автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Алгоритмы и методы структурного проектирования средств обработки информации в системах радиосвязи с кодовым разделением каналов для железнодорожного транспорта

Введение.

Глава I. Обзор систем сотовой связи.

1.1. Стандарты сотовой связи.

1.2. Вычислительная сеть Восточно-Сибирской железной дороги.

1.2.1. Роль информатизации железных дорог.

1.2.2. Сеть передачи данных ВСЖД.

1.2.3. Корпоративная сеть верхнего уровня.

1.2.4. Электронная почтовая система ВСЖД.

1.3. Основная проблема систем с кодовым разделением каналов.

1.4. Оборудование для систем CDMA.

4.5.1. Motorola.

4.5.2. Nortel.

4.5.3. QUALCOMM.

4.5.4. Samsung.

1.5. Постановка задачи исследования.

Глава II. Системы с кодовым разделением каналов.

2.1. Концепция системы с расширенным спектром.

2.2. Коэффициент усиления системы.

2.3. Формирование сигнала прямой последовательности в системах с расширенным спектром.

2.3.1. Бинарное кодирование со сдвигом фазы.

2.3.2. Квадратурное фазово-сдвиговое кодирование.

2.4. Производительность систем CDMA.

2.5. Процесс формирования расширенного сигнала.

2.6. Псевдослучайные коды.

2.7. Свойства ПС-кодов максимальной длины.

2.8. Автокорреляция.

2.9. Кросскорреляция.

2.10. Ортогональный функции.

Глава III. Проектирование систем связи с кодовым разделением каналов.

3.1. Базовая модель синхронизированного канала CDMA.

3.2. Влияние затухания и замирания в канале CDMA.

3.3. Влияние белого гауссового шума.

3.4. Многопользовательское детектирование в CDMA.

3.5. Корреляционный детектор.

3.5.1. Анализ работы корреляционного детектора.

3.6. Исключение интерференции.

3.6.1. Последовательное исключение интерференции.

3.6.2. Анализ работы детектора с последовательным исключением интерференции.

3.6.3. Параллельное исключение интерференции.

3.6.4. Анализ работы детектора с параллельным исключением интерференции.

3.7. Эффективность многопользовательского детектирования.

3.8. Условия ограничения многопользовательского детектирования.

Данная работа посвящена способу передачи данных с помощью кодового разделения каналов. Кодовое разделение каналов используется в различных стандартах и типах связи, в том числе и в радиосвязи, в качестве сотового стандарта CDMA — Code Division Multiple Access (Многостанционный доступ с кодовым разделением). Актуальность рассмотрения систем с кодовым разделением каналов заключается в том, что в последнее время резко увеличился поток трафика данных, тогда как количество проложенных кабелей и отведённых частот не возрастает такими быстрыми темпами, как потребность человека в информации. Таким образом, возникает потребность в разработке новых технологий передачи данных и увеличении пропускной способности каналов связи. При этом должны соблюдаться качество связи и простота изготовления передающих устройств. У систем сотовой связи CDMA есть одна большая проблема - наличие интерференции между сигналами различных пользователей. Огромный вклад в разработку систем связи с кодовым разделением каналов и решение проблемы исключения интерференции внесли Шеннон, Адамар, Марков, Витерби, Верду и др.

В работе проведен подробный анализ систем CDMA и их применимости на железнодорожном транспорте, найдены закономерности уменьшения вероятности ошибки при исключении интерференции и эффективность многопользовательского детектирования, а также предложен метод детектирования сигналов для каналов с большими помехами.

Глава I. Обзор систем сотовой связи 1.1. Стандарты сотовой связи

В 1970-х гг. в Bell Telephone Laboratories разработали первую беспроводную систему передачи сигнала для обслуживания мобильных абонентов. Получившаяся коммерческая система состояла из трех основных компонентов — сотовых телефонов, базовых станций и коммутационного узла (Mobile Switching Center, MSC). Несмотря на все значительные технические достижения последней четверти века, базовые компоненты сотовой системы остались теми же. Кроме того, базовая концепция, лежащая в основе сотовой связи, также не претерпела изменений. Эта концепция предусматривает разделение обслуживаемой области на географические зоны, называемые «сотами».

Название стандарта NMT расшифровывается как Nordic Mobile Telephony, что однозначно указывает на его происхождение: он был разработан еще в конце 70-х годов в скандинавских странах для использования преимущественно на севере Европы. Стандарт этот является полностью аналоговым и работает в частотных диапазонах 450 и 900 МГц. И именно этот стандарт, точнее NMT 450, был выбран компанией «Московская Сотовая Связь» (МСС), когда в начале 90-х она начала строить первую сотовую телефонную сеть в России. Более 50 российских операторов стандарта NMT 450 объединены в ассоциацию и совместными усилиями обеспечивают услуги сотовой связи в рамках федеральной сети COTEJI практически в любой точке нашей страны. (Кстати, следует отметить, что только NMT 450 и GSM имеют статус федеральных стандартов сотовой связи и, следовательно, обеспечивают полноценный автоматический роуминг на территории России).

Подобное распространение стандарта NMT 450 объясняется, конечно же, не только историческими (первые всегда в выигрыше), но и чисто техническими причинами. Ввиду низкой (по сравнению с другими стандартами) частоты, используемой NMT 450, размер соты (т. е. площадь обслуживания одной базовой станции) у него значительно больше. Это обеспечивает значительно меньшие затраты при построении сети на больших территориях, где плотность населения достаточно низка и число абонентов, соответственно, меньше. Именно этот факт и позволил обеспечить покрытие сотовой связью стандарта NMT 450 значительной части территории России. Впрочем, за все надо платить, и это преимущество оборачивается большими габаритами телефонных аппаратов с весьма длинными антеннами и непомерным энергопотреблением (опять же, по сравнению с телефонами других стандартов). При этом в больших городах, где большое количество абонентов требуется обслужить на малой площади, сеть NMT 450 значительно уступает тем же GSM и D-AMPS. Кроме того, при связи в стандарте NMT помехозащищенность значительно хуже, а защита от подслушивания отсутствует вовсе. Да и предоставляемый абонентам аналоговой сети набор услуг, естественно, значительно беднее, чем в сетях цифровых стандартов. Если говорить о передаче данных, то в сети NMT 450 она возможна, однако следует учитывать, что при этом аналоговый телефонный канал используется для обычной модемной связи. По утверждению компании Ericsson, максимальная скорость передачи данных в сети NMT может достигать 19,2 Кбит/с. Это, в принципе, согласуется с опытными данными некоторых абонентов МСС, которым на практике удавалось добиться скорости порядка 14,4 Кбит/с [1].

Изобретенная в Bell Laboratories аналоговая сотовая телефонная связь использовала FDMA. Эта система предусматривала распределение частотного диапазона от 800 до 900 МГц (также называемого 800-мегагерцовым диапазоном) между сотовыми операторами с последующим разделением его на каналы шириной 25 кГц. Эта аналоговая телефонная система известна также как AMPS. В AMPS для обеспечения множественного доступа каждая сота делится по частоте на различные каналы. В каждый момент времени в пределах конкретной соты один канал может занимать только один абонент. Канал остается занятым, пока мобильный абонент не достигнет пункта, в котором мощность сигнала опускается ниже предопределенного уровня. В этот момент обслуживающая абонента базовая станция информирует MSC о том, что абонент выходит за границы соты. MSC передает звонок антенне базовой станции в той соте, куда направляется абонент. Передача происходит на канале с иной частотой. Это снижает вероятность интерференции между соседними сотами. Однако ограниченный диапазон частот, выделенный AMPS, использование каналов шириной 25 кГц и требование поддержки одних и тех же частот в соседних сотах ограничивают число одновременных звонков, которые сота может обслужить.

С увеличением числа пользователей в системе FDMA, приобретающих сотовые телефоны с годичным контрактом на обслуживание, абоненты все чаще начинают сталкиваться с блокированием вызовов, т е. попросту они никому не могут позвонить. Кроме того, когда базовой станции недостает емкости для выделения канала прибывающему мобильному пользователю, некоторые пользователи сталкиваются с прерыванием звонков при перемещении из одной соты в другую. Видя, что аналоговые сотовые системы с фиксированными сотами не в состоянии обслуживать растущую базу абонентов, разработчики сотовых технологий после исследования различных методов доступа предложили две новые системы: Time Division Multiple Access (TDMA) и CDMA.

TDMA предусматривает деление радиоканалов на временные интервалы, каждый длительностью малую долю секунды. Каждый из временных интервалов распределяется затем между восемью абонентами, что существенно увеличивает емкость соты. Сотовые системы на базе TDMA работают в Северной Америке в диапазонах 800 или 1900 МГц и называются цифровой сотовой или персональной службой связи (Personal Communications Services, PCS). Цифровые сотовые системы работают на частоте 800 МГц, а североамериканские системы PCS — на частоте 1900 МГц. Вследствие того, что системы PCS функционируют на более высоких частотах, а длина волны обратно пропорциональна частоте, их длина волны оказывается короче. Чем меньше длина волны, тем, соответственно, меньше диаметр соты, а это означает, что 1900-мегагерцовым системам требуется больше сот для покрытия одной и той же географической области, чем 800-мегагерцовым системам. TDMA обычно сосуществует с аналоговыми каналами в той же сети, благодаря чему абоненты могут продолжать пользоваться широким покрытием аналоговой сети, между тем как покрытие TDMA продолжает расти. Конечно, чтобы можно было воспользоваться этими преимуществами, сотовый телефон должен поддерживать оба режима. TDMA называется также Digital-AMPS (DAMPS) и North America TDMA (NA-TDMA). Еще больше увеличивают путаницу периодически встречающиеся термины IS-54 и IS-136, также относящиеся к TDMA. IS-54 была первой стандартизованной TIA реализацией TDMA. Предложенная сотовая версия TDMA «следующего поколения» получила обозначение IS-136. Эта технология обеспечивает передачу данных со скоростью до 43,2 Кбит/с. Кроме того, она может эволюционировать в систему третьего поколения (3G) с поддержкой скоростей передачи до 384 Кбит/с для мобильных пользователей и до 2 Мбит/с для неподвижных пользователей.

GSM является общеевропейской версией TDMA. Этот стандарт используется более чем в 90 странах, но наибольшее распространение он получил в Европе, благодаря чему европейцы могут перемещаться из страны в страну без использования телефонов с поддержкой двух разных технологий. Во всемирном масштабе примерно половина от общего числа пользователей обязана возможностью сотовой связи именно технологии GSM. Одной из наиболее интересных возможностей GSM является поддержка передачи коротких сообщений (Short Message Service, SMS), благодаря которой телефоны GSM могут принимать короткие текстовые сообщения. Кроме того, телефон GSM можно подключить к ПК для передачи данных и факсимильных сообщений со скоростью 9,6 Кбит/с. Первоначально ограниченная диапазоном 900 МГц новая европейская версия GSM работает в диапазоне 1800 МГц [2].

Разработанный в СССР в середине 30-х годов прошлого века способ передачи радиосигнала с помощью кодового разделения каналов был успешно применен во время второй мировой войны и в дальнейшем использовался в военных целях. Лишь через пятьдесят лет американская компания Qualcomm получила лицензию на использование стандарта CDMA в коммерческих целях. Сейчас стандарт CDMA является вторым по популярности в мире после GSM.

Системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, (Code Division Multiple Access, CDMA), имеют ряд неоспоримых преимуществ перед вышеупомянутыми системами сотовой связи, а именно, TDMA и FDMA. Эти преимущества касаются скорости передачи информации, качества связи и обслуживания системы, предоставления различных сервисов абонентам и т.п. CDMA может обеспечить приблизительно в 10—20 раз большую емкость, чем AMPS, и в 4—6 раз большую емкость, чем TDMA. В отличие от аналоговых и цифровых систем, передача обслуживания абонента между сотами осуществляется более гладко, так как система CDMA позволяет абоненту взаимодействовать с несколькими сотами. Как и TDMA, CDMA работает в диапазонах частот 800 и 1900 МГц. CDMA обеспечивает скорости 9,6Кбит/с для голосовой передачи, 14,4Кбит/с для передачи данных, а основанная на CDMA технология IMT-2000 предусматривает передачу данных со скоростью 2Мбит/с для стационарных объектов. Таким образом, это позволит осуществить качественную передачу данных на расстояние до 30 км., без использования медных линий в том числе и в сетях передачи данных железных дорог.

Заключение

Результаты исследований позволяют сделать вывод о целесообразности применение предложенной системы с кодовым разделением каналов в СПД ВСЖД для осуществления следующих целей:

1. Организация телефонной связи с удаленными объектами.

2. Предоставление услуг электронной почты и передачи файлов.

3. Организация мобильной связи с подвижными объектами.

4. Проведение телеконференций.

5. Создание виртуальных частных сетей подразделений предприятия.

6. Создание корпоративной сети.

В данной работе не предлагается изменить существующую СПД, но при развитии новых магистральных узлов, при организации связи с удаленными объектами (до 30км.) и при подключении новых пользователей к сети необходимо применять новые технологии связи, в том числе и технологию многостанционного доступа с кодовым разделением каналов. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаны методы исключения интерференции, сочетающие в себе методы обычного и оптимального детектирования, обладающие простотой изготовления и низкой вероятностью ошибки.

2. Разработана методика анализа емкости системы методом сравнения вероятностей ошибок различных способов детектирования, которая дает возможность исследования систем сотовой связи большей размерности, а также позволяет организовать более эффективное планирование при построении систем связи на основе CDMA.

3. Разработан способ детектирования, который дает возможность организации связи в каналах с низким соотношением сигнал/шум, а

1. Невдяев J1.M. Стандарты сотовой связи. М.: Сети №6, 1997, С.12-13.

2. Восточно-Сибирская железнодорожная магистраль. Путь в 100 лет. (1898-1998)/Под общ. ред. В.Третьякова. Иркутск: ИГУ. С.552.

3. Пигарев А.А. Инструкции дежурного инженера отдела СПД по решению проблем СПД ВСЖД. Иркутск: ИВЦ ВСЖД, 2001, С.6.

4. Мурзин А.А. Схемы СПД ВСЖД. Иркутск: ИВЦ ВСЖД, 2000, 32С.

5. Стенг Д.А., Мун С.А., Секреты безопасности сетей. Киев: Диалектика, 1996, С.543.

6. Груздев А. Базовые конфигурации локальных сетей. М.: ЕКС, Электронные знания, 1992, С.156.

7. Плешаков В.В. Методы и протоколы межсетевого взаимодействия. М.: Сети, №8, 1996, С.23-25.

8. Лоренц Б.А. Novell NetWare 4.11 в подлиннике. K.:BHV, 1996, С.288. Ю.Золотов С. Протоколы Internet. СПб. :ВНУ-Санкт-Петербург, 1998,1. С.304.

9. П.Бурносов С.А. Проект на построение и модернизацию ЛВСпредприятий МПС РФ. Иркутск: Сиброн. С.20. 12.Общая архитектура электронной почтовой системы ВСЖД. Иркутск: МПС РФ ГУП ВСЖД. С.22.

10. Nelioubine P.A., Park Y.W., Multi-user detection with threshold signal in CDMA systems. In Proc. IEICE YTC Fall 2001, Tokyo, Japan, C.121-125.14.http://www.sonet-online.ru15.http://www.sotovik.ru

11. Xue G.A., Wong J.A., Lengoc T.A., Tahar S.A., Adaptive Multistage Parallel Interference Cancellation for CDMA. EEE Journal On Selected Areas In Communications, Сб. 17, № Ю, Октябрь 1999, C.43-44.17.http://www.cdma.ru

12. Rapajic P.A., Vucetic B.A. Adaptive Receiver Structures for Asynchronous CDMA Systems. IEEE Journal On Selected Areas In Communications, Сб. 12, № 4, Май 1994, C.61-63.

13. Viterbi A., Principles of Spread Spectrum Communications. NY: Addison-Wesley, 1997, C.196.23.http://www.itu.int/imt

14. Dixon R.A., Spread Spectrum Systems with Commercial applications. John Wiley & Sons, 1994, C.130.

15. Pajukoski K.A., Savusalo J.A., Wideband CDMA test system, Proc. IEEE Inf.Conf. on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC'97, Helsinki, Finland, 1-4 September 1997, C.669-672.

16. Невдяев JI.M. Многопользовательское детектирование, M.: Сети №8, 2000, С.27-29.27.http://www.osp.ru

17. Kim K.I. CDMA system design, engineering and optimization. New Jersey: Prentice Hall PTR, 2000, C.252.

18. Мухопад Ю.Ф., Кучина E.M. Адаптивный аналого-цифровой фильтр. А.С.СССР, №714408, БИ № 5, 1980, С.34-50.

19. Куприянов М.С., Матошкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Политехника, 2000, С.592.

20. Koulakiotis D.A., Advami А.Н. Evaluation of DS/CDMA Multi-user Receiver Employing a Hybrid form of Interference Cancellation in Rayleigh Fading Channels, IEEE Comms: Letters, Сб.2, № 3, Март 1998, C.61-62.

21. Liberti J.A., Rappaport S.A. Smart antennas for wireless communications. New Jersey: Prentice Hall PTR, 1999, C.380.

22. Бадмаева T.C., Мухопад Ю.Ф., Коренев A.C. Методика синтеза кодирующих устройств для квазитроичных кодов систем передачи информации. Сб.Информационные системы контроля и управления на транспорте. Иркутск: ИГТУПС, 2002, С.27-32.

23. Verdu S.A., Multi-User Detection, Cambridge University Press, 1998, C.398.

24. Куприянов C.C. Матошкин Б.Д., Иванова В.Е. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов: Справочник. С.Пб: Наука и техника, 2000, С.560.

25. Мухопад Ю.Ф., Скосырский Г.С., Репин В.М. и др. Формирователь временных последовательностей. А.С.СССР, № 991587, БИ №3, 1983, С.23-35.

26. Мухопад Ю.Ф. Устройства для последовательного выделения единиц из N-разрядного кода. А.С.СССР, № 809515, БИ№ 8, 1981, С.45-54.

27. Garg V.K., IS-95 and CDMA2000: Cellular/PCS Systems Implementation, Лондон: Prentice Hall PTR Press, 2000, C.440.

28. Давыдов Ю.А. Моделирование процессов движения информации. Сб. Транссиб ВУЗ-2000. Омск: ОмГУПс, 2000, С.29-32.

29. Duel-Hallen A.A., Holtzman J.A., Zvonar Z.A., "Multi-User Detection for CDMA Systems", IEEE Personal Communications, Апрель 1995, C.23-28.

30. Verdu S.A., Minimum Probability of Error for Asynchronous Gaussian Multiple Access Channels, IEEE Trans. On Info. Theory, Сб. COM-38, № 4, Апрель 1990, C.496-508.

31. Parsons J.A. The mobile radio propagation channel. NY: John Wiley & Sons Press, 1992, C.154.

32. Ахманов А.А. Статистическая радиофизика. M.: Наука, 1984ю -568с.

33. Тинин М.В. Лекции по статистической радиофизике. Иркутск: ИГУ,1998, С.96.

34. Хастингс Н.А., Пикок Д.А. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика, 1980, С.94.49.0падчий Ю.Ф, Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Телеком, 1999, С.768.

35. Putel Р.А., Holtzman J.A., Analysis of Simple Successive Interference Cancellation Scheme in DS/CDMA System, IEEE JSAC, Сб. 12, № 5, 1994, C.796-807.

36. Корнеев B.B. Кисилев A.B. Современные микропроцессоры. M: Нолидж, 2000, С.320.

37. Steilitz К.A., A DSP Primer. Canada: Addison-Wesley Publishing, 1996. C.312.

38. Мухопад Ю.Ф. Рудковский В.П. Проектирование микропроцессорных систем и устройств. Иркутск; Улан-Удэ: ИГУ, 1987. С.122.

39. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные системы дискретной автоматики: Учебное пособие. Иркутск: ИрИИТ, 1999, С.225.55.0janpera Т.А., Prasad R.A., Wideband CDMA for Third Generation Mobile

40. Communications, Лондон: Artech House Press, Boston, 1998, C.368. 5 6 .http ://www. ieee. org

41. Корнеев B.B. Параллельные вычислительные системы. M.: Нолидж,1999, С.311.

42. Ачасова С.М., Бандман O.JI. Корректность параллельных вычислительных процессов. Новосибирск: Наука, 1990, С.252.

43. Горбатов В.А., Павлов П.Г., Четвериков В.Н. Логическое управление информационными процессами. М.: Энергоатомиздат, 1984, С. 184.

44. Ю.А. Розанов. Случайные процессы. М.:Наука, 1971, С.288.

45. Borel Е. Probabilite et Certitude. Paris: Presses Universitaires de France, 1956, C.110.

46. Вентцель E.C., Овчаров Л.А. Теория вероятностей. М.: Наука, 1973. С.356.

47. Hofig М.А., Madhow U.A., Yerdu S.A., Blind Adaptive Multi-user Detection, IEEE Transactions on information theory, Июль 1995, C.24-36.

48. Кудрявцев Л.Д. Курс математического анализа. 2 том. М.: Высшая школа, 1988, С.576.

49. Романовский П.И. Ряды Фурье. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957, С.292.

50. Moshavi S., "Multi-User Detection for DS-CDMA Communications", IEEE Communication Magazine, Октябрь 1996, С.124-136

51. Varanasi M., Aazang В., Multistage Detection in Asynchronous Code Division Multiple Access Communications, IEEE Trans. On Info.Theory, Сб. 2, COM-38, № 4, Апрель 1990, C.509-519.

52. Мухопад Ю.Ф., Опарин Г.А. Математическое моделирование -интеллектуальное ядро информационных технологий контроля и управления на транспорте. Сб.Информационные технологии контроля и управления на транспорте. Вып.9, Иркутск: ИрИИТ, 2001, С. 15-24.

53. Элджер Д.А. С++: Библиотека программиста. СПб: Питер, 2000, С.320.70.http.7/www,microsoft.com71.http://www.lib.ru