spectral Efficient Frequency Division Multiplexing - спектрально-эффективные сигналы с частотным мультиплексированием и не ортогональным разносом частот). Интерес к этим технологиям вызван тем, что данные сигналы обладают почти потенциальной спектральной эффективностью и имеют хорошие показатели помехоустойчивости.
Таким образом, выпускная квалификационная работа, в которой проводиться сравнительный анализ обозначенных выше сигнально-кодовых конструкций с позиций спектральной эффективности, уровня локализации энергии сигнала в частотной плоскости и помехоустойчивости представляется актуальной.
Целью работы является исследование спектральной эффективности и помехоустойчивости методов формирования сигналов в системах широкополосного радиодоступа на базе архитектуры SDR.
Для достижения данной цели в исследовании были поставлены следующие задачи.
• выполнить аналитический обзор литературных источников по системам SDR и CRS;
• провести обзор сигнально-кодовых конструкций, используемых в системах широкополосного радиодоступа на базе SDR;
• провести сравнительную оценку спектральной эффективности сигналов с помощью имитационного моделирования;
• провести сравнительную оценку уровня спада боковых лепестков спектра сигнала с помощью компьютерного моделирования;
• выполнить экономическую оценку исследования.
Данная выпускная квалификационная работа состоит из 5 разделов, посвященных решению поставленных задач. Работа изложена на 104 странице машинописного текста, имеет графическую часть, введение, заключение и список использованных источников. Выпускная квалификационная работа содержит 49 рисунков, 9 таблиц.
Значительно повысить эффективность использования спектра позволяет механизм динамического управления спектром, согласно которому вторичным пользователям (не закрепленным за данным частотным диапазоном) предоставляется возможность использовать диапазоны первичных пользователей (закрепленных за данным диапазоном) на время, пока этот диапазон не используется первичным пользователем. На сегодняшний день подобную технологию реализуют системы связи с программируемыми параметрами (Soft Defined Ra¬dio SDR), которые ввиду своей гибкой архитектуры могут обеспечивать многократную перестройку передатчика за сеанс связи. Дальнейшее развития техно-логия SDR получила сравнительно недавно, когда было предложено интегрировать интеллектуальный модуль в структуры SDR приемо-передатчика, который оценивает параметры канала связи и электромагнитную обстановку в регионе и принимает решение о выборе оптимальных параметров для передачи информации (несущая частота, ширина рабочей полосы, скорость, вид кодирования и т.п.). Такая технология получила название когнитивного радио (Cognitive Radio System CRS). Системы когнитивного радио имеют достаточно широкие возможности в плане передачи информации и основные из них это выбор оптимальной сигнально-кодовой конструкции с точки зрения спектральной эффективности и помехоустойчивости. На сегодняшний день разработано несколько вариантов сигнально-кодовых конструкций являющихся модификациями классической технологии ортогонального частотного мультиплексирования с разделением (OFDM). Наибольшее распространение получили такие системы как CMT (Cosine modulated multitone - косинус-модулированные многотональные сигналы), SMT (Staggered modulated multitone- многотональные сигналы со сдвигом квадратурных компонент), NOSEFDM (Non Orthogonal Spectral Efficient Frequency Division Multiplexing - спектрально-эффективные сигналы с частотным мультиплексированием и не ортогональным разносом частот). Интерес к этим технологиям вызван тем, что данные сигналы обладают почти потенциальной спектральной эффективностью и имеют хорошие показатели помехоустойчивости.
Таким образом, выпускная квалификационная работа, в которой проводиться сравнительный анализ обозначенных выше сигнально-кодовых конструкций с позиций спектральной эффективности, уровня локализации энергии сигнала в частотной плоскости и помехоустойчивости представляется актуальной.
Целью работы является исследование спектральной эффективности и помехоустойчивости методов формирования сигналов в системах широкополосного радиодоступа на базе архитектуры SDR.
Для достижения данной цели в исследовании были поставлены следующие задачи.
• выполнить аналитический обзор литературных источников по системам SDR и CRS;
• провести обзор сигнально-кодовых конструкций, используемых в системах широкополосного радиодоступа на базе SDR;
• провести сравнительную оценку спектральной эффективности сигналов с помощью имитационного моделирования;
• провести сравнительную оценку уровня спада боковых лепестков спектра сигнала с помощью компьютерного моделирования;
• выполнить экономическую оценку исследования.
Данная выпускная квалификационная работа состоит из 5 разделов, посвященных решению поставленных задач. Работа изложена на 104 странице машинописного текста, имеет графическую часть, введение, заключение и список использованных источников. Выпускная квалификационная работа содержит 49 рисунков, 9 таблиц.
В ходе выпускной квалификационной работы была достигнута цель по исследование спектральной эффективности и помехоустойчивости сигналов в системах широкополосного радиодоступа на базе архитектуры SDR, все задачи выполнены в полном объёме.
В ходе работы было выявлено, что сигналы с OFDM не подходят для работы в системах широкополосного доступа на базе SDR, из-за того что не эффективно используют спектр, вследствие высокого уровня БЛ. По результатам исследования OFDM сигнал имеет самые плохие спектральные характеристики, но его помехоустойчивость, относительно других сигналов, является самой лучшей. Указанные недостатки сигналов OFDM, при его использовании в системах когнитивного радио на базе SDR, не позволяют говорить об удовлетворительном решении проблемы эффективного использования имеющегося частотного ресурса радиосредствами.
Сигнал с NOSEFDM во всех исследования спектральной эффективности показал наилучшие результаты среди других сигналов, уступив лишь 0.5 дБ при 10-6в помехоустойчивости сигналу c OFDM.
По спектральной эффективности и помехоустойчивостью с незначительным ухудшением относительно сигналов с NOSEFDM идут сигналы, основанные на баки фильтров FBMC: CMT и SMT. В ходе исследования данные сигналы показывали примерно равные результаты по спектральной эффективности и помехоустойчивости, стоит отметить, что сигналы с CMT были всегда немного лучше сигналов с SMT, но не более чем на 10%
По результатам исследования сигналы с NOSEFDM и CMT лучше всего подходят для формирования сигнала в системах на базе архитектуры SDR, поскольку различия между эти сигналами в различных показателях не значительны, при выборе того или иного сигнала, надо исходит из возможности реализации на определённой элементной базе.
В ходе работы было выявлено, что сигналы с OFDM не подходят для работы в системах широкополосного доступа на базе SDR, из-за того что не эффективно используют спектр, вследствие высокого уровня БЛ. По результатам исследования OFDM сигнал имеет самые плохие спектральные характеристики, но его помехоустойчивость, относительно других сигналов, является самой лучшей. Указанные недостатки сигналов OFDM, при его использовании в системах когнитивного радио на базе SDR, не позволяют говорить об удовлетворительном решении проблемы эффективного использования имеющегося частотного ресурса радиосредствами.
Сигнал с NOSEFDM во всех исследования спектральной эффективности показал наилучшие результаты среди других сигналов, уступив лишь 0.5 дБ при 10-6в помехоустойчивости сигналу c OFDM.
По спектральной эффективности и помехоустойчивостью с незначительным ухудшением относительно сигналов с NOSEFDM идут сигналы, основанные на баки фильтров FBMC: CMT и SMT. В ходе исследования данные сигналы показывали примерно равные результаты по спектральной эффективности и помехоустойчивости, стоит отметить, что сигналы с CMT были всегда немного лучше сигналов с SMT, но не более чем на 10%
По результатам исследования сигналы с NOSEFDM и CMT лучше всего подходят для формирования сигнала в системах на базе архитектуры SDR, поскольку различия между эти сигналами в различных показателях не значительны, при выборе того или иного сигнала, надо исходит из возможности реализации на определённой элементной базе.