Імітаційний метод оцінки завадостійкості

Під аналізом в режимі реального часу мається на увазі, що аналіз даних здійснюється відразу ж після їх збору в тому ж додатку. Якщо програма повинна виконувати якісь дії в залежності від зміни параметрів сигналу, отже, необхідно проводити аналіз даних відразу після отримання. Аналізуючи зміни сигналу, можна змінювати поведінку програми у відповідності з ними, наприклад, зберігати певні дані на диск або міняти частоту оцифровки, а також виконувати функції автоматичного керування. Це лише кілька прикладів, на ділі ж існують тисячі додатків, в яких потрібна та чи інша ступінь “інтелектуальності” і здатності приймати рішення в залежності від різних умов – адаптованості. Все це можна реалізувати тільки шляхом вбудовування алгоритмів аналізу в програму.

Зазвичай рішення, засновані на результатах вимірів, приймаються в автоматичному режимі, тобто в програму вбудовується логіка роботи в певних умовах. Наприклад, система автоматизації на виробництві може включити світлову індикацію, коли температура піднімається вище заданого порогу. Однак автоматичний режим прийняття рішення підходить не для всіх додатків. Дуже часто необхідно особисто контролювати процес виконання програми, щоб уникнути ситуацій, коли користувачі зберігають дані у файли або базу даних, а потім витягують і аналізують їх лише для того, щоб виявити помилки і скоригувати процес збору. У таких випадках застосування повинне надати користувачеві зібрані і оброблені дані в максимально зручному для сприйняття вигляді.

Незалежно від методу аналізу, програми надають користувачеві набори математичних функцій і функцій аналізу, які природним чином взаємодіють з функціями збору даних і відображення інформації. При цьому користувач позбавлений від необхідності конвертації даних з одних форматів в інші, що вимагається при роботі з декількома різними інструментами збору та аналізу даних. Крім цього, є можливість проведення аналізу по точкам – методу, найбільш відповідного для додатків, що працюють в режимі реального часу.

Більшість середовищ розробки не дозволяють вести одночасно і збір даних та їх відображення в одному додатку. Типовий продукт – це або мова програмування загального призначення з мінімумом бібліотек для обробки сигналів, придатний в основному для розробки додатків по збору даних, або середу з величезною кількістю інструментів для аналізу сигналів, але обмеженою підтримкою роботи з обладнанням. У результаті доводиться витрачати час на конвертацію та передачу даних з однієї програми в іншу.

Функції які повинна виконувати програма:

• спектральні вимірювання

• виміри спотворень

• тональні вимірювання

• вимірювання амплітуди та рівня

• вимірювання перехідних процесів

• апроксимація кривих

• статистика

• згортка та кореляційні функції

• імітація та моделювання сигналів

• маскування і обмеження

• згладжування і пере дискретизація

MATLAB, Simulink і продукти для обробки сигналів дозволяють аналізувати сигнали, що надходять з інструментів та інших джерел даних. У цих продуктах реалізовано повноцінне середовище для отримання сигналу, аналізу, обробки, візуалізації і розробки алгоритму. Пропоновані підходи до вирішення завдань легко освоїти: розробник не зобов'язаний бути фахівцем в області цифрової обробки сигналів.

Продукти MathWorks дозволяють отримувати та обробляти сигнали в єдиному середовищі. Сигнали в реальному часі надходять в робоче середовище безпосередньо з підключених осцилографів, генераторів функцій і інших сумісних з персональним комп’ютером апаратних засобів і інструментів для тестування і вимірювань.

За допомогою вбудованих засобів можна проводити аналіз характеристик отриманих сигналів і використовувати різні варіанти візуалізації: графіки у часовій і частотній області, двовимірні та тривимірні графіки, об'ємні уявлення та ін..

Вбудовані бібліотеки дозволяють досліджувати ідеї і тестувати їх реалізацію в системі обробки сигналів. Для цього в них реалізована вся необхідна функціональність: перетворення сигналу, віконні функції, швидкісні і статистичні операції обробки сигналу, методи розробки фільтрів. Завдяки цим бібліотекам стає можливим прискорення ітерацій розробки, оптимізація швидкодії та точності, вибір кращого алгоритму для системи.

Для вирішення складних завдань, які зачіпають різні сфери інженерної діяльності, розробник може застосувати алгоритми обробки зображень, статистики, управління та бібліотеки сучасних чисельних обчислень.

Після розробки алгоритму для цифрової обробки сигналів можна негайно надати його кінцевому користувачеві, не переписуючи код на інші мови програмування.

MATLAB Compiler™ дозволяє створювати з додатків MATLAB незалежні виконувані модулі або спільні бібліотеки. При цьому кінцевий користувач може запускати додаток поза середовища MATLAB. Таким чином можна заощадити час розробника, не переписуючи код алгоритму на інші мови програмування.

Системи зв’язку MATLAB, Simulink і спеціальні інструменти для систем зв’язку надають відкрите розширюване середовище моделювання, взаємозв’язок з обладнанням третіх виробників і засоби для розробки C / C++ і HDL коду.

Інженери працюють в середовищі розробки і моделювання яка:

- Надає великий набір інструментів для розробки алгоритмів і дослідження архітектури виробів

- Дозволяє спільно працювати співробітникам займаються різними напрямками

- Сприяє інтеграції зі старим кодом і обладнанням третіх виробників

- Дозволяє проводити швидку верифікацію моделі і алгоритмів протягом всього циклу розробки

Програма Simulink є додатком до пакету MATLAB. При моделюванні з використанням Simulink реалізується принцип візуального програмування, відповідно до якого, користувач на екрані з бібліотеки стандартних блоків створює модель пристрою і здійснює розрахунки.

При цьому, на відміну від класичних способів моделювання, користувачеві не потрібно досконально вивчати мову програмування і чисельні методи математики, а досить загальних знань потрібних при роботі на комп’ютері ізнань тієї предметної області, в якій він працює.

Simulink є досить самостійним інструментом MATLAB і при роботі з ним зовсім не потрібно знати сам MATLAB і інші його додатки. З іншого боку доступ до функцій MATLAB і іншим його інструментам залишається відкритим і їх можна використовувати в Simulink. Частина входять до складу пакетів які мають інструменти, що вбудовуються в Simulink (наприклад, LTI-Viewer програми Control System Toolbox – пакету для розробки систем управління). Є також додаткові бібліотеки блоків для різних галузей застосування (наприклад, Power System Blockset – моделювання електротехнічних пристроїв, Digital Signal Processing Blockset – набір блоків для розробки цифрових пристроїв і т.д).

При роботі з Simulink користувач має можливість модернізувати бібліотечні блоки, створювати свої власні, а також складати нові бібліотеки блоків.

При моделюванні користувач може вибирати метод розв'язання диференціальних рівнянь, а також спосіб зміни модельного часу (з фіксованим або змінним кроком). У ході моделювання є можливість стежити за процесами, що відбуваються в системі. Для цього використовуються спеціальні пристрої спостереження, які входять до складу бібліотеки Simulink. Результати моделювання можуть бути представлені у вигляді графіків або таблиць.

Перевага Simulink полягає також у тому, що він дозволяє поповнювати бібліотеки блоків за допомогою підпрограм написаних як мовою MATLAB, так і на мовах С, Fortran і Ada.

Практична стійкість передачі інформації в каналах з шумами і перешкодами залежить від вибору канальних сигналів і від типу коригувальних кодів. Завадостійкість каналу передачі від інформаційного потоку на вході до вихідного потоку у споживача інформації зазвичай називають наскрізною. Навіть при простих моделях передачі виникає багато обчислювальних труднощів визначення кривих наскрізний завадостійкості. Особливо великі труднощі при складанні формул розрахунку наскрізних кривих виникають при використанні багатоступеневих каскадних кодів. Для подолання розрахункових труднощів хорошим засобом є моделювання в середовищі MATLAB, Simulink. Особливо цінним є моделювання в середовищі MATLAB, Simulink тому, що крім кривих завадостійкості можна порівнювати вхідні та вихідні потоки інформаційних символів і на основі цього визначати наскрізну завадостійкість. У добавок MATLAB дозволяє перевіряти деякі теоретичні передумови. Якщо в каналі використовувати різні M–ступінчасті каскадні коди і різні канальні сигнали, то отримаємо цілу серію кривих завадостійкості, на основі аналізу яких не так вже й легко вибирати оптимальні варіанти складових компонент.

Імітація моделей каналів передачі розроблялося в середовищі MATLAB за допомогою програмних модулів Simulink, Communication Toolbox і Communication Blockset. Це середовище дозволяє отримати результати моделювання або у вигляді кривих наскрізної завадостійкості (BER від відносини S/M в безперервної частини каналу передачі) шляхом порівняння вхідного і вихідного інформаційних потоків, або у вигляді прямого порівняння результатів (message error). При одноразовому випробуванні моделі результат прямого порівняння є випадковою величиною, але дозволяє при відповідній організації моделювання з'ясувати тонкі аспекти завадостійкості компонентів моделі. Коректність виконання процесів моделювання та отримання результатів для аналізу з допомогою програми MATLAB під сумнів не ставилися. Однак результати моделювання мають певний випадковий характер через кінцевий обсяг даних моделювання.

У даній роботі моделювання в середовищі було проведено наступним чином. Внутрішня модель каналу передачі з модулятором і демодулятором був виконаний за допомогою блоків Telecommunication Blockset в SIMULINK. Додавання завадостійких кодів в структуру виконувалося за допомогою блоків Telecommunication Toolbox в середовищі MATLAB.

Ця модель показує загальний низхідний канал LongTermEvolution (LTE) фізичного рівня (PHY), специфікації, що розроблена 3GPP [1-3, 7]. LTE-Advanced є однією з технологій четвертого покоління (4G) систем зв'язку, затверджених Міжнародним союзом електрозв'язку (МСЕ), з очікуваними швидкостями передачі даних по низхідній лінії понад 1 Гбіт/с (для Release10 і далі). Використовуючи специфікації Release10, цей приклад підкреслює багатоантенну схему передачі, яка дозволяє такі високі швидкості передачі даних.

Використання декількох антен на обох передавачах і приймачах, показує режими конфігурацій антен, в Release 10, 2-на-2 і 4-на-4, що використовують UE категорію 5 параметрів. Режим 4-на-4 дозволяє підняти щвидкість передачі в низхідному каналі до 300 Мбіт. З декількох режимів багатоантенної передачі, зазначених у стандарті, цей приклад використовує мульти-кодову просторово мультиплексовану передачу за допомогою замкнутого контуру кодової книги на основі попереднього кодування.

Ключові компоненти виділені в прикладі включають:

1. Генерацію корисного навантаження змінного розміру.

2. CRC вставки в до блоку Tranport.

3. Кодово-блочна сегментація з кодово-блочною вставкою CRC.

4. Канальне (турбо) кодування.

5. Узгодження швидкості з вибором біт.

6. Скремблювання на рівні бітів

7. Модуляції даних (QPSK, 16QAM або 64QAM).

8. Відображення рівня для двох і чотирьох антен.

9. Попереднє кодування на основі книги кодування.

10. Відображення ресурс-елемента.

11. Генерація OFDM-символів.

На додаток до вищесказаного, приклад моделей, що використовуються:

1. Оцінка каналу нацменших квадрату з інтерполяцією.

2. Мінімальна-середня-квадратна-помилка (MMSE) на основі критеріїв відбору кодової книги, коли індикатор матриці попереднього кодуваня(PMI) зворотнього зв'язку увімкнена.

3. Лінійний приймач MIMO на основі MMSEю

4. Двоступеневийканальний декодер дострокового припинення.

МодельSimulinkвикористовуєкольори, щобвиділитизадачірізнихкомпонентівмоделі:

1. Блокижовтогарячогокольорувідповідаютькомпонентамобробкиканалунизхідноїлініїзв'язку.

2. Блоки світло синьго кольору відповідають моделюванню.

3. Блоки блакитного кольору допомагають у перевірці та візуалізації результатів.

4. Блоки жовтого кольору потрібні для взаємодії з користувачем.

Рис.1.9. Модель низхідного фізичного каналу з просторовим мультиплексуванням стандарту LTE.

Модель використовує частотний дуплекс (FDD) і таким чином використовує радіо фрейм 10 мс, що складається з 10 субфрейм. Кожен субфрейм 1 мс тривалості має два слоти поспіль.Модель Simulink обробляє один субфрейм за такт.

Рис.1.10. Структура одного радіофрейму

Обробка в загальному низхідному каналі базовоїконфігурацї (eNodeB) включає в себе обробку втранспортному і фізичному каналах (PDSCH), з відповідними подвійностями в приймачі (UE) для отримання переданих бітів даних. Наступні підрозділи коротко описують обробку, з посиланням на відповідні розділи стандарту LTE [1-6].

Обробка у транспортному каналі.Транспортні канали забезпечують інтерфейс між рівнем МАС і фізичним рівнем. Загальний низхідний канал (DL-SCH) є основним типом низхідного транспортного каналу в LTE. Він використовується для данних користувача і виділеної інформації управління, так само як частини системної інформації низхідної лінії зв'язку.

Цей приклад моделі двох передач кодового слова, тобто двох транспортних блоків в інтервалі часу передачі (TTI), з обох кодових слів, що мають такий же розмір, модуляцію і швидкість кодування. Кожне кодове слово відповідає одному транспортному блоку.

CRCвставки в транспортному блоці. Приклад обчислює і додає 24-розрядний CRC для кожного створеного транспортного блоку. Це дозволяє виявляти помилки на приймальному кінці для декодованого блоку.

Кодово-блочна сегментація з кодово-блочною вставкою CRC.У зв'язку з турбо-кодуванням перемежувача довжин блоків, підтримуваних LTE (максимум 6144 біт), будь-який транспортний блок, що перевищує цей розмір сегментується на більш дрібні кодові блоків. На основі параметрів лінії зв'язку і розміру транспортного блоку, приклад визначає кількість сегментів (код-блоків) і оброблює їх послідовно (канальне кодування блоків). На підставі розмірів, що вказані в розділі 7.1.7.2 стандарту LTE [3], ніякі наповнюючі, або додаткові біти не потрібні в якості частини процесу сегментації. Для кількох кодових блоків на транспортному блоці, приклад обчислює і додає 24-розрядний CRC для кожного кодового блоку. Це дозволяє раннє виявлення правильно розшифрованих блоків коду, і, в результаті, дострокове припинення ітеративного декодування для цього блоку коду.

Канальне кодування. DL-SCH використовує турбокодування як канальний кодер.

Узгодження швидкості. При узгодженні швидкості витягується точний набір бітів, переданих протягом підкадрів з кодованих бітів. Цей приклад реалізує субблок чергування, створення кільцевого буфера і власне вибір бітів за допомогою UE категорії 5 параметрів (табл. 4.1-1 стандарту LTE [5]). Численні кодові блоки потім об'єднуються разом для подальшої обробки фізичного каналу.

Обробка у фізичному каналі (PDSCH). Фізичний канал відповідає безлічі частотно-часових ресурсів, що використовуються для передачі конкретного транспортного каналу. Кожен транспортний канал відображається на відповідному фізичному каналі. Фізичний загальний низхідний канал (PDSCH) є основним фізичним каналом, використовуваний для одноадресної передачі даних. Цей приклад використовує просторово мультиплексовану передачу на основі кодової книги, і, як наслідок, фізичний низхідний канал обробки включає в себе: скремблювання, модуляцію, рівневе відображення, попереднє кодування, відображення ресурс-елемента, опорні сигнали стілників, OFDM.

Кодовані біти транспортного каналу скремблюються за допомогою послідовності скрембліровання рівня бітів (розділ 7.2 та 6.3.1 стандарту LTE [1]). Послідовність скрембліровання залежить від ідентичності стільника фізичного рівня щоб забезпечити рандомізацію перешкод між стільниками. Для одноадресної передачі одного стільника по низхідній лінії, в прикладі передбачається, ідентифікатор стільника, але відрізняє послідовність у переданому кодовому слові.

Модуляції даних по низхідній лінії зв'язку перетворює скрембльовані в складні модульовані символи. Набір підтримуваних схем модуляції, включає QPSK, 16QAM і 64QAM, що відповідають двом, чотирьом, і шістьом бітам на символ модуляції відповідно (розділ 7.1 та 6.3.2 стандарту LTE [1]). Схема модуляції обрана PDSCH типом параметру модуляції на блоці параметрів моделі.

Комплексно-модульовані символи з обох кодових слів відображаються на рівнях (портах антени) відповідно до розділу 6.3.3.2 стандарту LTE [1]. Оскільки передбачається повнорангова передача, число рівнів дорівнює числу передавальних антен (що визначається з параметра конфігурації антени на блоці параметрів моделі).

Попередньо кодовані символи, що підлягають передачі на кожній антени відображаються в елемент-ресурсах блоків ресурсів, доступних для передачі. Число доступних блоків ресурсів є функцією параметра смуги частот каналу на блоці параметрів моделі, відповідно до наведеної нижче таблиці 1.4(відповідно до стандарту LTE [6])

Табл.1.4. Відповідність ширини смуги каналу до ширини смуги передачі

Для обраної конфігурації кожен блок ресурсів відповідає 12 піднесівним, які при 15 кГц піднесівному інтервалімають 180 кГц спектр. Таким чином, при 20МГц смуги каналу, 100 доступних блоків ресурсів займають 18 МГц смуги пропускання каналу.Фактичне число символів даних, що відображаються в елемент-ресурсах на субкфрейм залежить від:

1. Елемент-ресурсів, що займають Cell-Specific Reference (CSR) сигнали, використовувані для оцінки каналу.

2. Область контролю сигналізації (PDCCH).

3. Елемент-ресурсіви, що займані первинним (PSS) і вторинним (SSS) сигналами синхронізації.

4. Елемент-ресурсів, що займані передачі широкомовного каналу (PBCH).

Оскільки деякі з цих сигналів не передаютьсяу кожному підкадрі, розмір корисного навантаження даних варіюється в кадрі радіозв'язку.

Самі основні з опорних сигналів LTE, CRS-сигнали, що задаються для одної, двох або чотирьох антен в стільнику і використовуються для оцінки каналу в приймачі.Цей приклад моделює структуру CRS-сигналів, для кожного блоку ресурсів, використовуваних для двох і чотирьох антен.

Зверніть увагу, що для елемент-ресурса несучого опорний сигнал для антени, відповідні елементи ресурсів в інших антен мають нульові значення передачі. Це дозволяє CSR- сигнали передавати без втручання з боку інших антен.

Крім того спостерігається що щільність еталонного символу з опорних сигналів для третьої і четвертої антен нижче, в порівнянні з щільністюна першій і другій антенах. Це дає ефект зменшення накладних втрат для більшої кількості антен, а також обмежує можливість відстежувати швидкі зміни каналу.

КомплекснозначнийOFDM-сигнал в тимчасовій області на антену генерується з повністю заповненою сіткою ресурсів, використовуючи блок OFDM-модулятора. Кількість точок ШПФ залежить від пропускної здатності каналу зазначеного, згідно з таблицею F.5.3-1 стандарту LTE [4]. Для звичайного циклічного префікса, сім символів OFDM в слоті використовують різні довжини циклічного префікса.