Озвучивание канала

Эта статья о тестировании и анализе беспроводной связи. Чтобы узнать о других значениях, см. «Звук» .

Зондирование канала — это метод, позволяющий оценить радиосреду для беспроводной связи , особенно MIMO систем . Из-за влияния местности и препятствий беспроводные сигналы распространяются по нескольким путям ( 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 характеристики мобильной радиосвязи существенное влияние оказывают условия распространения радиосигнала. Блокировка зданиями и естественными препятствиями создает множество путей между передатчиком и приемником с разными временными отклонениями, фазами и затуханиями. В системе с одним входом и одним выходом (SISO) несколько путей распространения могут создать проблемы для оптимизации сигнала. Однако благодаря развитию систем с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) это может повысить пропускную способность канала и улучшить качество обслуживания . Чтобы оценить эффективность этих многоантенных систем, необходимо измерить радиосреду. Зондирование канала — это метод, позволяющий оценить характеристики канала для моделирования и проектирования антенных решеток.

Постановка задачи и основы

MIMO-звучание

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

• Направление отправления (DOD)
• Направление прибытия (DOA)
• Задержка времени
• Допплеровский сдвиг
• Комплексная матрица весов поляриметрического пути

Чтобы определить характеристики пути распространения между каждым элементом передатчика и каждым элементом приемника, инженеры передают широкополосный многотональный тестовый сигнал. Непрерывная периодическая тестовая последовательность передатчика поступает в приемник и коррелирует с исходной последовательностью. Эта импульсная функция автокорреляции называется импульсной характеристикой канала (CIR) . Получив передаточную функцию CIR, мы можем оценить среду канала и улучшить производительность.

Описание существующих подходов

Векторный эхолот MIMO

Благодаря использованию нескольких антенн как в передатчиках, так и в приемниках, векторный зонд MIMO-канала может эффективно определять направление распространения на обоих концах соединения и значительно улучшать разрешение нескольких параметров пути.

К – Д модель распространения волн

Модель плоской волны

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

• Относительная полоса пропускания достаточно мала, поэтому временную задержку можно просто преобразовать в фазовый сдвиг между антеннами.
• Апертура решетки достаточно мала, поэтому наблюдаемых изменений магнитуды не наблюдается.

На основе таких предположений базовая модель сигнала описывается как:

$h(\alpha ,\tau ,\psi _{R},\upsilon _{R},\psi _{T},\upsilon _{T})=\sum _{p=1}^{P}\gamma _{p}\delta (\alpha -\alpha _{p})\delta (\tau -\tau _{p})\cdot \delta (\psi _{R}-\psi _{R_{p}})\delta (\upsilon _{R}-\upsilon _{R_{p}})\cdot \delta (\psi _{T}-\psi _{T_{p}})\delta (\upsilon _{T}-\upsilon _{T_{p}})$

где $\tau _{p}$ - это TDOA (разница во времени прихода) волнового фронта $p$. $\psi _{R_{p}},\upsilon _{R_{p}}$ являются DOA на приемнике и $\psi _{T_{p}},\upsilon _{T_{p}}$ DOD на передатчике, $\alpha _{p}$ это доплеровский сдвиг.

Зондирование сверхширокополосного MIMO-канала в реальном времени

Более высокая полоса пропускания для измерения канала является целью будущих зондирующих устройств. Новый эхолот канала СШП в режиме реального времени может измерять канал в более широкой полосе частот от нуля до 5 ГГц. Зондирование UWB MIMO-канала в реальном времени значительно повышает точность локализации и обнаружения, что облегчает точное отслеживание мобильных устройств.

Сигнал возбуждения

В качестве сигнала возбуждения выбран многотональный сигнал.

$x(t)=\sum _{k=-N_{c}/2}^{N_{c}/2-1}\sin(2\pi (f_{c}+k\cdot \Delta f)\cdot t+\theta _{k})$

где $f_{c}$ центральная частота, $\Delta f=B/N_{c}$ ( $B$ это пропускная способность, $N_{c}$ — количество мультитонов) — интервал тонов, а $\theta _{k}$ это фаза $k^{th}$ тон. мы можем получить $\theta _{k}$ к

$\theta _{k}={{(\pi \cdot k)}^{2} \over N_{c}/2}$

Постобработка данных

РУСК ЗВУЧАНИЕ. $\alpha _{max}$ — максимальная доплеровская частота. $\tau _{max}$ — максимальная длительность импульсной характеристики, а S — расширение канала (красный прямоугольник на рисунке).

1. Выполняется ДПФ по сигналам K-1 (один сигнал потерян из-за переключения массива), измеренным в каждом канале (K: сигналы на канал).
2. Выборки частотной области на многотональных частотах выбираются каждый раз. $(K-1)^{th}$ образец.
3. Предполагаемая передаточная функция канала ${\hat {H}}(f)$ получается путем:

${\hat {H}}(f)={X_{ref}(f)^{*}\cdot Y(f) \over {\left|X_{ref}(f)\right|}^{2}+c\cdot {\hat {\sigma }}_{N}^{2}(f)}$

где ${\hat {\sigma }}_{N}^{2}(f)$ мощность шума, $X_{ref}(f)$ является опорным сигналом и $Y(f)$ это образцы.Масштабный коэффициент c определяется как

$c={{\bar {\sigma }}_{ref}^{2} \over max{({\bar {\sigma }}_{Y}^{2}}-{\bar {\sigma }}_{N}^{2}),{\bar {\sigma }}_{N}^{2}}$

эхолот канала РУСК

Эхолот канала RUSK возбуждает все частоты одновременно, так что можно измерить частотную характеристику всех частот. Тестовый сигнал является периодическим во времени с периодом $t_{p}$. Период должен быть больше длительности импульсной характеристики канала. $\tau _{max}$ для захвата всех задержанных компонентов многолучевого распространения в приемнике. На рисунке показана типичная импульсная характеристика канала (CIR) эхолота RUSK. Вводится вторичная переменная времени, так что CIR является функцией времени задержки. $\tau$ и время наблюдения $t$. Доплеровский спектр задержки получается преобразованием Фурье.

См. также

• Оценка канала