Дослідження алгоритмів демодуляції у системах зв’язку із використанням технології Massive MIMO

Abstract

Для розв'язання важливих завдань економіки та соціальної сфери потрібне розроблення сучасної високошвидкісної інфраструктури зберігання, оброблення та передавання інформації. Темпи розвитку телекомунікацій, що зростають, і відчутні зміни потреб та очікувань абонентів мереж бездротового зв'язку ставлять складні завдання комплексного передавання, оброблення даних в умовах жорсткого обмеження часових, енергетичних і частотних ресурсів [1-3]. Для збільшення пропускної спроможності в системах бездротового зв'язку 5-го і 6-го поколінь (5G і 6G) використовується технологія з великим числом передавальних і приймальних антен (MIMO). Однак зі збільшенням числа антен відбувається істотне підвищення складності алгоритмів демодуляції. Таким чином, розробка ефективних демодуляторів, що мають порівняно низьку складність реалізації, є актуальною проблемою . Технологія Massive MIMO дає змогу підвищити як спектральну, так і енергетичну ефективність бездротових систем зв'язку, однак для практичної реалізації потрібні високоефективні алгоритми цифрової обробки сигналів, які не потребують застосування додаткових ресурсів. Слід зазначити, що стандартами регламентується тільки передавальний бік систем радіозв'язку, розробка приймачів залишається на розсуд розробників і виробників обладнання. В умовах жорсткої конкуренції на ринку послуг зв'язку, а також в умовах імпортозаміщення обладнання інтерес до дешевих ефективних і простих демодуляторів різко зростає. Незважаючи на те, що наразі вже існує багато алгоритмів, і сучасні цифрові сигнальні процесори дають змогу реалізувати складні алгоритми цифрового оброблення сигналів для систем із великим числом антен, усе ще залишається актуальним завдання синтезу алгоритму, який володіє прийнятною обчислювальною складністю і хорошими характеристиками завадостійкості [4,5]. Актуальним завданням є дослідження алгоритмів демодуляції, що мають завадостійкість вищу, ніж у кращого лінійного алгоритму - оптимального за критерієм мінімуму середньоквадратичної помилки та мають такий самий порядок складності. Для підвищення завадостійкості лінійних демодуляторів під час синтезу алгоритмів демодуляції необхідно враховувати доступну апріорну інформацію про передані сигнали . На шляху до масового впровадження технології Massive MIMO є чимало труднощів, зокрема, проблема синтезу високоефективних і таких, що мають прийнятну обчислювальну складність, алгоритмів цифрового оброблення сигналів. Дослідження алгоритмів демодуляції з прийнятною обчислювальною складністю, які враховують апріорну інформацію про множину інформаційних символів і мають завадостійкість, близьку до завадостійкості демодулятора ML, на сьогоднішній день є одним із пріоритетних завдань сучасного бездротового зв'язку. Предметом дослідження є алгоритми демодуляції для систем MIMO з великим числом антен. Об'єктом дослідження є демодуляція сигналів у системах Massive MIMO із застосуванням різних порядків квадратурної амплітудної модуляції. Метою магістерської кваліфікаційної роботи є дослідження алгоритмів демодуляції у системах безпровідного зв'язку, що використовують технологію MIMO з великим числом антен.

To address key economic and social challenges, the development of advanced high-speed infrastructure for data storage, processing, and transmission is essential. Rapid growth in telecommunications and evolving needs of wireless users introduce complex challenges in integrated data handling, particularly under strict limitations of time, energy, and frequency resources [1-3]. In efforts to boost capacity, 5th and 6th generation wireless communication systems (5G and 6G) utilize multi-antenna (MIMO) technology. However, as antenna numbers increase, so does the complexity of demodulation algorithms. This makes the development of efficient, low-complexity demodulators a critical area of research. Massive MIMO technology enhances both spectral and energy efficiency in wireless systems. Yet, its real-world application depends on highly effective digital signal processing algorithms that operate without extra resource demands. Notably, while communication standards regulate only the transmission side, receiver development is left to equipment designers and manufacturers. Amid intense competition and the push for domestic solutions, the demand for simple, cost-effective, and efficient demodulators is rising. Though many algorithms currently exist, and modern digital processors can support complex signal processing for large-antenna systems, there remains a need for algorithms with manageable computational demands and robust noise resilience [4,5]. A critical goal is to explore demodulation algorithms with superior noise immunity compared to the best linear algorithms—those that meet the minimum mean square error criterion—while maintaining similar complexity levels. Enhancing the noise resilience of linear demodulators requires incorporating available prior information about transmitted signals into demodulation algorithm design. The large-scale adoption of Massive MIMO faces multiple challenges, particularly in the development of efficient signal processing algorithms with feasible computational demands. Investigating demodulation algorithms that integrate prior information about symbol sets and achieve noise immunity close to that of ML demodulators is currently a key priority in modern wireless communications. This research focuses on demodulation algorithms for MIMO systems with extensive antenna arrays. The object of study is the demodulation of signals in Massive MIMO systems using various quadrature amplitude modulation schemes. The aim of this thesis is to examine demodulation algorithms within MIMO-based wireless systems that utilize high antenna counts.