Исследование и разработка алгоритмов обработки сигналов в системах MIMO с применением пространственно-временных кодов

Актуальность. С развитием цифровых радиотехнических систем передачи информации возрастают требования к спектральной эффективности мобильных и гибридных систем и сетей радиосвязи. Для удовлетворения этих требований в современных системах радиосвязи широко применяется технология многоканальных антенных систем (MIMO, аббр. от англ. Multiple-Input Multiple-Output). Использование нескольких передающих и приемных антенн в системах MIMO предъявляет повышенные требования по производительности алгоритмов обработки сигналов. В связи с этим задача разработки быстрых и эффективных алгоритмов обработки сигналов приобретает актуальность.

Цель исследования заключается в анализе и оптимизации пространственно-временны́х методов кодирования, а также алгоритмов обработки сигналов в системах MIMO. Разработан алгоритм обработки сигналов, обеспечивающий необходимую спектральную эффективность, при существенно сниженной вычислительной сложности. В настоящем исследовании применяются методы численного моделирования
в среде MATLAB для сравнения эффективности различных алгоритмов обработки сигналов в системах MIMO в канале с замираниями.

В ходе решения поставленных задач рассмотрены принципы построения пространственно-временны́х кодовых матриц для методов кодирования, а также проанализированы методы когерентной демодуляции сигналов, на основе чего предложен алгоритм, обладающий пониженной вычислительной сложностью. Вычисление обратной матрицы канала в алгоритмах когерентной демодуляции, особенно для матриц высокой размерности, является вычислительно затратной операцией. В связи с этим научная новизна работы заключается в разработке и применении нового подхода к аппроксимации обратной матрицы, основанного на совместном использовании итерационного метода Якоби и разложения в ряд Неймана.

Практическая значимость. Разработанный алгоритм может быть использован при построении
систем MIMO с большим числом передающих и приемных антенн, а также при применении методов кодирования с неортогональной структурой для увеличения скорости кодирования. В таких системах использование методов демодуляции требует значительных вычислительных ресурсов для нахождения обратной матрицы, что ограничивает производительность в реальных условиях.

1. Варгаузин В.А., Цикин И.А. Методы повышения энергетической и спектральной эффективности цифровой радиосвязи. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 352 с. EDN SDSMUX

2. Быховский М.А. Гиперфазовая модуляция ‒ оптимальный метод передачи сообщений в гауссовских каналах связи. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 310 с. EDN:IPVDXR

3. Лукьянчик Я.И., Левенец А.В., Чье Е.У. Модель системы передачи данных с обратной связью и адаптивным выбором кодирования по состоянию канала связи // Информационные технологии XXI века. 2015. С. 506‒513. EDN:UDRXTH

4. Кульбида В.А. Способы помехоустойчивого кодирования и декодирования для построения систем связи с адаптацией этих способов к состоянию канала // Техника радиосвязи. 2006. № 11. С. 40–51. EDN:LTWRRX

5. Каменцев О.К. Алгоритмы обработки спектрально-эффективных сигналов с частотным мультиплексированием. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Воронежский государственный университет, 2024. 131 с. EDN:JSKECY

6. Мальцев А.А., Рубцов А.Е. Исследование характеристик OFDM-систем радиосвязи с адаптивным отключением поднесущих // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2007. № 5. С. 43–49. EDN:JXCIBV

7. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Панкратов Д.Ю. Применение технологии MIMO в современных системах беспроводной связи разных поколений // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2021. Т. 15. № 4. С. 4–12. DOI:10.36724/2072-8735-2021-15-4-4-12. EDN:FPZEGW

8. Панкратов Д.Ю., Пахомова А.В. Применение технологии MIMO для улучшения характеристик физического уровня беспроводных сетей Wi-Fi // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2024. Т. 16. № 3. С. 55–61. DOI:10.36724/2409-5419-2024-16-3-55-61. EDN:UEAIEZ

9. Петров В.П., Якушев И.Ю. Современные технологии в системе MIMO // Вестник СибГУТИ. 2019. № 2. С. 94–108. EDN:HKRBBT

10. Комаров М.И., Панкратов Д.Ю., Степанова А.Г., Чуманов А.Е. Помехоустойчивость и вычислительная сложность алгоритмов демодуляции для систем MIMO с разным числом антенн // DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2022. Т. 12. № 1. С. 39–47. EDN:ENKGOL

11. Крейнделин В.Б., Смирнов А.Э., Бен Режеб Т.Б.К. Эффективность методов обработки сигналов в системах MU-MIMO высоких порядков // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Т. 10. № 12. С. 24–30. EDN:XKNRRJ

12. Alamouti S.M. A simple transmit diversity technique for wireless communications // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 1998. Vol. 16. Iss. 8. PP. 1451–1458. DOI:10.1109/49.730453

13. Tarokh V., Jafarkhani H., Calderbank R. Space-time block coding for wireless communications: performance results // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 1999. Vol. 17. Iss. 3. PP. 451–460. DOI:10.1109/49.753730

14. Ganesan G., Stoica P. Space-time block codes: A maximum SNR approach // IEEE Transactions on Information Theory. 2001. Vol. 47. Iss. 4. PP. 1650–1656. DOI:10.1109/18.923754

15. Arti M.K. OSTBC Transmission in Large MIMO Systems // IEEE Communications Letters. 2016. Vol. 20. Iss. 11. PP. 2308–2311. DOI:10.1109/LCOMM.2016.2597229

16. Ozbek B., Ruyet D., Bellanger M. Non-Orthogonal Space-Time Block Coding Design for 3 Transmit Antennas. 2003. URL: https://easytp.cnam.fr/leruyet/Publications/gretsi2003.pdf (Accessed 25.06.2025)

17. Dama Y., Abd-Alhameed R., Ghazaany T., Zhu S. A New Approach for OSTBC and QOSTBC // International Journal of Computer Applications. 2013. Vol. 67. Iss. 6. PP. 45–48. DOI:10.5120/11403-6719

18. Wu C., Yang S., Xiao Y., Xiao M. Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coded Spatial Modulation // IEEE Transactions on Communications. 2022. Vol. 70. Iss. 12. PP. 7872–7885. DOI:10.1109/TCOMM.2022.3216805. EDN:JFXAGD

19. Seema S., Arti M.K., Reddy B. Data Detection in Large MIMO System with Reduced Computational Complexity for QOSTBC Transmission // Proceedings of the 3rd International Conference on Advancement in Electronics & Communication Engineering (AECE, Ghaziabad, India, 23‒24 November 2023). IEEE, 2023. PP. 46–50. DOI:10.1109/AECE59614.2023. 10428602

20. Jung Y.-H., Nam S.H., Chung J., Kim Y., Ko K., Chae C.-B., et al. Enhancement of Rate 2 STC with Antenna Grouping // IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group. 2004. URL: https://www.ieee802.org/16/tge/contrib/C80216e-04_555.pdf (Accessed 25.06.2025)

21. Chae C.-B., Roh W., Yun S.-R., Ko K., Jeong H., Oh J.T., et al. Enhancement of STC with Antenna Grouping // IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group. 2004. URL: https://ieee802.org/16/tge/contrib/C80216e-04_554r4.pdf (Accessed 25.06.2025)

22. Djemamar Y., Ibnyaich S., Zeroual A. Space-Time Block Coding Techniques for MIMO 2×2 System using Walsh-Hadamard Codes // Journal of International Conference on Electrical and Information Technologies. 2022. PP. 1–7. DOI:10.6109/jicce.2022.20.1.1

23. Mecklenbräuker C.F., Rupp M. Generalized Alamouti Codes for Trading Quality of Service Against Data Rate in MIMO UMTS // EURASIP Journal on Advances in Signal Processing. 2004. PP. 662–675. DOI:10.1155/S1110865704310061

24. Быховский М.А. Пространственно-временное кодирование в системах MISO // Электросвязь. 2020. № 1. С. 67–75. DOI:10.34832/ELSV.2020.2.1.010. EDN:LARTEL

25. Смирнов А.Э. Снижение порядка вычислительной сложности алгоритмов детектирования в многоантенных системах за счёт использования алгоритмов быстрого умножения матриц // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2015. Т. 15. № 5. С. 267–270. EDN:VOUGPX

26. Панкратов Д.Ю., Степанова А.Г. Вычислительная сложность алгоритмов демодуляции систем MIMO с большим числом антенн // DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2021. Т. 11. № 1. С. 11–20. EDN:QTSOZP

27. Khrapov P.V., Volkov N.S. Comparative analysis of Jacobi and Gauss-Seidel iterative methods // International Journal of Open Information Technologies. 2024. Vol. 12. Iss. 2. PP. 23–34. DOI:10.48550/arXiv.2307.09809. EDN:INYTHE

28. Björck, Å. Numerical Methods in Matrix Computations. Cham: Springer, 2015. 551 p. DOI:10.1007/978-3-319-05089-8

29. Cho Y.S., Kim J., Yang W.Y., Kang C.G. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB. John Wiley & Sons, 2010. 439 p. DOI:10.1002/9780470825631. EDN:SRQIDH