Проект: Разработка методов и алгоритмов цифровой компенсации искажений в системах беспроводной связи

В результате выполнения проекта будет создан комплекс методов и алгоритмов цифровой компенсации искажений, которые позволят улучшить качество принимаемого сигнала и повысить спектральную эффективность системы связи. Будут разработаны следующие решения: 1) адаптивные алгоритмы фазовой и частотной синхронизации для широкого класса сигналов, реализованные в виде аналитической модели системы связи; 2) алгоритм коррекции фазового шума реального генераторного оборудования; 3) алгоритм адаптивного управления параметрами модуляции и кодирования, учитывающий текущее состояние канала передачи. В качестве модуляции будут применяться QAM с индексом от 4 до 4096, в качестве помехоустойчивого кодирования LDPC и BCH коды. 4) алгоритм коррекции аппаратных искажений сигнала и эквалайзирования; 5) имитационная модель канала связи с предложенными подходами и алгоритмами, реализованная в виде программного кода Matlab. Таким образом, конечный продукт проекта будет представлять собой комплексное решение по цифровой компенсации искажений в беспроводных системах связи.

Рост скорости передачи является ключевым драйвером развития будущих беспроводных систем связи, необходимых для высокоскоростной передачи данных, построения современных производственных технологий, связности территорий РФ. Высокая скорость достигается с помощью расширения полосы пропускания и увеличением спектральной эффективности. Полоса пропускания всегда ограничена, поэтому увеличение спектральной эффективности является приоритетной задачей. В рамках проекта для решения этой задачи рассматривается улучшение адаптивной модуляции путем увеличения ее индекса совместно с использованием эффективных методов помехоустойчивого кодирования. Для реализации предлагаемого подхода, прежде всего, необходимо обеспечить высокое качество принимаемого сигнала. Наибольшее паразитное влияние на сигнал оказывают помехи, возникающие в среде распространения радиосигнала. Однако, причиной некоторых помех являются системные факторы, связанные организацией передачи данных и с процессами, возникающими в электронной компонентой базе реальных передатчиков и приемников. К таким помехам можно отнести ошибки в частотной и символьной синхронизации, фазовые шумы, тепловые шумы и т.д. Улучшение качества принимаемого сигнала может достигаться с помощью улучшения алгоритмов компенсации искажений, вызванных этими помехами. Востребованность выбранного направления исследования подтверждается растущими инвестициями в развитие отечественной телекоммуникационной инфраструктуры. В частности, это подтверждается поддержкой фирмы АО «НПФ «Микран», которая напрямую заинтересована в успешной реализации этого проекта и его результатах, а также выступает одним из партнеров. Отечественные фирмы-производители телекоммуникационного оборудования находятся в поисках подходов, способных повысить качество принимаемого сигнала без увеличения стоимости телекоммуникационного оборудования и удорожания системы. Разработка методов цифровой компенсации искажений – один из таких подходов, который позволяет улучшить качество обслуживания и снизить эксплуатационные затраты. Таким образом, разработка методов и алгоритмов цифровой компенсации искажений является актуальной и востребованной задачей в области современных телекоммуникаций и беспроводной связи.

Предметом разработки и исследования являются методы и алгоритмы увеличения спектральной эффективности цифровых систем связи, включающие следующие направления: фазовая и частотная синхронизация; использование QAM-4096 при скруглении фильтров Найквиста менее 10%; реализация адаптивной модуляции с применением LDPC + BCH кодирования; разработка техники коррекции фазового шума генераторного оборудования; коррекция аппаратных искажений сигнала и эквалайзирование; разработка структуры оптимального радиокадра; разработка имитационной модели, отражающей искажения реального телекоммуникационного тракта; коррекция аппаратных искажений сигнала.

Реализация проекта будет осуществляться в несколько этапов. В первую очередь, будет проведен литературный анализ существующих методов цифровой компенсации искажений в современных системах беспроводной связи. На основании этого анализа будут определены основные источники и характеристики искажений, их влияние на сигнал и методы их устранения. Это позволит создать математическую модель для имитации передачи данных через канал связи с искажениями в различных сценариях. Программная реализация будет выполнена в Matlab, будет учтена будущая интеграция программного кода в сигнальные процессоры и ПЛИС. На следующем этапе будут разработаны адаптивные алгоритмы цифровой компенсации. Алгоритмы будут основаны на методах цифровой обработки сигналов, таких как фильтрация, а также на современных подходах адаптивного выбора параметров в реальном времени. Особое внимание будет уделено адаптации алгоритмов в условиях изменяющихся характеристик канала и различных типов сигналов. Тестирование и валидация предложенных методов будет осуществлено в имитационной модели, которая позволит проводить компьютерные эксперименты и оценивать эффективность разработанных алгоритмов в различных сценариях. В модели будут воспроизведены приближенные к реальным условия работы современных телекоммуникационных систем: уровень аддитивных помех, фазовые искажения, шумы квантования и др. Это позволит оценить спектральную эффективность системы с предложенными алгоритмами и сравнить ее с существующими решениями. На завершающем этапе будет проведена обработка и анализ полученных результатов, а также подготовка итоговых отчетов и научных публикаций. Результаты проекта будут представлены на конференциях и опубликованы в научных журналах, что позволит поделиться разработанными решениями с научным сообществом и практиками. Таким образом, реализация проекта будет включать комплексный подход, включающий анализ, моделирование, разработку алгоритмов, тестирование, программную реализацию и валидацию в реальных условиях.

Новизна предлагаемых решений заключается в следующем: 1. Комплексная математическая модель искажений в цифровом тракте, учитывающая характеристики современных систем связи, работающих в высоких частотных диапазонах. Это позволит более точно описывать искажений сигналов в различных сценариях эксплуатации телекоммуникационных систем, что ранее не было полноценно реализовано в существующих моделях. 2. Адаптивные алгоритмы цифровой компенсации искажений, позволяющие эффективно подстраиваться к изменяющимся характеристикам канала в реальном времени. 3. Алгоритм адаптивной модуляции и структура радиокадра, учитывающие особенности приемопередающего оборудования и характеристики канала распространения радиоволн.

Начиная с 2013 года члены коллектива принимают участие в научных и хоздоговорных работах по тематикам современных систем связи. Результаты опубликованы в более чем 90 работах, а более 50 публикаций входят в перечень в WoS, Scopus и ВАК. В журнале ВАК опубликована работа «Модель фазового шума с учетом спектральной маски синтезаторов частоты и генераторов сигнала». Нами предложена модель фазового шума с учетом спектральной маски синтезаторов частоты и генераторов сигнала. Под руководством членов команды выполнены (выполняются) НИР по 4 проектам РНФ, посвященным системам цифровой связи: 1. Использование методов неортогонального множественного доступа для систем беспроводной связи (2019-2021). 2. Распределение ресурсов связи в телекоммуникационных системах с неортогональным множественным доступом (2021-2023). 3. Перспективные методы множественного доступа для будущих систем беспроводной связи 6G (2022-2025). 4. Улучшение характеристик систем связи с неортогональным множественным доступом с помощью полярных кодов (2024-2025) 3 внутренних НИР ТУСУР, проводимых в рамках проекта Приоритет 2030: 1. Исследование эффективности применения полярных кодов для широкого класса моделей каналов (2022). 2. Адаптация полярных кодов к состоянию канала передачи (2023). 3. Имитационное моделирование помехоустойчивых кодов с малой плотностью проверок на четность в системах связи 5G NR (2022). 2 НИР по программам грантов Президента РФ: 1. Формирование адаптивных к состоянию канала передачи сигнальных конструкций для систем связи с множественным доступом на основе разреженных кодов (2019-2020). 2. Методы формирования и обработки сигналов в многоантенных системах связи с множественным доступом на основе разреженных кодов (2021-2022). В рамках работ были получены имитационные модели систем связи с различными перспективными технологиями. В частности, реализованы отдельные алгоритмы канального кодирования 5G NR.

Результат проекта обладает рядом конкурентных преимуществ, которые делают его уникальным на фоне существующих решений. Мы предлагаем разработать адаптивные алгоритмы компенсации фазовых искажений, которые могут быть адаптированы под различные виды генераторов и синтезаторов частоты. Разработанная математическая модель фазовых шумов будет точно учитывать спектральную маску синтезаторов частоты и генераторов сигнала. Это позволит более эффективно моделировать и компенсировать фазовые искажения в различных сценариях, что превосходит возможности существующих моделей. Таким образом, продукт будет учитывать характеристики реального телекоммуникационного оборудования и может быть применен в системах связи различного назначения. Предложенные алгоритмы синхронизации и компенсации искажений будут адаптивно подстраиваться под условия канала распространения радиоволн и нестабильность работы элементов телекоммуникационного оборудования. Применение разработанных решений позволит улучшить качество обрабатываемого сигнала и за счет этого повысить индекс модуляции и скорость передачи. Разработанные алгоритмы могут применяться в существующих модулях телекоммуникационных устройств (ПЛИС, ЦСП процессоры) и не потребуют изменения схемотехнических решений и компонент.