автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование и разработка комбинированных методов устранения интерференции в системах с несколькими источниками информации

На правах рукописи

Пустовалов Евгений Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ УСТРАНЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В СИСТЕМАХ С НЕСКОЛЬКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ИНФОРМАЦИИ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (связь и информатизация)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005532307

005532307

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

Ведущая организация ОАО «Мощная аппаратура радиовещания и телевидения» (ОАО "МАРТ"), г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 19 сентября 2013 года в 16.30 на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 193232, Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, ауд. 554.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича».

Автореферат разослан 16 августа 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Тюрликов Андрей Михайлович

Официальные оппоненты: Гольдштейн Борис Соломонович,

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, заведующий кафедрой «Системы коммутации и распределение информации»

Трифонов Пётр Владимирович, кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, доцент кафедры «Распределенные вычисления и компьютерные сети»

к.т.н., доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Особенностью передачи информации в беспроводной сети является искажение полезного сигнала различными видами интерференции, вызванной многолучевым распространением в радиоканале, коллективным использованием канала несколькими источниками и другими причинами. К традиционным методам борьбы с интерференцией, вызванной одновременной передачей в канале различных источников информации, относят разделение ресурса канала по частоте, времени или пространству так, чтобы избежать взаимных помех. Однако развитие современных телекоммуникационных протоколов диктует необходимость поиска новых методов устранения интерференции в беспроводных сетях.

Одним из направлений развития беспроводных систем передачи информации является внедрение одночастотных сетей цифровой широковещательной передачи (single frequency networks, SFN). Такие сети образуются набором передатчиков (базовых станций, ретрансляторов), которые синхронно передают один и тот же цифровой сигнал на одной частоте. В результате, с одной стороны, обеспечивается непрерывное покрытие сигналом всей зоны действия сети. С другой стороны, одновременный прием абонентом копий сигнала от разных передатчиков приводит к межсимвольной интерференции (МСИ). Методы приема сигнала в каналах с межсимвольной интерференцией исследовались в многочисленных работах отечественных и зарубежных ученых, таких как JI. М. Финк, Д. Д. Кловский, Дж. Прокис, Д. Н. Годард и др. Однако отклик канала в одночастотных сетях, образованных набором синхронных передатчиков, гораздо длиннее, чем в случае традиционного многолучевого распространения от одного передатчика. В результате сложность известных алгоритмов устранения МСИ в одночастотных сетях возрастает, что стимулирует к поиску новых алгоритмов, в том числе основанных на комбинации различных методов.

Другой тенденцией развития беспроводных централизованных сетей является значительное увеличение числа подключенных к сети устройств, осуществляющих обмен информацией без участия человека (системы типа «машина-к-машине», М2М). В системах М2М к одной базовой станции одновременно могут быть подключены десятки тысяч абонентских устройств, которые в случайные моменты времени отправляют на базовую станцию короткие сообщения. В таких условиях эффективным методом доступа к каналу является случайный множественный доступ (СМД). Впервые, алгоритмы СМД были предложены Н. Абрамсоном, а затем развиты в работах Б. С. Цыбакова, В. А. Михайлова, Дж. Капетанакиса, Н. Д. Введенской и др. Перспективным направлением повышения эффективности систем СМД, предложенным Г. Б. Гианнакисом, является комбинация традиционных алгоритмов разрешения конфликтов СМД с так называемой процедурой погашения интерференции, которая при возникновении конфликта позволяет восстановить часть переданных данных без необходимости их повторной передачи. Однако вопрос

реализации данной процедуры на физическом уровне современных беспроводных сетей на сегодняшний день изучен довольно слабо.

Целью работы является исследование и разработка методов устранения интерференции, вызванной приемом сигнала от нескольких источников информации в современных беспроводных сетях.

Задачи диссертационного исследования:

1. Классифицировать источники интерференции в современных беспроводных сетях и методы борьбы с интерференцией в зависимости от типа источника.

2. Разработать алгоритм устранения межсимвольной интерференции, возникающей при синхронной передаче сигнала несколькими станциями одночастотной сети.

3. Провести исследование разработанного алгоритма устранения межсимвольной интерференции в каналах с постоянными и переменными параметрами.

4. Разработать и исследовать алгоритм погашения интерференции множественного доступа в системах с многочастотной модуляцией.

5. Исследовать характеристики алгоритмов управления доступом абонентов к каналу в системах случайного множественного доступа с погашением интерференции.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы общие методы системного анализа, методы цифровой обработки сигналов, методы теории вероятностей, численные методы, а также методы имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала для систем с одночастотной модуляцией, отличающийся от известных тем, что включает в себя поэтапный переход от алгоритмов без обратной связи к алгоритмам с обратной связью от декодера.

2. Впервые предложен алгоритм итеративного погашения интерференции случайного множественного доступа для систем с ортогональным частотным мультиплексированием.

3. Впервые предложен алгоритм декодирования конфликтного сигнала в векторном дизъюнктивном канале и методика оценки вероятности ошибки декодирования.

4. Предложена модификация алгоритма дробления, позволяющая увеличить скорость передачи в системах СМД в векторном дизъюнктивном канале.

Практическая ценность полученных результатов. Разработанный комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала может использоваться для приема одночастотного сигнала в каналах со сложным многолучевым распространением, вызванным синхронной передачей нескольких станций. В том числе разработанный алгоритм может быть использован в приемниках цифрового телевещания.

Комбинированные алгоритмы СМД с погашением интерференции могут быть использованы для увеличения скорости передачи информации в режиме случайного доступа в централизованных системах связи с большим числом абонентов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: Научных сессиях ГУАП (Санкт-Петербург, Россия, 2008-2012); 12-м международном симпозиуме «On Wireless Personal Multimedia Communications» (Рованиеми, Финляндия, 2008); 8-ой международной конференции «On Next Generation Teletraffic and Wired/Wireless Advanced Networking» (Санкт-Петербург, Россия, 2008); 18-ой международной конференции «On Analytical and Stochastic Modeling Techniques and Applications» (Венеция, Италия, 2011); 11-ой международной конференции «On ITS Telecommunications» (Санкт-Петербург, Россия, 2011); Всероссийской научной конференции по проблемам информатики «СПИСОК-2012» (Санкт-Петербург, Россия, 2012); 13-м международном симпозиуме «On Problems of Redundancy in Information and Control Systems» (Санкт-Петербург, Россия, 2012); 12-ой международной конференции «FRUCT» (Оулу, Финляндия, 2012).

Внедрение результатов. Результаты работы были использованы в рамках проекта «Эквапизация сигналов цифрового телевидения», осуществляемого ЗАО «Интел А/О». Кроме того, теоретические результаты работы используются в учебном процессе кафедры безопасности информационных систем СПбГУАП.

Публикации. Результаты, представленные в диссертационной работе, опубликованы в 15 печатных работах. Из них 3 работы в изданиях, включенных в список ВАК, и 1 заявка на патент.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала для систем с одночастотной модуляцией.

2. Алгоритм итеративного погашения интерференции случайного множественного доступа в системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием.

3. Алгоритм декодирования конфликтного сигнала в векторном дизъюнктивном канале и методика оценки вероятности ошибки декодирования.

4. Модификация алгоритма дробления применительно к векторному дизъюнктивному каналу.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников (84 наименования) и двух приложений. Диссертационная работа содержит 136 страниц, включая одну таблицу и 45 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлены задачи исследования, представлена научная новизна работы, апробация работы, описано внедрение, перечислены основные положения,

выносимые на защиту. Приведено краткое содержание диссертационной работы по разделам.

В первом разделе приводится классификация источников интерференции в беспроводной сети, дается обзор методов устранения интерференции в зависимости от типа источника и способа модуляции, предлагаются пути решения задач диссертационного исследования.

В зависимости от источника информации можно выделить следующие основные виды интерференции в системе беспроводной связи:

1. Межсимвольная интерференция, вызванная многолучевым распространением сигнала:

a. от одного передатчика до приемника (классический вариант многолучевого распространения);

b. от нескольких передатчиков, синхронно транслирующих один широковещательный сигнал (многолучевое распространение в одночастотных сетях);

2. Интерференция, вызванная использованием общего канала несколькими абонентами одной и той же системы связи (интерференция множественного доступа)-,

3. Интерференция, вызванная одновременной работой разных систем связи в одной полосе частот.

Обобщенная модель канала в цифровом эквивалентном низкочастотном виде (baseband), включающая интерференцию от различных источников, может быть записана следующим выражением

j, = £*<'>**«> + £ + „, (1) 1-1

где у - принятый цифровой низкочастотный сигнал; К — количество абонентов, осуществляющих передачу; д:(,) — цифровой низкочастотный сигнал /-ого передающего абонента; й(0 — отклик канала /-ого передающего абонента; * — операция свертки; и - вектор значений шума; £ - совокупный сигнал от прочих источников, не относящихся к рассматриваемой системе связи.

В разделе приведен обзор методов устранения МСИ. В системах с однрчастотной модуляцией для борьбы с МСИ, вызванной многолучевым распространением сигнала от одного передатчика, как правило, используют эквалайзеры во временной области, реализованные на цифровых фильтрах с посимвольной обработкой сигнала. В одночастотных сетях отклик канала гораздо длиннее, чем в случае многолучевого распространения сигнала от . одного передатчика. В результате сложность реализации эквалайзеров во временной области, обеспечивающих приемлемую вероятность ошибки, становится слишком высокой. В таких системах перспективным выглядит использование эквалайзеров в частотной области. Эквалайзеры в частотной области, используя быстрый алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ), обрабатывают входной сигнал j* блоками длины N, где N. — размер ДПФ. В результате в канале с длинным откликом сложность реализации эквалайзера в частотной области будет меньше, чем во временной.

В системах с ортогональным частотным мультиплексированием (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) проблема межсимвольной интерференции решается с помощью циклического префикса (ЦП). В таких системах возникает задача организации множественного доступа абонентов в восходящем канале централизованных сетей. Для борьбы с интерференцией множественного доступа может использоваться разделение канала, при котором каждому абоненту назначается частотно-временной ресурс для передачи данных, или случайный множественный доступ (СМД), когда закрепления ресурсов за абонентами нет. В системах с большим числом абонентов и «пульсирующим» характером трафика от абонентов (когда у абонента в случайный момент времени появляется небольшая порция данных для передачи), например в так называемых системах «машина-к-машине», методы случайного доступа позволяют обеспечить меньшую задержку сообщений, чем иные методы доступа к каналу. Перспективным направлением повышения эффективности систем СМД, появившимся в последнее десятилетие, является последовательное погашение интерференции.

По результатам проведенного в разделе обзора были сформулированы пути решения задач диссертационного исследования.

Во втором разделе проводится систематическое рассмотрение известных алгоритмов эквализации и оценки параметров канала в частотной области применительно к системам с одночастотной модуляцией. Предлагается комбинированный алгоритм, включающий переход от слепого эквалайзера к турбо-эквалайзеру с оценкой канала по решениям декодера.

Модель системы с одночастотной передачей показана на рисунке 1. Вследствие того, что все передатчики одночастотной сети передают одинаковую последовательность информационных символов, общая модель канала (1) принимает вид

y = 1£x*h(i) +n = x*'£hii) +n = x*h' + n, (2)

i=i ¡=1

где h ' — совокупный отклик канала, включающий распространение сигнала от всех передатчиков до приемника; п — вектор значений шума.

Рисунок 1 - Модель системы с одночастотной передачей.

Для устранения МСИ приемник должен оценить параметры канала и провести эквализацию входного сигнала. Составной частью рассматриваемого

комбинированного алгоритма эквализации и оценки канала является частотный турбо-эквалайзер, показанный на рисунке 2.

ДПФ

ДПФ

эквалайзер в частотной области г Обратное Z Декодер

ДПФ

я

т

Рисунок 2 — Схема частотного турбо-эквалайзера.

Выход эквалайзера в частотной области описывается выражением

гк=хк+1Гк(Ук-хкнк), ы = о.....N-1, (3)

где N - размер блока (ДПФ); Хк - элементы ДПФ от блока мягких решений декодера; Нк - элементы частотной передаточной функции канала (Я=ДПФ(Л')); \Ук - коэффициенты эквалайзера. Коэффициенты турбо-эквалайзера вычисляются по формуле

1Гк=-—, Ук = 0,...,ЛГ-1, (4)

I | +<т / у

где о-2 - дисперсия шума; у — оценка дисперсии ошибки на выходе декодера.

При эквализации в частотной области на краях каждого блока длины N накапливаются ошибки. Для уменьшения количества ошибок Д, символов в начале и Д? символов в конце каждого блока отбрасывается, и обработка всей последовательности у выполняется методом перекрытия с накоплением.

Для работы турбо-эквалайзера необходимо знать частотную передаточную функцию канала. В типовых приемниках цифровой потоковой передачи начальная оценка канала выполняется по тестовой последовательности, после чего по мере приема данных приемник непрерывно адаптивно оценивает канал, используя для этого выход декодера. Данная схема (рис. За) называется эквализацией с оценкой канала, управляемой решениями. В случае если количество ошибок на выходе декодера превышает некоторый порог, то размножение ошибок в цепи «эквалайзер — декодер — оценка канала» может привести неработоспособности приемника. Данный эффект называется расхождением эквалайзера. В системах с длинным откликом канала расхождение эквалайзера может быть обусловлено неточностью начальной оценки канала по короткой тестовой последовательности. В отличие от турбо-эквалайзера с оценкой канала, управляемой решениями, алгоритмы слепой эквализации не зависят от оценки передаточной функции канала и выхода декодера и выполняют устранение МСИ на основе известных статистических свойств исходного сигнала х. Однако вероятность ошибки на выходе слепого эквалайзера значительно выше, чем на выходе турбо-эквалайзера.

а) б)

Рисунок 3 — Схемы эквализации и оценки канала: а) управляемая решениями декодера; б) предлагаемая.

В диссертационной работе предлагается комбинированный алгоритм, который использует слепой эквалайзер для начальной адаптации оценки канала (рис. 36). Алгоритм состоит из следующих шагов:

1. Выполнить начальную оценку канала по тестовой последовательности методом наименьших квадратов;

2. Выполнить эквализацию блока с тестовой последовательностью. Используя значения z на выходе эквалайзера и известные символы и тестовой последовательности, вычислить ошибку

* = (5)

N р /-1

где Np - длина тестовой последовательности;

3. Если £ > aRs перейти на шаг 4, иначе перейти на шаг 5, где Rs — квадрат минимального расстояния между символами модуляционного созвездия

*=min| (6)

а - параметр, зависящий от корректирующих свойств используемого помехоустойчивого кода;

4. По схеме, показанной на рисунке 36, выполнять слепую эквализацию по алгоритму СМА (constant modulus algorithm) и оценку канала по алгоритму наименьших средних квадратов (НСК) до обнаружения в сигнале новой тестовой последовательности. После обнаружения в сигнале тестовой последовательности перейти на шаг 2;

5. По схеме, показанной на рисунке За, выполнять алгоритм турбо-эквализации и оценку канала по алгоритму НСК до обнаружения в сигнале новой тестовой последовательности. После обнаружения в сигнале тестовой последовательности перейти на шаг 2.

Наивысшую сложность в рассматриваемом алгоритме имеет шаг 5, выполняющий итеративную турбо-эквализацию. Сложность данного шага f, выраженная в числе умножений в расчете на один символ, может быть приближенно найдена по следующей формуле

/./ , (7)

N-(13,+ А)

где I - количество итераций турбо-эквалайзера. Точное значение функции сложности и ее обоснование приведены в диссертационной работе.

Качество работы предложенного алгоритма исследовалось на основе стандарта цифрового телевидения АТБС. Величина а была подобрана эмпирически, и равна 0,75. В качестве модели канала многолучевого распространения использовалась стандартная модель А74 Я2.2#3, имеющая длину отклика порядка 40 мкс. Частота дискретизации равна 10,76 МГц. Вероятность ошибки на бит (Р&) на выходе приемника оценивалось путем имитационного моделирования в среде Ма1:1аЬ.

20 25

ОСШ (дБ) а)

200г

150

<и о

X £

100

50

10

11

12 1од2 N

б)

13

14

Рисунок 4 - Качество работы алгоритма эквализации для различных значений N в статическом канале: а) вероятность ошибки, б) сложность.

Зависимость вероятности ошибки на бит от отношения сигнал-шум (ОСШ) в статическом канале для различных значений N показана на рисунке 4а. Для удобства обозначения введена величина/? = (£>, + £>2)/ЛГ — коэффициент перекрытия. При фиксированном N остальные параметры алгоритма (Д и Т) выбирались так, чтобы обеспечить одинаковую вероятность ошибки на бит. Соответствующие значения функции сложности показаны на рисунке 46. Таким образом, в статическом канале сложность эквализации уменьшается с ростом длины ДПФ. Заметим, что в данном канале при N<2048 никакие параметры алгоритма не могут обеспечить требуемое качество эквализации.

а) б)

Рисунок 5 - Вероятность ошибки алгоритма эквализации в динамическом канале: а) в зависимости от размера блока,

б) в зависимости от величины перекрытия.

Вероятность битовой ошибки в динамическом канале с эффектом Доплера для различных значений N показана на рисунке 5а. В динамическом канале с ростом N алгоритм эквализации в частотной области становится менее устойчивым к скорости изменения канала (частоте Доплера). Вероятность битовой ошибки в динамическом канале с эффектом Доплера для различных значений р показана на рисунке 56. В динамическом канале с ростом размера перекрытия алгоритм эквализации в частотной области становится более устойчивым к скорости изменения канала (частоте Доплера).

Управляя параметрами алгоритма (размер блока и размер перекрытия), можно добиться требуемого соотношения между максимальной частотой Доплера, при которой алгоритм остается устойчивым, вероятностью ошибки и сложностью эквализации.

В третьем разделе рассматривается устранение интерференции, вызванной одновременной передачей нескольких абонентов в OFDM-системе со случным множественным доступом. Предлагается итеративный алгоритм погашения интерференции. Исследуется вероятность ошибки предложенного алгоритма и связь его характеристик с характеристиками древовидного алгоритма СМД, работающего на уровне управления доступом к среде (УДС).

Модель системы СМД с обратной связью показана на рисунке 6. В системе имеется множество абонентов, передающих сообщения одному получателю — центральной станции (ЦС). На стороне абонента работает алгоритм управления доступом к каналу (алгоритм СМД), который, получая обратную связь от ЦС, определяет моменты времени, в которые абонент должен передавать (в том числе повторно) свои сообщения. При одновременной передаче двух и более абонентов приемник ЦС не может успешно принять переданные сообщения — возникает конфликт. Для модуляции данных используется OFDM. Предполагается, что длина циклического префикса L в рассматриваемой OFDM системе больше

максимальной длины отклика канала среди всех абонентов. Тогда при возникновении конфликта, в котором участвовало два абонента, выход канала в частотной области описывается выражением

У к =0,...,N — 1, (8)

где N—длина OFDM символа без ЦП (размер ДПФ), //['> — элементы частотной передаточной функции 1-го абонента; Н"' — элементы частотной передаточной функции 2-го абонента; и* - значения шума.

Абонент 1

Обратная связь

Рисунок 6 — Модель системы множественного доступа с обратной связью.

В традиционных системах СМД для разрешения конфликта все попавшие в конфликт сообщения должны бьггь повторно переданы (рис. Та). В системах СМД с погашением интерференции сигнал У, принятый из канала при возникновении конфликта, сохраняется в буфере (рис. 76). После того, как один из участвовавших в конфликте абонентов повторно передал свое сообщение 1я(1), алгоритм погашения интерференции выполняет декодирование сообщения второго абонента из смеси сигналов У, используя информацию об успешно переданном сообщении

(буфер)-»

Погашение интерф.

X

(1)

а:

(2)

а)

t

1 У

хт,х(2> АГ(1>

-►

б)

Рисунок 7 - Алгоритм повторных передач в системе СМД: а) классический; б) с погашением интерференции.

В диссертационной работе предлагается итеративный алгоритм погашения интерференции (рис. 8), состоящий из следующих шагов:

1. Подать сообщение т(1) первого абонента на вход кодера помехоустойчивого кода и модулятора, аналогичных тем, которые использовались на передающей стороне. Получить на выходе блок модулированных данных Л^1' в частотной области;

2. Положить = У;

3. Вычислить оценку канала Нт по следующему алгоритму:

3.1. Поэлементно разделить вектор Z*1' на А0'

к = 0,...,N — l;

7(0

хг

(9)

3.2. Перевести вектор Н' во временную область с помощью быстрого алгоритма обратного ДПФ (получить вектор Л');

3.3. Обнулить последние N-L элементов в векторе А' (получить вектор Л(,));

3.4. Перевести вектор hw в частотную область с помощью быстрого алгоритма ДПФ (получить вектор Я"');

4. Вычислить элементы вектора 2Р по формуле

Z? = Yk-X?H*\ А = 0.....JV-1; (Ю)

5. Подать вектор на вход стандартного OFDM демодулятора и декодера. Получить на выходе оценку канала Нт и оценку сообщения тт 2-го пользователя;

6. Проверить контрольную сумму в векторе тт. Если контрольная сумма верна - возвратить вектор тт и завершить алгоритм. Если контрольная сумма не верна, и алгоритм превысил максимальное число итераций -возвратить сигнал «отказ от декодирования» и завершить алгоритм;

7. Подать вектор тт на вход кодера и модулятора, аналогичных тем, которые использовались на передающей стороне. Получить на выходе блок Хт;

8. Вычислить элементы вектора Z0' по формуле:

Z?=Yk-X?H?\ k = 0,...,N-l; (П)

9. Перейти на шаг 3.

Успешно ^(0

принятое -»

сообщение

Кодер + модулятор

Сигнал из Y + буфера —

Л"(|

Оценка канала

Я

Проверка контр, суммы

Демодулятор декодер

Н

Кодер + модулятор

I £ ■ S

I *

\v т°

Рисунок 8 — Схема итеративного погашения интерференции в OFDM.

Вероятность ошибки на выходе приемника с погашением интерференции исследовалась путем имитационного моделирования в канале с плоскими (рис. 9а) и частотно-селективными (рис. 96) замираниями. В канале с частотно-селективными замираниями остаточная интерференция, вызванная неточностью оценки канала 1-го абонента, приводит к возникновению порогового эффекта, выраженного в том, что вероятность ошибки не уменьшается с ростом ОСШ. Величина порога зависит от отношения длины ЦП к длине OFDM символа и корректирующей способности используемого помехоустойчивого кода.

а) б)

Рисунок 9 - Вероятность ошибки на ОРОМ-символ для различного числа итераций (1-16) алгоритма погашения интерференции: а) в канале с плоскими замираниями; б) в канале с частотно-селективными замираниями.

Выше был описан алгоритм погашения интерференции, работающий на стороне ЦС. В качестве алгоритма СМД, работающего на стороне абонента, в третьем разделе рассматривается древовидный алгоритм СМД с погашением интерференции, устойчивый в канале с шумом. Согласно принятому определению, скоростью алгоритма СМД называется максимальная интенсивность входного потока (сообщений/кадр), при которой алгоритм обеспечивает конечную среднюю задержку сообщений (остается устойчивым). В диссертационной работе для древовидного алгоритма с погашением интерференции получена следующая формула скорости

К=МК,+2р11(}-рх)-Ч>{\ + р1){\-Рг)1^ (12)

где р\ — вероятность не принять сообщение абонента при отсутствии в канале помех от других абонентов; р2 — вероятность неуспешного выполнения погашения интерференции при конфликте двух абонентов; Д„ и <р — константы, не зависящие отр, и Рг(К<, «0,346; <рк0,721).

При высоком ОСШ древовидный алгоритм с погашением интерференции достигает скорости 0,396 сообщений/кадр, что на 14 % выше скорости стандартного древовидного алгоритма (0,346 сообщений/кадр).

В четвертом разделе рассматриваются алгоритмы устранения конфликта, вызванного одновременной передачей нескольких абонентов в системе СМД с частотной манипуляцией, описываемой векторным дизъюнктивным каналом. Предлагаются и исследуются алгоритм декодирования конфликтного сигнала, выполняющий функцию алгоритма погашения интерференции, и алгоритм СМД, являющийся модификацией известного алгоритма дробления.

Модель системы СДМ в четвертом разделе аналогична той, которая рассмотрена в третьем разделе (рис. 6). Вместо OFDM используется частотная манипуляция. Данный вид модуляции можно описать следующей моделью. Обозначим через q — размер модуляционного алфавита (количество ортогональных частот). Предполагается, что для передачи информации абоненты используют систематический g-ичный блоковый код длины N с длиной проверочной части г « N. Проверочную часть кодового слова будем называть контрольной суммой. Сигнал абонента Х0> может быть представлен в виде двоичной qxN матрицы, в каждом столбце которой стоит ровно одна единица на позиции, соответствующей передаваемому ¿/-ичному символу кодового слова. Пусть в канале одновременно передают К абонентов (1 ...К). Тогда на выходе канала приемник принимает двоичную qxN матрицу Y, элементы которой определяются формулой

Yu=X™v...vX%\ Vi = l,...,q;j = l,...,N. (13)

Данная модель называется векторным дизъюнктивным каналом (также в литературе встречается называние «канал без информации об интенсивности»). При А>1 матрицу Убудем называть конфликтным сигналом.

В четвертом разделе предлагается алгоритм декодирования конфликтного сигнала (ЦКС), который в дизъюнктивном канале выполняет функцию алгоритма погашения интерференции. На вход алгоритма поступает конфликтный сигнал Y и успешно принятое сообщение тт одного из абонентов, участвовавших в конфликте. На выходе алгоритм возвращает сообщение тт второго абонента, либо сигнал «отказ от декодирования», если в конфликте участвовало больше двух абонентов. Алгоритм работает следующим образом:

1. Построить вектор w длины N, элементы которого

w„ = 2x. Vn = l,...,JV; (14)

i=i

2. Если Зп: ve„ > 2- возвратить сигнал «отказ от декодирования» и завершить алгоритм;

3. Построить матрицу Л""1 путем отображения g-ичиого вектора тт на множество двоичных qxN матриц;

4. Построить двоичную qxN матрицу Х(2>, элементы которой вычисляются по формуле

¿,,2„> =

X™, если 1е„ = 1, К л Х''1, если ж =2,

1,п 1,п " п "

VI" = 1,...,дг;и = !,...,#;

(15)

5. Построить вектор тт путем отображения матрицы Хт на множество (7-ичных векторов длины Л';

6. Вьшолнить декодирование тт (проверку контрольной суммы). Если контрольная сумма верна — возвратить тт, иначе возвратить сигнал «отказ от декодирования».

Ошибкой декодирования назовем событие, когда в результате декодирования конфликтного сигнала У было получено кодовое слово, не принадлежащее множеству кодовых слов, переданных при конфликте. Данное событие возможно только при кратности конфликта (количестве участвовавших абонентов) больше двух. Вероятность ошибки декодирования конфликта кратности к при размере алфавита ц обозначим величиной Ркч. Вероятность ошибки декодирования ограничена сверху

- / \

я

[у

1~к(2к - 2) +днк~1)

(16)

При д=2 граница (16) равна 1. Обозначим через РЛСЛЕ) вероятность необнаруженной ошибки используемого линейного блокового кода в двоично-симметричном канале с вероятностью ошибки е. При д=2 и И»г

Р*,г=РДск{1-2-(к-1))- (17)

Функция Рдск(е) может быть найдена из спектра кода или спектра дуального кода. Если РДСК(е) является монотонной невозрастающей функцией на интервале [1/2,1], то

Рк2й 2-', У к >2. (18)

Алгоритм ДКС работает на стороне приемника ЦС. На стороне абонента в четвертом разделе рассматривается алгоритм СМД, являющийся модификацией алгоритма дробления. В рассматриваемой модели алгоритм СМД получает расширенную обратную связь от ЦС, содержащую информацию о результате ДКС. В результате предложенная модификация позволяет пропускать те повторные передачи, результат которых заранее известен благодаря алгоритму ДКС. Доказывается, что скорость предложенного алгоритма удовлетворяет следующему равенству

Л - шах

где

1Г0 = 1Г,=1,

(19)

(20)

T5KU

Тк={21-2У1 + + , Т, , kZ2,

ыг '

/

(22)

1=г К1 J

Vk=(2k-\)"' 2*+Л(1 + Гм) + Г4+ 7) , fc>2.

(23)

По формулам (19) - (23) численными методами была найдена скорость алгоритма дробления с ДКС, равная 0,603 сообщений/кадр, что на 23 % выше скорости стандартного алгоритма дробления (0,487 сообщений/кадр).

В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Разработан комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала в системах с одночастотной модуляцией, включающий в себя поэтапный переход от алгоритма слепой эквализации к алгоритму турбо-эквализации с оценкой канала, управляемой решениями на выходе декодера.

2. Проведено исследование разработанного алгоритма в статическом и динамическом каналах. Результаты исследований показывают, что в статическом канале увеличение размера ДПФ приводит к тому, что при той же вероятности ошибки требуется меньшая сложность эквалайзера. В динамическом канале увеличение размера ДПФ приводит к тому, что алгоритм становится менее устойчивым к скорости изменения канала, вызванного эффектом Доплера. Показано, что, управляя параметрами алгоритма, такими как размер преобразования Фурье и размер перекрытия, можно добиться требуемого соотношения между максимальной частотой Доплера, при которой алгоритм остается устойчивым, вероятностью ошибки и сложностью эквализации.

3. Разработан алгоритм итеративного погашения интерференции множественного доступа в системе связи с OFDM. Проведено исследование вероятности ошибки алгоритма погашения интерференции в каналах с плоскими и частотно-селективными замираниями. При росте ОСШ вероятность ошибки в канале с частотно-селективными замираниями достигает порога, величина которого зависит от отношения длины циклического префикса к длине OFDM символа.

4. Получена зависимость максимальной скорости передачи древовидного алгоритма СМД с погашением интерференции от отношения сигнал-шум. Показано, что при высоком значении ОСШ процедура погашения интерференции позволяет на 14 % увеличить значение скорости древовидного алгоритма СМД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

5. Предложен алгоритм декодирования конфликтного сигнала, выполняющий функцию алгоритма погашения интерференции в векторном дизъюнктивном канале. Получена зависимость вероятности ошибки декодирования данного алгоритма от кратности конфликта.

6. Предложен алгоритм управления доступом большого числа абонентов к векторному дизъюнктивному каналу, являющийся модификацией алгоритма дробления с учетом декодирования конфликтных сигналов. Найдена максимальная скорость передачи алгоритма, которая оказалось равной 0,603 сообщений/кадр. Полученное значение скорости на 23 % выше, чем скорость исходного алгоритма дробления.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Андреев, С. Д. Древовидный алгоритм разрешения конфликта, устойчивый к неполному погашению интерференции / С. Д. Андреев, Е. В. Пустовалов, А. М. Тюрликов // Автоматика и телемеханика. — 2009. — Т. 70, № 3. — С. 78-96.

2. Пустовалов, Е. В. Итеративный эквалайзер в частотной области с адаптивной оценкой канала / Е. В. Пустовалов // Информационно-управляющие системы. — 2012. — Т. 57, № 2. — С. 57-66.

3. Пустовалов, Е. В. Случайный множественный доступ в векторном дизъюнктивном канале / Е. В. Пустовалов, А. М. Тюрликов // Проблемы передачи информации. — 2013. — Т. 49, № 2. — С. 17-33.

Другие статьи и материалы конференций:

4. Bluetooth to WiFi interference detection for multi-radio platform optimization / A. Kozlov, E. Pustovalov, S. Srikanteswara, C. Maciocco // 11th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications. — 2008. —P. 6-10.

5. Андреев, С. Д. Древовидные алгоритмы разрешения конфликтов с использованием погашения интерференции в условиях канала с шумом / С. Д. Андреев, Е. В. Пустовалов // Научная сессия ГУАП: сборник докладов. — 2008, —Т. 1, —С. 82-85.

6. Andreev, S. SICTA modifications with single memory location and resistant to cancellation errors / S. Andreev, E. Pustovalov, A. Turlikov // Lecture Notes in Computer Science. — 2008. — Vol. 5174. — P. 13-24.

7. Андреев, С. Д. Сравнение конкурентных методов резервирования ресурсов в беспроводной региональной сети / С. Д. Андреев, Е. В. Пустовалов // Научная сессия ГУАП: сборник докладов. — 2009. — Т. 1. — С. 72—75.

8. Пустовалов, Е. В. Способы уменьшения сложности частотного турбо-эквалайзера / Е. В. Пустовалов // Научная сессия ГУАП: сборник докладов. — 2010,—Т. 1, —С. 119-122.

9. Пустовалов, Е. В. Методы адаптивной оценки отклика канала для частотного турбо-эквалайзера / Е. В. Пустовалов // Научная сессия ГУАП: сборник докладов. — 2011.—Т. 1. — С. 88-91.

10. Пустовалов, Е. В. Сравнительный анализ методов линейной частотной эквализации / Е. В. Пустовалов // Вопросы передачи и защиты информации: сборник статей под редакцией Е. А. Крука. СПб.: ГУАП. — 2011, —С. 126-148.

11. Andreev, S. A practical tree algorithm with successive interference cancellation for delay reduction in IEEE 802.16 networks / S. Andreev, E. Pustovalov, A. Turlikov // Lecture Notes in Computer Science. — 2011. — Vol. 6751, —P. 301-315.

12. Andreev, S. Analysis of robust collision resolution algorithm with successive interference cancellation and bursty arrivals / S. Andreev, E. Pustovalov, A. Turlikov // Proc. of the 11th Conference on ITS Telecommunications. — 2011. — P. 773 - 778.

13. Пустовалов, E. В. Влияние физического уровня на характеристики древовидного алгоритма с погашением интерференции / Е. В. Пустовалов, М. А. Гранкин II Научная сессия ГУАП: сборник докладов. — 2012. — Т. 1. — С. 106-109.

14. Pustovalov, Е. Random multiple access in q-агу disjunctive channel / E. Pustovalov, A. Turlikov // Proc. of the XIII International Symposium on Problems of Redundancy in Information and Control Systems. — 2012. — P. 65-73.

15. Эквализация в частотной области для беспроводной связи: международная заявка № W02012134319: МПК H04L 25/02 / Пустовалов Е. В., Бакин Е. А., Евсеев Г. С., Тюрликов А. М.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Интел» - приоритетная заявка PCT/RU2011/000201; заявл. 30.03.2011; опубл. 04.10.2012, http://patentscope.wipo.int.

Подписано в печать 04.07.2013. Формат 60x84 1/16. _Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз._

Отпечатано в СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

04201361291

УЬШллУ^ Пустовалов Евгений Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ УСТРАНЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В СИСТЕМАХ С НЕСКОЛЬКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (связь и информатизация)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент А.М. Тюрликов

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Источники интерференции в беспроводных сетях 10

1.1 Вводные замечания....................................................10

1.2 Модель радиоканала..................................................11

1.3 Методы цифровой модуляции........................................13

1.4 Борьба с межсимвольной интерференцией..........................17

1.5 Борьба с интерференцией множественного доступа................22

1.6 Борьба с интерференцией от других источников ..................25

1.7 Выводы по разделу....................................................27

2. Устранение межсимвольной интерференции в системах с одночастотной

модуляцией 29

2.1 Вводные замечания и модель системы..............................29

2.2 Линейный частотный эквалайзер....................................31

2.2.1 Линейный частотный эквалайзер в системах с циклическим префиксом........................................................31

2.2.2 Частотная эквализация в системах без циклического префикса 37

2.3 Турбо-эквализация....................................................43

2.3.1 Принцип работы частотного турбо-эквалайзера ..............43

2.3.2 Использование декодера с мягким входом и выходом в турбо-эквалайзере................................................46

2.4 Оценка параметров канала............................................48

2.4.1 Алгоритмы оценки канала ......................................48

2.4.2 Оценка канала по пилотной последовательности..............49

2.4.3 Адаптивная оценка канала, управляемая решениями..........50

2.4.4 Оценка канала со слепой эквализацией........................52

2.4.5 Оценка дисперсии шума ........................................54

2.4.6 Комбинированный алгоритм эквализации и оценки канала . 55

2.5 Численные результаты................................................56

2.5.1 Параметры имитационного моделирования....................56

2.5.2 Оценка сложности эквализации ................................57

2.5.3 Исследование в статическом канале............................58

2.5.4 Исследование в динамическом канале..........................60

2.6 Выводы по разделу....................................................63

3. Устранение интерференции множественного доступа в системах с ор-

тогональным частотным мультиплексированием 64

3.1 Вводные замечания....................................................64

3.2 Модель OFDM системы..............................................67

3.3 Алгоритм погашения интерференции................................72

3.4 Алгоритмы СМД в модели с погашением интерференции .... 80

3.5 Численные результаты................................................85

3.6 Выводы по разделу....................................................89

4. Устранение интерференции множественного доступа в системах с ча-

стотной манипуляцией 90

4.1 Вводные замечания....................................................90

4.2 Модель системы........................................................91

4.2.1 Модель канала....................................................91

4.2.2 Модель множественного доступа................................93

4.3 Алгоритм работы центральной станции............................95

4.3.1 Определение событий в канале..................................95

4.3.2 Декодирование конфликтного сигнала кратности 2............97

4.3.3 Декодирование конфликтного сигнала кратности к > 2 . . . 98

4.3.4 Общий алгоритм ДКС и вероятность ошибки декодирования 99

4.3.5 Общий алгоритм работы центральной станции................102

4.4 Алгоритм работы абонентской станции ............................103

4.4.1 Алгоритм дробления с ДКС......................................103

4.4.2 Максимальная скорость передачи..............................109

4.5 Выводы по разделу....................................................115

Заключение 116

Условные обозначения 118

Список использованных сокращений 119

Список использованных источников 120

Список рисунков 128

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Циклический префикс 131

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения 134

Введение

Актуальность темы. Особенностью передачи информации в беспроводной сети является искажение полезного сигнала различными видами интерференции, вызванной многолучевым распространением в радиоканале, коллективным использованием канала несколькими источниками и другими причинами. К традиционным методам борьбы с интерференцией, вызванной одновременной передачей в канале различных источников информации, относят разделение ресурса канала по частоте, времени или пространству так, чтобы избежать взаимных помех. Однако развитие современных телекоммуникационных протоколов диктует необходимость поиска новых методов устранения интерференции в беспроводных сетях.

Одним из направлений развития беспроводных систем передачи информации является внедрение одночастотных сетей цифровой широковещательной передачи (single frequency networks, SFN). Такие сети образуются набором передатчиков (базовых станций, ретрансляторов), которые синхронно передают один и тот же цифровой сигнал на одной частоте. В результате, с одной стороны, обеспечивается непрерывное покрытие сигналом всей зоны действия сети. С другой стороны, одновременный прием абонентом копий сигнала от разных передатчиков приводит к межсимвольной интерференции (МСИ). Методы приема сигнала в каналах с межсимвольной интерференцией исследовались в многочисленных работах отечественных и зарубежных ученых, таких как JI.M. Финк, Д.Д. Кловский, Дж. Прокис, Д.Н. Годард и др. Однако отклик канала в одночастотных сетях, образованных набором синхронных передатчиков, гораздо длиннее, чем в случае традиционного многолучевого распространения от одного передатчика. В результате сложность известных алгоритмов устранения МСИ в одночастотных сетях возрастает, что стимулирует к поиску новых алгоритмов, в том числе основанных на комбинации различных методов.

Другой тенденцией развития беспроводных централизованных сетей является значительное увеличение числа подключенных к сети устройств, осуществляющих обхмен информацией без участия человека (системы типа «машина-к-машине», М2М). В системах М2М к одной базовой станции од-

новременно могут быть подключены десятки тысяч абонентских устройств, которые в случайные моменты времени отправляют на базовую станцию короткие сообщения. В таких условиях эффективным методом доступа к каналу является случайный множественный доступ (СМД). Впервые, алгоритмы СМД были предложены II. Абрамсоном, а затем развиты в работах Б.С. Цыбакова, В.А. Михайлова, Дж. Капетанакиса, Н.Д. Введенской и др. Перспективным направлением повышения эффективности систем СМД, предложенным Г.Б. Ги-аннакисом, является комбинация традиционных алгоритмов разрешения конфликтов СМД с так называемой процедурой погашения интерференции, которая при возникновении конфликта позволяет восстановить часть переданных данных без необходимости их повторной передачи. Однако вопрос реализации данной процедуры на физическом уровне современных беспроводных сетей на сегодняшний день изучен довольно слабо.

Целью работы является исследование и разработка методов устранения интерференции, вызванной приемом сигнала от нескольких источников информации в современных беспроводных сетях.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи диссертационного исследования:

1. Классифицировать источники интерференции в современных беспроводных сетях и методы борьбы с интерференцией в зависимости от типа источника.

2. Разработать алгоритм устранения межсимвольной интерференции, возникающей при синхронной передаче сигнала несколькими станциями одночастотной сети.

3. Провести исследование разработанного алгоритма устранения межсимвольной интерференции в каналах с постоянными и переменными параметрами.

4. Разработать и исследовать алгоритм погашения интерференции множественного доступа в системах с многочастотной модуляцией.

5. Исследовать характеристики алгоритмов управления доступом абонентов к каналу в системах случайного множественного доступа с погашением интерференции.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы общие методы системного анализа, методы цифровой обработки сигналов, методы теории вероятностей, численные методы, а также методы имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала для систем с одночастотной модуляцией, отличающийся от известных тем, что включает в себя поэтапный переход от алгоритмов без обратной связи к алгоритмам с обратной связью от декодера.

2. Впервые предложен алгоритм итеративного погашения интерференции случайного множественного доступа для систем с ортогональным частотным мультиплексированием.

3. Впервые предложен алгоритм декодирования конфликтного сигнала в векторном дизъюнктивном канале и методика оценки вероятности ошибки декодирования.

4. Предложена модификация алгоритма дробления, позволяющая увеличить скорость передачи в системах СМД в векторном дизъюнктивном канале.

Практическая ценность полученных результатов. Разработанный комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала может использоваться для приема одночастотного сигнала в каналах со сложным многолучевым распространением, вызванным синхронной передачей нескольких станций. В том числе разработанный алгоритм может быть использован в приемниках цифрового телевещания.

Комбинированные алгоритмы СМД с погашением интерференции могут быть использованы для увеличения скорости передачи информации в режиме случайного доступа в централизованных системах связи с большим числом абонентов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

Научные сессии ГУАП (Санкт-Петербург, Россия, 2008-2012); 12-м международном симпозиуме «On Wireless Personal Multimedia Communications» (Рованиеми, Финляндия, 2008); 8-ой международной конференции «Оп

Next Generation Teletraffic and Wired/Wireless Advanced Networking» (Санкт-Петербург, Россия, 2008); 18-ой международной конференции «On Analytical and Stochastic Modeling Techniques and Applications» (Венеция, Италия, 2011); 11-ой международной конференции «On ITS Telecommunications» (Санкт-Петербург, Россия, 2011); Всероссийской научной конференции по проблемам информатики «СПИСОК» (Санкт-Петербург, Россия, 2012); 13-м международном симпозиуме «On Problems of Redundancy in Information and Control Systems» (Санкт-Петербург, Россия, 2012); 12-ой международной конференции «FRUCT» (Оулу, Финляндия, 2012).

Внедрение результатов. Результаты работы были использованы в рамках проекта «Эквализация сигналов цифрового телевидения», осуществляемого ЗАО «Интел А/О». Кроме того, теоретические результаты работы используются в учебном процессе кафедры безопасности информационных систем СПбГУАП.

Публикации. Результаты, представленные в диссертационной работе, опубликованы в 15 печатных работах [1-15]. Среди них 3 работы [1-3] опубликованы в изданиях, включенных в список ВАК, и 1 заявка на патент [4]. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала для систем с одночастотной модуляцией.

2. Алгоритм итеративного погашения интерференции случайного множественного доступа в системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием.

3. Алгоритм декодирования конфликтного сигнала в векторном дизъюнктивном канале и методика оценки вероятности ошибки декодирования.

4. Модификация алгоритма дробления применительно к векторному дизъюнктивному каналу.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников (84 наименования) и двух приложений. Диссертация содержит 136 страниц, включая одну таблицу и 45 рисунков.

В разделе 1 дается описание и классификация источников интерференции в беспроводных сетях и краткий обзор известных методов борьбы с раз-

личными видами интерференции. Раздел также содержит модель радиоканала, используемую во втором и третьем разделах.

Раздел 2 посвящен алгоритмам борьбы с межсимвольной интерференцией в системах с одночастотной модуляцией. Раздел содержит детальное описание известных алгоритмов турбо-эквализации и алгоритмов оценки параметров канала в частотной области, на основе которых предлагается комбинированный алгоритм. Качество работы предложенного алгоритма оценивается на основе модели системы цифрового телевещания ATSC.

В разделе 3 исследуется погашение интерференции множественного доступа в системах с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM). В разделе приводится описание предложенного алгоритма погашения интерференции на физическом уровне OFDM системы, а также анализируется связь его характеристик (вероятности ошибки) со скоростью передачи алгоритмов СМД.

В разделе 4 рассматривается случайный множественный доступ в векторном дизъюнктивном канале, описывающем системы с частотной манипуляцией. В разделе содержится описание предложенного алгоритма декодирования конфликтного сигнала, который в дизъюнктивном канале выполняет функцию погашения интерференции. С учетом работы предложенного алгоритма модифицируется алгоритм управления доступом абонентов к каналу.

В заключении кратко перечислены основные результаты, полученные в ходе диссертационной работы.

Приложение А содержит описание известного механизма работы циклического префикса.

Приложение Б содержит копии актов внедрения.

1 Источники интерференции в беспроводных сетях 1.1 Вводные замечания

Под беспроводной сетью связи, как правило, понимают систему передачи информации по радиоканалу. Отличительной особенностью радиоканала, как среды для передачи информации, является наличие различных источников интерференции. В общем случае понятие интерференции можно трактовать довольно широко [16]. Поясним данное понятие применительно к задачам, решаемым в диссертационной работе.

Рассмотрим передачу некоторого дискретного сообщения. На передающей стороне символы сообщения преобразуются в сигналы, пригодные для передачи по каналу, с помощью модуляции. Если в полосе частот полезного сигнала присутствуют прочие сигналы, то на приемной стороне произойдет их сложение с передаваемым сигналом, которое может привести к искажениям последнего. Данный эффект называется интерференцией. В случае, если мощность интерферирующих сигналов сопоставима с мощностью принимаемого полезного сигнала, то приемник будет выносить неправильные решения относительно переданных символов. Таким образом, устранение интерференции является необходимым условием передачи информации по радиоканалу. Методы борьбы с интерференцией в радиоканале зависят от ее типа.

В зависимости от источника будем выделять следующие основные типы интерференции в беспроводной сети:

1. интерференция, вызванная многолучевым распространением сигнала:

(a) от одного передатчика до приемника (классический вариант многолучевого распространения [17,18]);

(b) от нескольких передатчиков, синхронно транслирующих один широковещательный сигнал (многолучевое распространение в одноча-стотных сетях [19]);

2. интерференция, вызванная использованием общего канала несколькими абонентами одной и той же системы связи {интерференция множественного доступа) [20];

3. интерференция, вызванная одновременной работой разных систем связи в одной полосе частот [5].

Помимо интерференции принятый сигнал искажается тепловым шумом, влияние которого нужно учитывать при разработке алгоритмов передачи и приема.

Прежде чем приступить к рассмотрению способов борьбы с указанными типами интерференции, рассмотрим типовую модель радиоканала и основные виды цифровой модуляции.

1.2 Модель радиоканала

Рассмотрим типовую систему цифровой беспроводной связи (рисунок 1.1). На вход передатчика поступает дискретное сообщение т. Пройдя через процедуру помехоустойчивого кодирования и цифровой модуляции, сообщение преобразуется в последовательность комплексных чисел

X = XI + jXQ,

где 2 — мнимая единица; Ж/ и — последовательности вещественных чисел, соответствующие действительной и мнимой частям комплексного сигнала х.

т

сообщение

Передатчик

Цифровой эквивалентный низкочастотный канал Радио-канал

Кодер + ► Цифровой ! Модулятор

* .! ЦАП да РаДИ°-

цифр. 1--!

сигна^!

часть

/с

Приемник

у Цифровой Демодулятор ! + Декодер

у = х*к + п

Рисунок 1.1- Модель системы беспроводной связи

т

Далее цифровой сигнал х проходит через цифро-аналоговое преобразование (ЦАП), радиочасть передатчика (где поднимается на несущую частоту /с), радиоканал с многолучевым распространением, радиочасть приемника и аналого-цифровое преобразование