Дослідження процесу передачі зображень у безпровідних системах на основі MIMO

Abstract

Системи безпровідного передавання даних уже стали невід'ємною частиною сучасного суспільства. Основними критеріями ефективності таких систем є швидкість переданої інформації. Однак недостатньо тільки забезпечити високу пропускну здатність, необхідно також подбати про якість переданої інформації [1,2]. Наприклад, спотворення сигналу під час передавання аудіо/відео, а також зображень може істотно позначитися на сприйнятті інформації. Нині існує безліч технологій безпровідного зв'язку, які знайшли масове застосування. Наприклад, мобільний зв'язок, безпровідні технології для локальних мереж на основі стандарту 802.11, серед яких одним із перспективних, з погляду пропускної здатності, є стандарт на основі технології MIMO 802.11n [3,4]. У той час як технологія Wi-Fi використовується для побудови мереж з невеликою дальністю дії, існує технологія WiMAX, яка використовується для побудови бездротових мереж на великих відстанях. Основною проблемою для безпровідних мереж є складний характер поширення сигналів у середовищі, яких сильно залежить від конкретної місцевості. Різноманітні індустріальні перешкоди в сукупності з багатошляховим поширенням сигналу, рухом мобільної станції відносно базової ускладнюють функціонування бездротової апаратури і сильно впливають на пропускну здатність каналу [5]. Передача зображень безпровідним каналом зв'язку є актуальним питанням, що відображено в низці публікацій. Основним недоліком існуючих робіт є те, що їх автори здебільшого використовують як середовище передавання канал з адитивним гаусівським шумом, що сильно відрізняється від реального каналу зв'язку, особливо в умовах щільної міської забудови. Крім того, автори не застосовують алгоритми просторової фільтрації сигналів для боротьби з перевідбиттями, що потрапляють до приймальної антенної системи з різною затримкою, амплітудними та фазовими спотвореннями, а також кутовими координатами в умовах апріорної невизначеності. Адаптивний підхід просторової фільтрації істотно може знизити спотворення сигналів у разі багатошляхового поширення завдяки формуванню характеристики спрямованості згідно із заданим алгоритмом. Такий підхід дає змогу виокремити тільки один шлях, яким приходить корисний сигнал, тим самим істотно знижує інтерференцію і спотворення сигналів у приймачі. Об’єкт дослідження – передача зображень. Предмет дослідження – системи безпровідного зв’язку. Метою магістерської кваліфікаційної роботи є підвищення пропускної здатності, зниження ймовірності бітової помилки під час передання зображень у каналі радіозв'язку. У першому розділі розглянуто особливості функціонування технології WiMAX , яка призначена для розгортання систем зв'язку середнього радіусу дії та спрямована на підвищення спектральної ефективності. Здійснено аналіз систем із просторово- часовою обробкою сигналів. Описано ефективність системи MIMO з точки зору збільшення пропускної здатності бездротового каналу. Представлено основні ідеї адаптивного оброблення сигналів у системах бездротового зв'язку. У другому розділі описано чинники, що впливають на поширення сигналів у безпровідних каналах, такі як втрати на шляху розподілу, затінення, відбиття, дифракція, розсіювання, загасання. Представлено модель 3D-каналу, що враховує кути поширення сигналу під час відбиття. Безпровідний канал для системи WiMAX розроблено на основі загальної схеми моделі 3GPP/WiMAX. Тривимірна модель поширення сигналів показує відбиття від будівель, об'єктів і землі, а також показує прямий шлях. Проаналізовано різні методи просторової обробки, що використовуються в методах кодування з кількома антенами. У третьому розділі досліджено основні особливості алгоритму передавання зображень. Розроблено алгоритм моделювання та блоку адаптації для систем зв'язку на основі антенних решіток. У четвертому розділі здійснено моделювання систем SISO і MIMO без застосування адаптивного блоку, що дало змогу порівняти завадостійкість цих систем за різних видів цифрової маніпуляції піднесучих OFDM. Проаналізовано, як змінюватиметься залежність пропускної спроможності для систем із просторово- часовою обробкою за різної кількості антен. Здійснено моделювання систем безпровідного зв'язку із застосуванням блоку адаптивної обробки, який дозволяє виконувати просторову фільтрацію перевідбитих сигналів для зниження перешкод. У результаті за різних параметрів блоку адаптивного оброблення було отримано залежності ймовірності бітової помилки в системі SISO і MIMO. Також представлено залежність пропускної спроможності для систем із просторовою та адаптивною обробкою. У п’ятому розділі здійснено економічну оцінку енергоефективної архітектури для сучасних безпровідних систем зв’язку. На основі здійснених обчислень показано доцільність реалізації такого проєкту.Wireless data transmission systems have become essential in today’s digital landscape, with transmission speed being the primary measure of their effectiveness. However, merely achieving high data rates isn’t sufficient; maintaining the quality of transmitted information is equally crucial [1,2]. Signal distortion during audio, video, or image transmission can notably impact information perception. Currently, various wireless communication technologies are widely implemented. For example, mobile networks and local area networks utilizing the 802.11 standard have become popular, with MIMO 802.11n technology standing out for its superior bandwidth [3,4]. While Wi-Fi is primarily used for short-range networking, WiMAX technology enables the establishment of wireless networks across extended distances. One of the biggest challenges in wireless networks is the complex behavior of signal propagation, which is heavily influenced by specific environmental factors. Industrial interference, multipath propagation, and the movement of a mobile station relative to a base station all complicate network functionality and affect channel capacity [5]. Transmitting images over wireless channels is a pressing issue addressed in multiple studies. However, many works assume an idealized channel with additive Gaussian noise, which does not fully capture real-world conditions, particularly in dense urban areas. Moreover, these studies often overlook spatial filtering algorithms that can mitigate multipath reflections with varying delays, amplitude, phase distortions, and arrival angles. Adaptive spatial filtering can help minimize signal distortion from multipath effects by forming a desired directional pattern. This approach enables focusing on the primary path of the signal, reducing interference and distortion at the receiver. The research object is image transmission, and the subject is wireless communication systems. The purpose of this thesis is to enhance bandwidth and reduce the bit error probability in image transmission over radio communication channels. The first chapter explores WiMAX technology, focusing on its potential to improve spectral efficiency in medium-range communication systems. The analysis examines systems using spatial-temporal signal processing, evaluating MIMO technology's capacity to expand wireless channel capacity. Fundamental concepts in adaptive signal processing for wireless systems are introduced. The second section addresses factors influencing signal behavior in wireless channels, including propagation losses, shadowing, reflection, diffraction, scattering, and attenuation. A 3D channel model that accounts for signal reflection angles is presented, developed based on the 3GPP/WiMAX framework. This model illustrates reflections from buildings, objects, and the ground, as well as the direct signal path. Various spatial processing techniques applied in multiple-antenna coding are analyzed. In the third chapter, the main aspects of the image transmission algorithm are examined, with the development of a modeling algorithm and an adaptation unit tailored for antenna array-based communication systems. The fourth section presents models of SISO and MIMO systems without an adaptive block, enabling comparison of noise resilience under different OFDM subcarrier modulation schemes. The analysis shows how channel throughput changes with various antenna configurations in systems utilizing spatial-temporal processing. Wireless systems are modeled with an adaptive processing unit that uses spatial filtering to minimize interference from re-reflected signals. The bit error probability in SISO and MIMO systems was calculated for different adaptive processing unit configurations, with throughput results also provided. In the fifth chapter, an economic assessment is conducted for energy-efficient architectures in modern wireless communication systems, demonstrating the project’s feasibility based on financial calculations.