Исследование эффективности компенсации многолучевости в каналах связи при использовании фильтров с инверсной импульсной характеристикой

Цели. При передаче данных в современных системах связи одной из ключевых проблем является многолучевое распространение сигналов, вызванное отражениями от различных препятствий. Для борьбы с этим эффектом используются разные методы, такие как направленные антенны, разнесенный прием, адаптивная фильтрация и выбор эффективных методов модуляции. Одним из перспективных подходов является применение фильтров с импульсной характеристикой (ИХ), инверсной ИХ канала, которые позволяют компенсировать задержанные сигналы. Эффективность таких фильтров зависит от точности настройки их параметров. Цель работы состоит в выработке рекомендаций для обеспечения эффективной компенсации многолучевости при использовании фильтров с инверсной ИХ, оценке влияния параметров канала (временных задержек и интенсивностей отраженных сигналов) на вероятность битовой ошибки (bit error rate, BER) и определении энергетического выигрыша.

Методы. Использованы методы статистической радиотехники, теории оптимального приема сигналов и математического моделирования.

Результаты. Представлены результаты исследования эффективности компенсации многолучевости в каналах связи при использовании на приемной стороне фильтров с ИХ, инверсной ИХ канала. В программной среде Simulink разработана модель многолучевого канала связи, включающая шесть лучей с различными временными задержками и интенсивностями. Проведено моделирование приема дискретной информации для разных методов модуляции: 16-КАМ (квадратурной амплитудной), 8-ФМ (многопозиционной фазовой) и 8-ЧМ (многопозиционной частотной) модуляциями. Выполнена оценка вероятности битовой ошибки в зависимости от отношения сигнал/шум и параметров многолучевого канала (временных задержек, интенсивностей отраженных лучей). Показано, что применение фильтров с инверсной ИХ позволяет значительно снизить вероятность битовой ошибки и улучшить качество связи. Оценено изменение величины BER при отклонениях параметров фильтра от идеальных.

Выводы. Результаты демонстрируют, что использование компенсационных фильтров эффективно для борьбы с многолучевыми искажениями, особенно в условиях сильной интерференции. Полученные данные могут быть использованы для проектирования и оптимизации современных систем связи, работающих в сложных условиях распространения сигналов.

1. Кубанов В.П., Ружников В.А., Сподобаев М.Ю., Сподобаев Ю.М. Основы теории антенн и распространения радиоволн. Самара: ОФОРТ; 2016, 258 с.

2. Вендик И.Б., Вендик О.Г., Козлов Д.С., Мунина И.В. Диаграммообразование в антенных решетках. М.: Физматлит; 2020, 112 с.

3. Proakis J. Digital Communications. N.Y.: McGraw-Hill Publ.; 2001, 1002 p.

4. Назаров С.Н., Шагарова А.А. Методы разнесенного приема в системах подвижной связи и широкополосного доступа. Автоматизация процессов управления. 2010;3:88–94. https://elibrary.ru/muonlj

5. Криницкий Г.В., Леонова М.Д., Юрасова Е.Н. Методы снижения влияния многолучевости на качество спутниковой навигации для обеспечения точного захода на посадку. Научный вестник МГТУ ГА. 2015;222:98–102.

6. Куликов Г.В., Полевода Ю.А., Костин М.С. Использование пространственно-распределенной синфазной антенны для повышения помехоустойчивости приема сигналов. Russian Technological Journal. 2023;11(6):39–46. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2023-11-6-39-46

7. Widrow B., Stearns S.D. Adaptive Signal Processing. Prentice-Hall; 1985, 474 p.

8. Фалько А.И. Адаптивный прием сигналов: монография. Новосибирск: СибГУТИ; 2015, 328 с.

9. Fuqin Xiong. Digital Modulation Techniques. 2nd ed. Boston, London: Artech House, Inc.; 2006, 1039 p.

10. Sklar B., Harris F.J. Digital Communications: Fundamentals and Applications. 3rd ed. Pearson Education, Inc.; 2021, 1105 p.

11. Троицкая А.Е., Полевода Ю.А., Куликов Г.В. Помехоустойчивость приема сигналов с многопозиционной частотной манипуляцией на фоне ретранслированной помехи. Russian Technological Journal. 2024;12(5):33–41. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2024-12-5-33-41

12. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в беспроводных системах связи: монография. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского; 2011, 368 с.

13. Голубев А.Г., Молчанов П.А. Алгоритмы оценивания импульсной характеристики многолучевого канала связи с трансформацией рабочего диапазона частот. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2024;1(189):150–156.

14. Нечаев Ю.Б., Малютин А.А. Методы оценки параметров многолучевого канала связи при итеративных алгоритмах приема. Теория и техника радиосвязи. 2009;2:13–25. https://www.elibrary.ru/mwnirh

15. Нечаев Ю.Б., Малютин А.А., Радько П.Н. Помехоустойчивость итеративных алгоритмов приема в многолучевых каналах с неточно известными параметрами. Теория и техника радиосвязи. 2009;4:23–28. https://www.elibrary.ru/muukjn

16. Коренной А.В., Межуев А.М., Ревин В.С. Адаптивный алгоритм приема многолучевых сигналов в декаметровом канале связи на основе оценки его импульсной характеристики. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2017;10(2):200–210. https://www.elibrary.ru/yhssll

17. Аникин А.С. Изменчивость импульсных реакций сухопутных трасс распространения сантиметровых радиоволн в десятисекундных интервалах. Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (Доклады ТУСУР). 2017;20(2):10–14. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2017-20-2-10-14, https://www.elibrary.ru/zgqmap

18. Kolmonen V.-M., Kivinen J., Vuokko L., Vainikainen P. 5.3-GHz MIMO Radio channel sounder. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2006;55(4):1263–1269. https://doi.org/10.1109/TIM.2006.877724

19. Molina-Garcia-Pardo J.-M., Rodriguez J.-V., Juan-Llacer L. MIMO Channel Sounder Based on Two Network Analyzers. IEEE Trans. Instrum. Meas. 2008;57(9):2052–2058. https://doi.org/10.1109/TIM.2008.922091

20. Калачиков А.А., Щелкунов Н.С. Методы зондирования радиоканала MIMO. Вестник СибГУТИ. 2015;3(31):66–72. https://www.elibrary.ru/vnvxfb

21. Farina A. Simultaneous measurement of impulse response and distortion with a swept-sine technique. Audio Engineering Society. AES Convention Papers Forum. February 2000. Papers Number 5093, 21 p. URL: https://www.researchgate.net/publication/2456363_Simultaneous_Measurement_of_Impulse_Response_and_Distortion_With_a_Swept-Sine_Technique. Дата обращения 15.02.2025. / Accessed February 15, 2025.

22. Халиуллин Р.Ф., Сулимов А.И. Моделирование оценки импульсной характеристики MIMO-радиосистемы с многолучевым эффектом. Радиотехника. 2023;87(12):99–109. https://www.elibrary.ru/pteaii

23. Халиуллин Р.Ф., Сулимов А.И., Галиев А.А. Применение программно-определяемого радио для определения импульсной характеристики многолучевого радиоканала. В сб.: Распространение радиоволн: сборник докладов XXVIII Всероссийской открытой научной конференции, Йошкар-Ола, 16–19 мая 2023 г. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет; 2023. С. 261–264. https://www.elibrary.ru/qivpqk

24. Полевода Ю.А., Куликов Г.В., Чистяков Е.А. Компенсация многолучевости в канале связи с КАМ сигналом. В сб.: Космические технологии – 2024. Сборник научных статей Международной межведомственной научно-технической конференции. М.: РТУ МИРЭА; 2024. С. 236–241. https://www.elibrary.ru/yriksc