Зондирование канала - Channel sounding

Зондирование канала это метод, который оценивает радиосреду для беспроводной связи, особенно MIMO системы. Из-за влияния местности и препятствий беспроводные сигналы распространяются по нескольким путям ( многолучевость эффект). Чтобы минимизировать или использовать эффект многолучевого распространения, инженеры используют зондирование канала для обработки многомерного пространственно-временного сигнала и оценки характеристик канала. Это помогает моделировать и проектировать беспроводные системы.

Мотивация и приложения

На качество мобильной радиосвязи значительно влияет среда распространения радиоволн.^[1] Блокирование 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 создавать проблемы для оптимизации сигнала. Однако на основе разработки систем с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) он может увеличить пропускную способность канала и улучшить QoS.^[2] Чтобы оценить эффективность этих систем с множеством антенн, необходимо измерение радиосреды. Зондирование каналов - это такой метод, который позволяет оценить характеристики канала для моделирования и проектирования антенных решеток.^[3]

Постановка проблемы и основы

MIMO звучание^[4]

В системе с многолучевым распространением беспроводной канал зависит от частоты, времени и положения. Таким образом, следующие параметры описывают канал:^[2]

• Направление отправления (DOD)
• Направление прибытия (DOA)
• Временная задержка
• Доплеровский сдвиг
• Комплексная поляриметрическая матрица весов пути

Чтобы определить путь распространения между каждым элементом передатчика и каждым элементом приемника, инженеры передают широкополосный многотональный тестовый сигнал. Непрерывная периодическая тестовая последовательность передатчика поступает в приемник и коррелируется с исходной последовательностью. Эта импульсная автокорреляционная функция называется импульсная характеристика канала (CIR).^[5] Получив передаточную функцию CIR, мы можем оценить среду канала и улучшить производительность.

Описание существующих подходов

Эхолот MIMO Vector Channel

Основанный на нескольких антеннах как на передатчиках, так и на приемниках, эхолот с векторным каналом MIMO может эффективно определять направление распространения на обоих концах соединения и значительно улучшать разрешение параметров множественного пути.^[1]

K-D модель распространения волн^[1]

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 между передатчиками и приемниками считаются плоскими. Два других важных предположения:

• Относительная полоса пропускания достаточно мала, так что временную задержку можно просто преобразовать в фазовый сдвиг между антеннами.
• Апертура решетки достаточно мала, чтобы не было заметных изменений величины.

Исходя из таких предположений, базовая модель сигнала описывается как:

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

куда ${ displaystyle tau _ {p}}$ это TDOA (разница во времени прибытия) волнового фронта ${ displaystyle p}$. ${ displaystyle psi _ {R_ {p}}, upsilon _ {R_ {p}}}$ являются DOA на приемнике и ${ displaystyle psi _ {T_ {p}}, upsilon _ {T_ {p}}}$ DOD у передатчика,${ displaystyle alpha _ {p}}$ это доплеровский сдвиг.

Сверхширокополосное зондирование каналов MIMO в реальном времени

Более широкая полоса пропускания для измерения канала - цель будущих зондовых устройств. Новый СШП-эхолот в режиме реального времени может измерять канал в большей полосе пропускания от нуля до 5 ГГц. Зондирование канала UWB MIMO в реальном времени значительно повышает точность определения местоположения и обнаружения, что облегчает точное отслеживание мобильных устройств.^[6]

Сигнал возбуждения

В качестве сигнала возбуждения выбран многотональный сигнал.

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

куда ${ displaystyle f_ {c}}$ центральная частота, ${ displaystyle Delta f = B / N_ {c}}$ (${ displaystyle B}$ это пропускная способность, ${ displaystyle N_ {c}}$ - количество мультитонов) - интервал между тонами, а ${ displaystyle theta _ {k}}$ фаза ${ displaystyle k ^ {th}}$ тон. мы можем получить ${ displaystyle theta _ {k}}$ к

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

Постобработка данных

РАСКУСНОЕ ЗВУЧЕНИЕ. ${ displaystyle alpha _ {max}}$ максимальная доплеровская частота.${ Displaystyle тау _ {макс}}$ - максимальная длительность импульсного отклика, а S - разброс канала (красный прямоугольник на рисунке).^[4]

1. ДПФ по K-1 (одна форма сигнала потеряна из-за переключения массива) выполняется для сигналов, которые измеряются в каждом канале (K: формы сигналов на канал).
2. Выборки частотной области на многотональных частотах выбираются на каждом ${ Displaystyle (К-1) ^ {th}}$ образец.
3. Расчетная передаточная функция канала ${ displaystyle { hat {H}} (е)}$ получают:

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

куда ${ Displaystyle { шляпа { sigma}} _ {N} ^ {2} (е)}$ мощность шума, ${ Displaystyle X_ {ref} (е)}$ опорный сигнал и ${ displaystyle Y (f)}$ - это образцы. Коэффициент масштабирования c определяется как

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

Эхолот канала RUSK^[4]

Звуковой сигнализатор канала RUSK возбуждает все частоты одновременно, так что можно измерить частотную характеристику всех частот. Тестовый сигнал периодический по времени с периодом ${ displaystyle t_ {p}}$. Период должен быть больше длительности импульсной характеристики канала. ${ Displaystyle тау _ {макс}}$ для захвата всех задержанных компонентов многолучевого распространения на приемнике. На рисунке показана типичная импульсная характеристика канала (CIR) для эхолота RUSK. Вводится вторичная переменная времени, так что CIR является функцией времени задержки. ${ Displaystyle тау}$ и время наблюдения ${ displaystyle t}$. Спектр Доплера с задержкой получается преобразованием Фурье.

Рекомендации