Устройство для оценки времени приема сигналов системы со множеством входов и множеством выходов
Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при проектировании систем связи с множеством входов и множеством выходов (технология MIMO), а также в пассивной радиолокации.
Сущность полезной модели состоит в том, что в известное устройство для оценки времени приема сигналов системы MIMO, содержащее Q приемных антенн, выходы которых соединены соответственно с Q входами приемника, выход которого соединен с входом блока грубой оценки времени приема сигналов системы MIMO, блок точной оценки времени приема сигналов системы MIMO, дополнительно вводится блок оценки и устранения частотного сдвига, вход которого соединен с выходом блока грубой оценки, его первый выход соединен с первым входом блока точной оценки, а его третий выход соединен с Q+1-ым входом приемника, блок оценки канальной матрицы, вход которой соединен со вторым выходом блока оценки и устранения частотного сдвига, блок формирования опорного сигнала, вход которого соединен с выходом блока оценки канальной матрицы, а выход соединен с вторым входом блока точной оценки времени приема сигналов системы MIMO.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - повышение точности оценки времени приема сигналов системы MIMO.
Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при проектировании систем связи с множеством входов и множеством выходов (технология MIMO), а также в пассивной радиолокации.
В последнее время интенсивное развитие получили системы высокоскоростной беспроводной радиосвязи с использованием OFDM-сигналов. Скорость передачи данных может быть повышена путем применения технологии разнесенной передачи и приема (MIMO). Для определения координат источника излучения работающего по технологии MIMO (передающей антенной системы), необходимо с высокой точностью оценивать время приема сигнала в приемном пункте.
Известно устройство [1], для оценки времени приема сигналов системы MIMO. Устройство содержит Q приемных антенн, выходы которых соединены соответственно с Q входами приемника, выход которого соединен с первым входом блока коррекции частотного сдвига, а также с входом блока грубой оценки времени приема сигналов системы MIMO, первый выход которого соединен со вторым входом блока коррекции частотного сдвига, а второй с входом первого блока оценки частотного сдвига, первый выход которого соединен с третьим входом блока коррекции частотного сдвига, а второй выход с входом второго блока оценки частотного сдвига, первый выход которого соединен с четвертым входом блока коррекции частотного сдвига, второй выход с первым входом блока точной оценки времени приема сигналов системы MIMO, а третий выход соединен с Q+1 входом приемника, второй вход блока точной оценки времени приема сигнала системы MIMO соединен с выходом блока коррекции частотного сдвига.
Недостатком данного устройства является то, что для оценки времени приема сигналов, не учитывается влияние сигналов переданных соседними антеннами MIMO системы друг на друга, что понижает точность получаемой оценки.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, приведенное в описании изобретения под названием: "OFDM synchronization for the MIMO testbed" [2]. Устройство содержит Q приемных антенн, выходы которых соединены соответственно с Q входами приемника, выход которого соединен с первым входом блока коррекции частотного сдвига, а также с входом блока грубой оценки времени приема сигналов системы MIMO, первый выход которого соединен со вторым входом блока коррекции частотного сдвига, а второй с входом первого блока оценки частотного сдвига, первый выход которого соединен с третьим входом блока коррекции частотного сдвига, а второй выход с входом второго блока оценки частотного сдвига, первый выход которого соединен с четвертым входом блока коррекции частотного сдвига, второй выход с первым входом блока точной оценки времени приема сигналов системы MIMO, а третий выход соединен с Q+1 входом приемника, второй вход блока точной оценки времени приема сигнала системы MIMO соединен с выходом блока коррекции частотного сдвига.
Недостатком устройства - прототипа является то, что для оценки времени приема сигналов, не учитывается влияние сигналов переданных соседними антеннами MIMO системы друг на друга, что понижает точность получаемой оценки.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение точности оценки времени приема сигналов системы MIMO. Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для оценки времени приема сигналов системы MIMO, содержащее Q приемных антенн, выходы которых соединены соответственно с Q входами приемника, выход которого соединен с входом блока грубой оценки времени приема сигналов системы MIMO, блок точной оценки времени приема сигналов системы MIMO, дополнительно вводится блок оценки и устранения частотного сдвига, вход которого соединен с выходом блока грубой оценки, его первый выход соединен с первым входом блока точной оценки, а его третий выход соединен с Q+1-ым входом приемника, блок оценки канальной матрицы, вход которой соединен со вторым выходом блока оценки и устранения частотного сдвига, блок формирования опорного сигнала, вход которого соединен с выходом блока оценки канальной матрицы, а выход соединен с вторым входом блока точной оценки времени приема сигналов системы MIMO.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1, на которой обозначено: 1 - приемник, 2 - блок грубой оценки времени приема сигналов системы MIMO, 3 - блок оценки и устранения частотного сдвига, 4 - блок точной оценки сигналов системы MIMO, 5 - блок оценки канальной матрицы, 6 - блок формирования опорных сигналов.
Подробное описание устройства:
Рассмотрим принцип действия устройства, на примере MIMO системы с двумя передающими и двумя приемными антеннами (MIMO 2×2). Тренировочная последовательность представляет из себя четыре последовательных OFDM символа, первые два из которых одинаковы и содержат в себе код Х (Code X), и вторые из которых одинаковы и содержат в себе код Х+1 (Code X+1), для первой передающей антенны, а также код Y (Code Y) и код Y+1 (Code Y+1). Сигналы формируются путем преобразования входного потока данных (CDMA-код) в BPSK-код, и последующую запись BPSK-код, как спектральных коэффициентов обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ)
Ck=Ik+j0,
После обработки подготовленного массива с помощью обратного дискретного преобразования Фурье, формируются отсчеты квадратурных составляющих (комплексный сигнал):
S(n)=IFFT[Ck=Ik +j0]=I(n)+jQ(n),
Тренировочные последовательности принимаются первой и второй приемными антеннами MIMO системы, после чего поступают в приемник 1, в приемнике производится идентификация принятых последовательностей с первой и второй приемных антенн, принятые сигналы поступают в блок грубой оценки времени приема сигналов системы MIMO 2, грубая оценка времени приема сигналов системы MIMO производится по положению максимума ВКФ опорного сигнала с принятым:
,
где Т - длительность записи сигнала; S on(t), Sпр1(t) - опорный сигнал и сигнал принятый первой приемной антенной MIMO системы соответственно. На ширину пика ВКФ значительное влияние оказывает рассинхронизация передающего и приемного пунктов MIMO системы, для этого производится оценка ухода частоты и ее устранение. Оценка ухода частоты производится в блоке 3 любым известным способом, например [3, 4]. Сигнал о частотной рассинхронизации передается в приемник 1, в котором производится подстройка частоты опорного генератора. С выходов блока 3, сигналы поступают на вход блока оценки канальной матрицы 5, а также на вход блока точной оценки времени приема сигналов системы MIMO 4. Оценка канальной матрицы (оценка каналов связи между передающими и приемными антеннами) производтся любыми известными методами, некоторые из них рассмотрены например в [5]. Отметим, что каналы 
и 
оцениваются в антенне Rx1 по пилот сигналам из антенн Тх1 и Tx2 соответственно и каналы 
и 
аналогично. Оцененная канальная матрица имеет вид:
,
Где - передаточная функция канала связи между первой передающей и первой приемной антеннами MIMO системы, 
- передаточная функция канала связи между первой передающей и второй приемной антеннами MIMO системы, 
- передаточная функция канала связи между второй передающей и первой приемной антеннами MIMO системы, 
- передаточная функция канала связи между второй передающей и второй приемной антеннами MIMO системы. В блоке формирования опорного сигнала 6, производится формирование опорных сигналов для оценки времени приема сигнала каждой приемной антенны MIMO системы. Для формирования опорного сигнала, производится вычисление спектров, первой и второй тренировочных последовательностей, в результате получаем матрицу спектров в виде:
S=[S1 S2],
где: S1 - спектр первой тренировочной последовательности, S2 - спектр второй тренировочной последовательности. Матрица спектров перемножается с канальной матрицей, в результате перемножения получаем следующую матрицу:
,
Применяя обратное преобразование Фурье к каждому элементу матрицы Rref, получаем опорные сигналы соответственно для первой и второй приемной антенны системы MIMO:
,
где: ifft - операция обратного преобразования Фурье.
Сигнал с выхода блока формирования опорных сигналов 6 поступает на второй вход бдока точной оценки времени приема сигналов системы MIMO 4. Оценка времени приема тренировочных последовательностей, для первой и второй приемных антенн системы MIMO, производится при помощи вычисления ВКФ принятого сигнала с опорными:
,
где: Rref1, Rref2 - опорные сигналы для первой и второй приемной антенны соответственно, 
, 
, - сигналы принятые первой и второй приемной антенны соответственно,
По максимуму корреляционной получим оценку времени приема сигналов системы MIMO, для первой и второй антенны:
Точная оценка времени приема сигналов системы MIMO, получается в результате усреднения оценок, полученных для каждой приемной антенны системы MIMO (D1, D2).
D=(D1+D2)/2,
На фиг.2 приведены зависимости СКО ошибки определения момента времени приема сигналов системы MIMO в случае учета взаимного влияния переданных сигналов и без учета этого влияния.
Повышение точности оценки времени приема сигналов системы MIMO, достигается за счет учета взаимного влияния переданных сигналов системы MIMO, и может достигать 20%, по сравнению со способом прототипом.
1. Пат. США 
7088782 В2, кл. Н04К 1/10. Time and frequency synchronization in multi-input, multi-output (MIMO) systems.
2. Пат. США 7706458 В2, кл. Н04К 1/10. Time and frequency synchronization in multi-input, multi-output (MIMO) systems.
3. Пат. РФ 2264045, МПК H04L 27/22. Способ синхронизации сигналов и устройство для его осуществления. Опубл. 10.11.2005
4. Пат. РФ 2427094, МПК H04L 27/26. Способ и устройство для оценки сдвига несущей частоты и синхронизации кадра в системе беспроводной связи. Опубл. 20.08.2011
5. Е.П.Ворошилин, Е.В.Рогожников, А.С.Вершинин, Метод повышения точности оценки передаточной функции канала распространения радиоволн / Известия Томского политехнического университета. 2011. Т.319. 5, с.133-137.
Устройство для оценки времени приема сигналов системы MIMO, содержащее Q приемных антенн, выходы которых соединены соответственно с Q входами приемника, выход которого соединен с входом блока грубой оценки времени приема сигналов системы MIMO, блок точной оценки времени приема сигналов системы MIMO, отличающееся тем, что в него дополнительно вводится блок оценки и устранения частотного сдвига, вход которого соединен с выходом блока грубой оценки, его первый выход соединен с первым входом блока точной оценки, а его третий выход, на который подается сигнал о частотной рассинхронизации, предназначенный для подстройки частоты опорного генератора приемника, соединен с Q+1-м входом приемника, блок оценки канальной матрицы, вход которой соединен со вторым выходом блока оценки и устранения частотного сдвига, блок формирования опорного сигнала, вход которого соединен с выходом блока оценки канальной матрицы, а выход соединен с вторым входом блока точной оценки времени приема сигналов системы MIMO.
