Методы пространственно-временного кодирования сигналов в нестационарных частотно-селективных каналах MIMO-OFDM систем связи

В работе исследуются методы пространственно‑временно́го кодирования сигналов в системах MIMO‑OFDM при передаче в нестационарных частотно‑селективных каналах. Рассмотрены ограничения традиционных подходов (STBC, SFBC) при высоких уровнях доплеровского сдвига и частотной избирательности. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения спектральной эффективности и устойчивости беспроводных систем связи к межсимвольным помехам и доплеровским искажениям.

Используемые методы. В статье предложена структура комбинированного алгоритма пространственного кодирования WHSTBC‑CC, основанного на сопряженном подавлении и преобразовании Уолша –Адамара. Построены математические модели передающих и приемных сигналов, учитывающие влияние искажений канала и аддитивного белого гауссова шума. Для анализа эффективности применены методы моделирования с учетом нормированных значений доплеровского сдвига и коэффициентов временно́й и частотной корреляции.

Результаты. Показано, что использование WHSTBC‑CC обеспечивает повышение устойчивости передачи и снижение вероятности ошибок при fdT ≤ 0,01. Коэффициент энергетического выигрыша метода составляет 5–12 дБ по сравнению с классическим STBC и практически не зависит от частотной избирательности канала. Разработанная в работе модификация пространственного кодирования с использованием преобразования Уолша – Адамара и алгоритма сопряженного подавления позволяет частично компенсировать указанные недостатки, повышая устойчивость системы и обеспечивая выигрыш по энергии до 12 дБ по сравнению с классическим STBC. Экспериментальные измерения на подвижной SDR-платформе подтвердили работоспособность предложенного подхода в условиях реальной радиосреды, включая сценарии с прямой видимостью и без нее.

Новизна работы заключается в разработке алгоритма адаптивного пространственного кодирования, интегрирующего различные схемы (STBC, SFBC) в зависимости от параметров канала.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и оптимизации систем MIMO‑OFDM для сетей мобильной связи и широкополосного доступа, а также в специализированных радиосетях, функционирующих в условиях высокой нестационарности и воздействия средств радиоэлектронного подавления.

1. Nizamaldeen S.A., Al-Qaradaghi T.M. A comparison between STBC-OFDM and SFBC-OFDM // International Journal of Arts and Sciences. 2014. Vol. 6. Iss. 5. PP. 157–166.

2. Hanzo L., Akhtman J., Wang L. MIMO-OFDM for LTE, WiFi and WiMAX: Coherent versus Non-coherent and Cooperative Turbo Transceivers. IEEE, 2011.

3. Yeh H.G. Architectures for MIMO-OFDM System in Frequency Selective Mobile Fading Channels // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2015. Vol. 62. Iss. 12. PP. 1189–1193. DOI:10.1109/TCSII.2015.2498300

4. Al-Dweik A., Kalbat F., Muhaidat S. Filio O., Ali S.M. Robust MIMO-OFDM System for Frequency Selective Mobile Wireless Channels // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2014. Vol. 64. Iss. 5. PP. 1739‒1749. DOI:10.1109/TVT.2014.2340736

5. Medina C.A., Sampaio-Neto R. Frequency domain equalization space-time block-coded CDMA transmission system // Journal on Wireless Communications and Networking. 2011. Vol. 2011. Р. 80. DOI:10.1186/1687-1499-2011-80

6. Солодовник В.И., Науменко Н.И. Пространственно-частотное блочное кодирование с двухрежимной индексной модуляцией OFDM и повышенной устойчивостью к частотной селективности канала // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2020. Т. 63. № 4. С. 217–234. DOI:10.20535/s0021347020040020. EDN:SWLRPQ

7. Youssefi M., Bounouader N., Guennoun Z., El Abbadi J. Adaptive Switching between Space-Time and Space-Frequency Block Coded OFDM Systems in Rayleigh Fading Channel // International Journal of Communications, Network and System Sciences. 2013. Vol. 6. Iss. 6. РP. 318‒320. DOI:10.4236/ijcns.2013.66034

8. Kumar R.R., Indumathi P., Pandian R., Jacob T.P., Pravin A., Prasad K.M. Adaptive modulation and coding in a changing wireless environment // AIP Conference Proceedings. 2024. Vol. 2850. Iss. 1. P. 030011. DOI:10.1063/5.0208281

9. Lee N., Kang J., Lee N., Kang J. Adaptive switching between space-time and space-frequency block coded OFDM Systems // Proceedings of the Military Communications Conference (San Diego, USA, 16‒19 November 2008). IEEE, 2008. DOI:10.1109/MILCOM.2008.4753221

10. Azza M.A., El Yahyaoui M., El Moussati A. Adaptive Modulation and Coding for the IEEE 802.15.3c High Speed Interface Physical Layer Mode // Proceedings of the Mediterranean Conference on Information & Communication Technologies (MedCT 2015, Saïdia, Morocco, 7‒9 May 2015). Lecture Notes in Electrical Engineering. Cham: Springer, 2016. Vol. 380. PP. 365–371. DOI:10.1007/978-3-319-30301-7_38

11. Kyritsi P., Chizhik D. Capacity of multiple antenna systems in free space and above perfect ground // IEEE Communications Letters. 2002. Vol. 6. Iss. 8. PP. 325–327. DOI:10.1109/LCOMM.2002.802049

12. Тихвинский В.О., Володина Е.Е. Подвижная связь третьего поколения. Экономика и качество услуг. М.: Радио и связь, 2005. 240 c.

13. Балабанов И.В., Сидорин В.В. Обеспечение доступности услуг в сетях подвижной связи // Интернет-журнал науковедение. 2014. № 2(21). С. 95. EDN:SJFMHD