Рассмотрены современные подходы к обработке сигналов, позволяющие повысить пропускную способность систем радиосвязи. Описаны фундаментальные технологии беспроводной связи физического уровня, отражены последние достижения в этой области, особенно в применении к будущим системам 5G, ранее недостаточно представленным в литературе на русском языке. Изложены сведения об алгоритмах цифровой обработки сигналов для систем CDMA и MIMO. Представленные математические модели канала связи, могут быть использованы для разработки новых эффективных алгоритмов цифровой обработки сигналов для перспективных систем беспроводной связи. Рассмотрены вопросы вычислительной сложности алгоритмов обработки сигналов, методы ее расчета и снижения.
Для широкого круга научных работников, разработчиков и проектировщиков оборудования систем связи, специалистов в области инфо- коммуникаций, будет полезна студентам и аспирантам соответствующих специальностей.
Введение 3
Математические модели канала связи в системах подвижной радиосвязи 8
Модели каналов связи с замираниями 8
Характеристики в частотной области 12
Характеристики во временной области 16
Неселективные замирания 18
Частотно-селективные замирания 19
Модель канала связи на примере системы с кодовым разделением каналов 20
Необходимость применения математических моделей для задачи оценивания параметров канала 22
Явление доплеровского расширения спектра сигналов 23
Модель Джейкса 27
Системы беспроводной связи с несколькими передающими и несколькими приемными антеннами (MIMO) 30
Основы технологии MIMO 30
Система MIMO с пространственным мультиплексированием 32
Пропускная способность системы MIMO 34
Пространственно-временное кодирование 36
MIMO в режиме пространственно-временного кодирования (MIMO-STC) и в режиме пространственного мультиплексирования (MIMO-SM) 43
Концепция технологии Beamforming 46
Алгоритмы демодуляции в системах радиосвязи MIMO 50
Алгоритм демодуляции, оптимальный по критерию максимального правдоподобия 50
Алгоритм Zero Forcing (декоррелятор) 51
Алгоритм демодуляции, оптимальный по критерию минимума среднеквадратической ошибки 51
Линейный итерационный алгоритм демодуляции 52
Алгоритм демодуляции типа V-BLAST 54
Алгоритм «мягкого» оценивания дискретного сигнала 55
Демодуляция радиосигналов 68
Модуляция и демодуляция цифровых сигналов. Общие принципы 68
Двоичное представление цифровых сигналов 72
Демодуляция сигналов QAM с «жёсткими» решениями 79
Демодуляция сигналов QAM с «мягкими» решениями 83
Технология OFDM 93
Основные принципы технологии OFDM 95
Идеализированная модель системы OFDM 102
Кодовое разделение каналов (CDMA) 106
Преимущества технологии CDMA 106
Шумоподобные сигналы на основе псевдослучайных последовательностей и их корреляционные свойства 107
Структурная схема системы CDMA 109
Принцип передачи и приема сообщений в системе CDMA 110
Разделение сигналов пользователей при CDMA 112
Т. Алгоритмы демодуляции в системах связи с кодовым разделением каналов. Многопользовательский прием сигналов 114
Внутриканальная помеха в системе с кодовым разделением каналов. Проблема «близкий-далекий» 114
Традиционный многопользовательский демодулятор 119
Оптимальный многопользовательский демодулятор 121
Квазиоптимальные линейные многопользовательские демодуляторы 127
Квазиоптимальные нелинейные многопользовательские демодуляторы 141
Обобщение на случай асинхронной модели канала связи 147
Обобщение на случай многолучевой модели канала связи 153
Совместное использование алгоритмов многопользовательской демодуляции и декодирования 162
Перспективные технологии радиосвязи физического уровня для систем связи 5G 171
Общие сведения о системах связи 5G 171
Особенности построения систем связи 5G 172
Основные направления научных исследований в области 5G 174
Радиотехнологии, которые предполагается использовать в системах связи 5G 177
Новые радиоинтерфейсы, которые предполагается использовать в системах связи 5G 180
Математическое моделирование алгоритмов цифровой обработки сигналов. Система MATLAB 188
Цель и задачи математического моделирования 188
Сущность моделирования на ЭВМ 189
Процесс моделирования 191
Вычислительный эксперимент 195
Общая схема моделирования 199
Особенности систем радиосвязи как объектов исследования с помощью моделирования на ЭВМ 201
Принципы формального описания систем радиосвязи 203
Схема статистического моделирования с помощью формального описания системы связи 207
Эффективность и показатели качества работы системы 208
Примеры математических моделей алгоритмов, реализованных средствами MATLAB 212
Вычислительная сложность алгоритмов обработки сигналов 225
Алгоритмы 225
Понятие о вычислительной сложности 226
Функция сложности алгоритма 229
Подсчет вычислительной сложности 233
Методы снижения вычислительной сложности 235
Быстрые алгоритмы умножения матриц 239
Заключение 242
Приложения 243
Приложение 1. Сведения о матрицах и операциях над ними 243
Приложение 2. Некоторые сведения из теории вероятностей и математической статистики 249
Приложение 3. Двоичное представление табличной функции 254
Приложение 4. Моделирование некоторых случайных величин с помощью системы MATLAB 256
Приложение 5. Вычислительная сложность основных скалярных и векторно-матричных операций, используемых в алгоритмах обработки сигналов 259
Приложение 6. Расчет числа операций при обращении корреляционной матрицы по формуле Фробениуса 261
Приложение 7. Расчет числа операций, необходимых для реализаци и алгоритма демодуляции, оптимального по критерию минимума среднеквадратической ошибки (MMSE) 263
Список сокращений 264
Литература 266
