Метод квазіортогонального частотного розділення каналів в когнітивних радіомережах

Abstract

У дисертаційній роботі вирішується актуальне науково-технічне завдання підвищення ефективності використання доступного частотного ресурсу в безпроводових мережах когнітивного радіо, шляхом формування частотних планів квазіортогонального частотного розділення каналів. Проведено аналіз загальних характеристик когнітивних радіосистем. Також проведено аналіз найбільш відомих методів частотного розділення каналів, а саме: ортогонального (OFDM), неортогонального (N-OFDM) та Fast-OFDM (FOFDM). Проведено оцінку впливу множинного доступу на роботу когнітивних мереж та визначено шляхи зменшення цих завад. Отримав подальший розвиток метод квазіортогонального частотного розділення каналів (QOFDM), який відрізняється від відомих використанням індивідуального розподілу частотних піднесучих в різних частотних планах ансамблю в загальній смузі частот, який дозволяє підвищити пропускну спроможність когнітивної радіосистеми в n разів, де n – це кількість частотних планів в ансамблі, за рахунок паралельного використання різними абонентами однієї мережі різних варіантів розподілу піднесучих частот. Розв’язання цієї задачі дозволяє значно знизити кількість частотних колізій та дозволяє збільшити абонентську ємність когнітивної радіосистеми. Реалізація методу досить складна, але вона дозволяє збільшити пропускну здатність системи зв'язку за рахунок паралельного використання абонентами однієї мережі неоднакових варіантів розподілу піднесучих частот. Завдяки нелінійному розподілу піднесучих частот значно підвищується пропускна здатність каналу, при цьому може незначно погіршитись якість передачі інформації. В роботі удосконалено алгоритм формування ансамблів сигналів з квазіортогональним мультиплексуванням із врахуванням різного значення ширини підканалів у відповідних частотних планах та отримано графічну інтерпретацію методу. Вперше розроблено метод визначення збігів позицій піднесучих частот, який реалізовано на основі попарного порівняння частотних планів ансамблю сигналів при квазіортогональному частотному розділенні каналів з мультиплексуванням (QOFDM). Розглянуто питання зменшення похибки відновлення сигналів після прийому та опрацювання цифровими методами, що представляє не тільки теоретичний, а й практичний інтерес. Доведено, що ядро Фейєра може служити інструментом згладжування форми сигналу, що особливо важливо для випадку проектування безпроводових мереж, оскільки забезпечується потрібна спектральна ефективність сигналу, і, як наслідок, найбільш повне використання доступного частотного ресурсу. Розроблено імітаційну модель процесу формування частотних планів для квазіортогонального частотного розділення каналів, яка дозволяє визначити ширину підканалів в частотних планах ансамблів складних сигналів з урахуванням їх кількості. Це дозволяє синтезувати ансамблі складних сигналів з низькою взаємодією в частотній області. Проведено статистичну оцінку взаємокореляційних властивостей сигналів із врахуванням в них різного значення кількості підканалів, їх ширини та загальної ширини спектру ансамблю частотних планів. Згідно отриманих результатів було визначено напрямки по збільшенню об’єму частотних планів складних сигналів на основі QOFDM.

The thesis solves the current scientific and technical task of increasing the efficiency of using the available frequency resource in wireless cognitive radio networks by forming frequency plans of quasi-orthogonal frequency separation of channels. An analysis of the general characteristics of cognitive radio systems has been carried out. An analysis of the most well-known methods of frequency division of channels, namely: orthogonal (OFDM), non-orthogonal (N-OFDM) and Fast-OFDM (FOFDM), was also carried out. The impact of multiple accesses on the work of cognitive networks was assessed and ways to reduce these problems were determined. The method of quasi-orthogonal frequency division of channels (QOFDM) received further development, which differs from the known ones by the use of individual distribution of frequency subcarriers in different frequency plans of the ensemble in the common frequency band, which allows to increase the bandwidth of the cognitive radio system by n times, where n is the number of frequency plans in ensembles, due to the parallel use by different subscribers of the same network of different options for the distribution of subcarrier frequencies. The solution of this problem allows to significantly reducing the number of frequency collisions and allows increasing the subscriber capacity of the cognitive radio system. The implementation of the method is quite complicated, but it allows increasing the bandwidth of the communication system due to the simultaneous use by subscribers of the same network of different variants of the distribution of subcarrier frequencies. Thanks to the non-linear distribution of subcarrier frequencies, the bandwidth of the channel is significantly increased, while the quality of information transmission may slightly deteriorate. In the work, the algorithm for forming ensembles of signals with quasi-orthogonal multiplexing, taking into account different values of the width of subchannels in the corresponding frequency plans was improved, and a graphical interpretation of the method was obtained. For the first time, a method for determining the coincidence of subcarrier frequency positions has been developed, which is implemented on the basis of a pairwise comparison of frequency plans of an ensemble of signals with quasi-orthogonal frequency division multiplexing (QOFDM). The question of reducing the signal recovery error after reception and processing by digital methods is considered. It has been proven that the Feyer kernel can serve as a tool for smoothing the waveform, which is especially important in the case of designing wireless networks, as it provides the required spectral efficiency of the signal, and, as a result, the most complete use of the available frequency resource. A simulation model of the process of forming frequency plans for quasi-orthogonal frequency separation of channels has been developed, which allows determining the width of subchannels in the frequency plans of ensembles of complex signals, taking into account their number. This allows synthesizing ensembles of complex signals with low interaction in the frequency domain. A statistical evaluation of the intercorrelation properties of the signals was carried out, taking into account the different values of the number of subchannels, their width, and the total spectrum width of the ensemble of frequency plans. According to the obtained results, directions for increasing the volume of frequency plans of complex signals based on QOFDM were determined.