Зондирование канала
Метод анализа беспроводных сигналов

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

Мотивация и приложения

На производительность мобильной радиосвязи существенно влияет среда распространения радиоволн. [1] Блокировка зданиями и естественными препятствиями создает несколько путей между передатчиком и приемником с различными временными дисперсиями, фазами и затуханиями. В системе с одним входом и одним выходом (SISO) несколько путей распространения могут создавать проблемы для оптимизации сигнала. Однако, основываясь на разработке систем с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), она может повысить пропускную способность канала и улучшить качество обслуживания (QoS) . [2] Для оценки эффективности этих систем с несколькими антеннами необходимо измерение радиосреды. Зондирование канала — это такой метод, который может оценить характеристики канала для моделирования и проектирования антенных решеток. [3]

Постановка проблемы и основы

MIMO-зондирование [4]

В многолучевой системе беспроводной канал зависит от частоты, времени и положения. Поэтому следующие параметры описывают канал: [2]

Чтобы охарактеризовать путь распространения между каждым элементом передатчика и каждым элементом приемника, инженеры передают широкополосный многотональный тестовый сигнал. Непрерывная периодическая тестовая последовательность передатчика поступает на приемник и коррелируется с исходной последовательностью. Эта импульсоподобная функция автокорреляции называется импульсной характеристикой канала (CIR) . [5] Получив передаточную функцию CIR, мы можем сделать оценку среды канала и улучшить производительность.

Описание существующих подходов

MIMO векторный канальный эхолот

Используя несколько антенн на передатчиках и приемниках, зонд векторного канала MIMO может эффективно собирать данные о направлении распространения на обоих концах соединения и значительно улучшать разрешение параметров множественного пути. [1]

К–Дмодель распространения волн

Модель плоской волны

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

  • Относительная ширина полосы пропускания достаточно мала, поэтому временную задержку можно просто преобразовать в фазовый сдвиг между антеннами.
  • Апертура решетки достаточно мала, поэтому не наблюдается никаких наблюдаемых изменений звездной величины.

На основе таких предположений базовая модель сигнала описывается следующим образом:

час ( α , τ , ψ Р , υ Р , ψ Т , υ Т ) = ∑ п = 1 П γ п δ ( α − α п ) δ ( τ − τ п ) ⋅ δ ( ψ Р − ψ Р п ) δ ( υ Р − υ Р п ) ⋅ δ ( ψ Т − ψ Т п ) δ ( υ Т − υ Т п ) {\displaystyle h(\alpha ,\tau ,\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 прибытия) волнового фронта . - DOA на приемнике и - DOD на передатчике, - доплеровский сдвиг. [1] τ p {\displaystyle \tau _{p}} p {\displaystyle p} ψ R p , υ R p {\displaystyle \psi _{R_{p}},\upsilon _{R_{p}}} ψ T p , υ T p {\displaystyle \psi _{T_{p}},\upsilon _{T_{p}}} α p {\displaystyle \alpha _{p}}

Зондирование каналов сверхширокополосного MIMO в реальном времени

Более высокая полоса пропускания для измерения канала является целью для будущих устройств зондирования. Новый канальный зонд UWB в реальном времени может измерять канал в более широкой полосе пропускания от почти нуля до 5 ГГц. Канальное зондирование UWB MIMO в реальном времени значительно повышает точность локализации и обнаружения, что облегчает точное отслеживание мобильных устройств. [6]

Сигнал возбуждения

В качестве возбуждающего сигнала выбран многотональный сигнал.

x ( t ) = ∑ k = − N c / 2 N c / 2 − 1 sin ⁡ ( 2 π ( f c + k ⋅ Δ f ) ⋅ t + θ k ) {\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, ( — ширина полосы пропускания, — количество мультитонов), — интервал между тонами, — фаза тона . мы можем получить с помощью f c {\displaystyle f_{c}} Δ f = B / N c {\displaystyle \Delta f=B/N_{c}} B {\displaystyle B} N c {\displaystyle N_{c}} θ k {\displaystyle \theta _{k}} k t h {\displaystyle k^{th}} θ k {\displaystyle \theta _{k}}

θ k = ( π ⋅ k ) 2 N c / 2 {\displaystyle \theta _{k}={{(\pi \cdot k)}^{2} \over N_{c}/2}}

Постобработка данных

РАСК ЗОНДИРОВАНИЕ. - максимальная частота Доплера. - максимальная длительность импульсного отклика, а S - расширение канала (красный прямоугольник на рисунке). [4] α m a x {\displaystyle \alpha _{max}} τ m a x {\displaystyle \tau _{max}}
  1. Выполняется ДПФ по K-1 (один сигнал потерян из-за переключения массива) сигналам, измеренным в каждом канале (K: сигналов на канал).
  2. Выборки частотной области на многотональных частотах выбираются для каждой выборки. ( K − 1 ) t h {\displaystyle (K-1)^{th}}
  3. Оценочная передаточная функция канала получается следующим образом: H ^ ( f ) {\displaystyle {\hat {H}}(f)}

H ^ ( f ) = X r e f ( f ) ∗ ⋅ Y ( f ) | X r e f ( f ) | 2 + c ⋅ σ ^ N 2 ( 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 σ ^ N 2 ( f ) {\displaystyle {\hat {\sigma }}_{N}^{2}(f)} X r e f ( f ) {\displaystyle X_{ref}(f)} Y ( f ) {\displaystyle Y(f)}

c = σ ¯ r e f 2 m a x ( σ ¯ Y 2 − σ ¯ N 2 ) , σ ¯ N 2 {\displaystyle c={{\bar {\sigma }}_{ref}^{2} \over max{({\bar {\sigma }}_{Y}^{2}}-{\bar {\sigma }}_{N}^{2}),{\bar {\sigma }}_{N}^{2}}}

Эхолот канала RUSK

Звуковой зонд RUSK-канала возбуждает все частоты одновременно, так что частотная характеристика всех частот может быть измерена. Тестовый сигнал является периодическим во времени с периодом . Период должен быть больше, чем длительность импульсной характеристики канала , чтобы захватить все задержанные многолучевые компоненты на приемнике. На рисунке показана типичная импульсная характеристика канала (CIR) для звукового зонда RUSK. Вводится вторичная временная переменная, так что CIR является функцией времени задержки и времени наблюдения . Спектр задержки-Доплера получается путем преобразования Фурье. [4] t p {\displaystyle t_{p}} τ m a x {\displaystyle \tau _{max}} τ {\displaystyle \tau } t {\displaystyle t}

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Тома, RS; Хампике, D.; Рихтер, A.; Зоммеркорн, G.; Траутвайн, U (2001). «Измерение зондирующего устройства векторного канала MIMO для оценки системы интеллектуальной антенны». European Transactions on Telecommunications . 12 (5): 427– 438. doi :10.1002/ett.4460120508.
  2. ^ Аб Беллони, Фабио. «Зондирование канала» (PDF) .
  3. ^ Лоренсон, Д.; Грант, П. (сентябрь 2006 г.). Обзор методов зондирования радиоканалов (PDF) . EUSIPCO . ISSN  2219-5491.
  4. ^ abc "RUSK MIMO Data Sheet" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-12-22.
  5. ^ Тома, Р. С.; Ландманн, М.; Зоммеркорн, Г.; Рихтер, А. (май 2004 г.). Многомерное зондирование каналов с высоким разрешением в мобильной радиосвязи . IMTC. Том 1. С.  257–262 . doi :10.1109/IMTC.2004.1351040.
  6. ^ Сангодойин, С.; Салми, Дж.; Ниранджаян, С.; Молиш, А.Ф. (март 2012 г.). Зондирование сверхширокополосного MIMO-канала в реальном времени (PDF) . ЕСКАП. стр.  2303–2307 . doi :10.1109/EuCAP.2012.6206288.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Channel_sounding&oldid=1255564053"