автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка высокоэффективного приемного тракта для системы мобильной связи

На правах рукописи

1111111111111111111

003482972

Колычев Олег Владимирович

Исследование и разработка высокоэффективного приемного тракта для системы мобильной связи

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

12 нсп ет

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики на кафедре радиопередающих устройств

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

• Шахгильдян Ваган Ваганович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент,

Шорин Олег Александрович

кандидат технических наук, доцент, Свет Сергей Дарьевич

Ведущая организация: научно-производственная фирма «ГЕЙЗЕР»

Защита диссертации состоится «3» декабря 2009 г. в 13 час. на заседании совета Д 219.001.03 Московского технического университета связи и информатики по адресу: 111024, Москва, Авиамоторная ул., д. 8а, ауд. А-448

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, к.т.н., доцент

!6сичкина Т.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Переход к цифровым методам передачи аналоговых сообщений вызвал значительный рост объемов передачи дискретной информации по каналам связи и появление новых образцов аппаратуры передачи данных. Увеличение спроса на цифровые каналы передачи привело к исследованиям, направленным на поиск путей повышения качественных показателей связи - на максимально эффективное использование полосы часто!, уменьшение внеполосных излучений, повышение помехоустойчивости и энергетической эффективности, а также к поиску решения вопроса увеличения скорости и достоверности передачи по сравнению с существующими системами передачи дискретной информации. При этом основными требованиями, предъявляемыми к процессам приемо-передачи дискретных сообщений, являются обеспечение максимальной достоверности, при высокой скорости этой передачи и выполнение норм электромагнитной совместимости (ЭМС).

Задача построения эффективных систем передачи информации в различных вариантах рассматривалась и решалась в работах как отечественных ученых - В.И. Тихонов, В.Н. Харисов, P.JI. Стратонович, М.А. Миронов, Н.К. Кульман, E.JL Белоусов, В.А. Смирнов, MC. Ярлыков, A.A. Харкевич, В.И. Борисов, В.И. Сифоров, Ю.С. Шинаков, O.A. Шорин, С.Д. Свет, М.С, Немировский, И.В. Шахнович, В.А. Варюхин и др„ так и зарубежных -А. Витерби (A. Viterbi), Е. Биглиери (Е. Biglieri), Ф. Кьеиг (Xiong F.), А. Свенссон (A. Svensson), Т. Свенссон (T. Svensson), К.-Е. Сандберг (С.-Е. Sundberg), У. Менгали (U. Mengali), M. Морелли (M. Morelli), Дж. M. Витетта (G.M. Vitetta), Марвин К. Саймон (Marvin К. Simon), Дж. Прокис (Proakis J.G.) и др.

В последнее десятилетие интенсивное развитие получили системы мобильной связи, Для повышения помехоустойчивости и емкости мобильных систем используются высокоэффективные методы модуляции, потенциаль-

з

ные преимущества которых могут быть реализованы только при высокой точности работы систем синхронизации приемо-передающего тракта. Значительные резервы совершенствования таких систем заключены в применении модулированных сигналов с непрерывной фазой МНФ, эффективно использующих полосу частот. По мере того как «стоимость» полосы частот (естественного ресурса) становится дороже, повышается важность использования таких сигналов. Эти сигналы являются хорошей альтернативой фазовым и амплитудно-фазовым манипуляциям, так как способны обеспечить более высокую помехоустойчивость передачи дискретных сообщений с меньшим уровнем внеполосных излучений при той же, или даже меньшей, необходимой полосе частот. В последние годы наблюдается тенденция использования в передающей аппаратуре сигналов МНФ крупнейшими производителями телекоммуникационного оборудования, сигналы МНФ нашли широкое применение во многих видах систем передачи дискретной информации гражданского и военного назначения - в космической связи, а также связи с подвижными объектами. Примером может являться мобильная связь (стандарт GSM-900/1800 - далее GSM).

Однако с появлением МНФ возникли новые вопросы в области синхронизации в многолучевых каналах связи. Ведь эффективность использования полосы частот здесь достигается за счет сглаживания фазового импульса сигнала во временной области. Такое сглаживание приводит к концентрации энергии сигнала в узкой полосе, что обеспечивает уменьшение ширины полосы, требуемой для передачи сигнала, и размещение соседних сигналов плотнее друг к другу. В то же время, вследствие сглаживания сигнала во временной области, проявляется тенденция к «размыванию» символьных переходов, а это нарушает четкую работу систем синхронизации.

В связи с вышесказанным, становится актуальной задача представления вероятностных моделей, статистического синтеза и анализа квазиоптимальных алгоритмов совместной обработки передаваемых информационных и синхропоследовательностей сигналами МНФ в сетях мобильной связи.

Цель работы н задачи исследования. Целью диссертации является повышение эффективности системы мобильной связи на основе синтеза структуры квазиоптимальных алгоритмов совместной обработки информационных и синхросигналов и анализа эффективности таких алгоритмов аналитически, а также с помощью компьютерного моделирования. Для этого составлена математическая модель для случая наличия одного полезного сигнала, которая применена к более сложному случаю - приему абонентской станцией (АС) двух полезных сигналов базовых станций (БС).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи;

1. Разработка и исследование квазиоптимальных алгоритмов приема сигналов МНФ для систем мобильной связи в условиях канала с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) для случаев передачи синхропараметра:

- в одном канале связи вместе с полезным сигналом (совмещенный синхроканал - СКС) при работе АС на одну и две БС;

- в дополнительном канале связи (выделенный синхроканал - ВКС) при работе АС на одну и две БС.

2. Проведение сравнительного анализа полученных результатов и выявление типа канала синхронизации, обеспечивающего лучшие качественные показатели (помехоустойчивость, энергетика) линии связи при работе АС на одну и две БС.

3. Проверка работоспособности полученных квазиоптимальных структур для приема сигналов МНФ от п БС (п=1,2) для системы мобильной связи путем имитационного моделирования. Оценка помехоустойчивости разработанных алгоритмов.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись теоретические исследования и имитационное моделирование. Теоретические исследования основаны на применении теории радиотехнических цепей и сигналов, статистической радиотехники, марковской теории нелинейной фильтрации для отыскания квазиоптимальной структуры приемного устройства.

При проведении компьютерных исследований разработанной модели использовались методы моделирования канала передачи информации, цифровой обработки поступающей на вход приемного устройства аддитивной смеси полезного сигнала и белого гауссовского шума.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Создана математическая модель канала высокоэффективной синхронной передачи информации сигналами МНФ в системах мобильной связи в условиях канала с АБГШ.

2. Предложены структурные схемы квазиоптимальных приемных устройств сигналов МНФ для систем мобильной связи в условиях канала с АБГШ, обеспечившощие улучшение качественных показателей связи.

3. На основании проведенных исследований зависимости качественных показателей связи разработанной модели канала от ОСШ в канале, доказано повышение энергетической эффективности линии связи при работе АС на двеБС.

Практическая ценность.

1. На основе теории нелинейной фильтрации марковских процессов создана универсальная методика нахождения оптимальной структуры приемного устройства по критерию максимума правдоподобия (МП) при приеме сигналов класса цифровой МНФ от п источников (п=1,2) в условиях канала с АБГШ.

2. Синтезирована структурная схема квазиоптимпльпого приемного устройства сигналов цифровой МНФ АС в условиях действия двух БС, обеспечивающая улучшение помехоустойчивости связи.

3. Разработанный комплекс компьютерных программ позволяет оценить качественные характеристики систем мобильной связи при передаче информации сигналами МНФ от и источников (л=7,2) в условиях канала с АБГШ, что вносит существенный вклад в решение задач повышения эффективности таких систем.

б

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в разработки НПФ «ГЕЙЗЕР», что подтверждено соответствующим актом.

Аппобацип работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на российских и международных научно-технических конференциях и семинарах; московской отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества» (апрель 2007); второй отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества» (апрель 2008), третьей отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества», посвященной 150-летию со дня рождения А.С. Попова (март 2009); научно-технических семинарах «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Одесса 2007, Ярославль 2008, Воронеж 2009); 10-ой Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (март 2008),

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 8 научных работах в журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций. Автор имеет 2 публикации в ведущих рецензируемых научных изданиях и журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. В работах, проведенных в соавторстве, научному руководителю принадлежит постановка задачи и обсуждение результатов исследований.

Объем работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение и приложение, изложенные на 141 странице текста. В работу включены 60 рисунков, 10 таблиц, список литературы содержит 59 наименований. В приложении представлен акт об использовании результатов работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели синтеза оптимальных структур приемных устройств системы мобильной связи по критерию МП при работе АС на и БС

(и=7,2) в условиях канала с АБГШ, базирующиеся на марковской теории случайных процессов.

2. Структурная схема квазиоптималыюго приемного устройства сигналов МНФ для систем мобильной связи при работе АС на две БС в условиях канала с АБГШ, обеспечивающая улучшение качественных показателей связи.

3. Результаты анализа компьютерного исследования разработанных моделей квазиоптимальных приемных устройств систем мобильной связи в условиях канала с АБГШ и качественных показателей линии связи.

4. Результаты сравнения и анализа теоретических и практических результатов, полученных на основе исследований разработанных моделей.

Краткое содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку целей и задач работы,, основные положения, выносимые на защиту, несет информацию о публикациях результатов в научных работах и журналах, определяет содержание и методы выполнения работы,

В первой главе диссертации изложено описание класса сигналов цифровой МНФ, рассмотрено современное состояние синтеза и анализа оптимальных и квазиоптимальных систем фазовой и тактовой синхронизации при приеме такого класса сигналов, отмечены модели, задачи, методы. Приведены нерешенные вопросы, касающиеся проблемы синхронного приема МНФ сигналов и его эффективности.

Вторая н третья главы посвящены исследованию двух типов каналов приема сигнала МНФ и синхропараметра (при включении синхропараметра в полезный, передаваемый сигнал - совмещенный канал синхронизации (СКС) или же использовании дополнительно выделенного сигнала для передачи синхропараметра - выделенный канал синхронизации (ВКС)).

Известно, что с точки зрения повышения спектрально-энергетических показателей линии связи, наиболее привлекательна стратегия синхронизации исключительно по информационным символам - СКС. Важным преимуществом ВКС - метода является простота входного процессора, способность достигнуть быстрого и надежного приема для всех типов сигналов МНФ, а также улучшение временных показателей работы устройств, выносящих конечные решения.

Для получения квазиоптимальных структур приемных устройств сигнала МНФ для системы мобильной связи, а также оценки качественных показателей линий связи БС-АС и 2БС-АС, применена марковская теория нелинейной фильтрации. Разработаны квазиоптимальные алгоритмы приема для двух типов каналов приема сигнала МНФ и синхропараметра (СКС и ВКС) - во второй главе при работе АС на одну БС, в третьей главе при приеме АС сигналов от двух БС, в предположении идеальной тактовой синхронизации приемо-передающего тракта, а также полагая, что значения дискретного (информационного) параметра МНФ а(г) образуют цепь Маркова на к состояний на фиксированных интервалах времени, а непрерывный синхропараметр ^(0 (фазовая нестабильность несущего колебания на приемной стороне)

описывается винеровским процессом.

Результаты теоретического исследования показывают, что для обеих схем организации радиолинии (БС-АС и 2БС-АС) с точки зрения повышения качества связи предпочтительнее СКС.

Сравнивая графики зависимостей дисперсии оценки синхропараметра цгц от отношения сигнал-шум (ОСШ) в канале при СКС для каналов БС-АС

и 2БС-АС (рисунок 1), можно заметить, что выигрыш достигается при использовании топологии сети 2БС-АС.

На рисунке 1 введены следующие обозначения: функцией Ш обозначена дисперсия оценки ^ для случая одной БС и СКС, а функцией г2 дисперсия

оценки для случая двух БС и СКС.

з 4 б г ю и 14 ОСШ, дБ

Рисунок 1 - Зависимость дисперсии от ОСШ в канале.

На рисунке 2 представлены кривые помехоустойчивости для СКС для случаев каналов БС-АС и 2БС-АС. Введены следующие обозначения: вероятность ошибочного приема Рош/ для дисперсии оценки информационного параметра Л=0.01 и Р0Ш2 для Я-2.

10 П 13 13 ОСШ, дБ

Рисунок 2 - Зависимость вероятности ошибки от ОСШ в канале и дисперсии.

ю

По рисункам 1,2 оценены качественные показатели, определена поме -хоустойчивость, которую обеспечивают синтезированные приемники, виден выигрыш, который обеспечивает работа АС на две БС.

Квазиоптимальная структура приемного устройства сигналов МНФ, обеспечивающая улучшение качественных показателей связи (при работе АС на две БС) в условиях канала с АБГШ представлена на рисунке 3: п

Лог

1

«01О | я02(О

•Л7ГТС0* 02

2^(0+2^1 V а^УЙ-ИУ^^О)

" со "*

2^011+2х!12 а, (')</(;- ¡' Я+!

Н угС ОЙ

(2)

X

(1)-(2)

ао

(1)

1/(.) 3=

«—Я-> (.я

- Х(-1) - 0/2К- - (О2

—«- ь —

х(- -1)|

^01

^01

Л ^01

а)

(2)

РУ

Н - !

Рисунок 3 * Структурная схема квазиоптимальиого приемника,

и

Полученная структура оказывается сравнительно простой. Ее особенностью является использование обратной связи по решению при формировании опорных сигналов.

Четвертая глава посвящена практическим аспектам проведенных теоретических изысканий, разработана имитационная модель приемопередающего тракта системы мобильной связи для сигналов гауссовской модуляции с минимальным сдвигом (ГММС-GMSK.) по каналу с АБГШ в среде моделирования Matlab (Simulink), выполнено исследование характеристик разработанной модели, зависимости качества связи от параметров канала, произведено сравнение полученных качественных показателей связи с результатами теоретических исследований, а также с характеристиками модема линии связи стандарта GSM.

На рисунке 4 представлена характеристика зависимости вероятности ошибок на бит Рои (BER - bit error rate) от ОСШ в каналах БС-АС, 2БС-АС для СКС:

Рисунок 4 - Зависимости вероятности ошибки от ОСШ в канале.

Основные результаты проведенных исследований приведены в таблице 1. Указаны также точностные показатели для системы мобильной связи стандарта GSM:

Таблица 1

Характеристика

Система Тракт/модель BER E/No, дБ BER E/N0, ДБ

Разработанная БС-АС теоретическая >11.3 >24.3

система компьютерная >6.8 >11.5

мобильной 2БС-АС теоретическая <10* >11,2 <lff° >24.2

СВЯЗИ компьютерная >6 >11

Стандарт GSM БС-АС >9 >14

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты работы

1. Получено решение актуальной научно-технической задачи разработки и моделирования высокоэффективных квазиоптимальных алгоритмов приема, которое может служить важным приложением для практики проектирования перспективных систем мобильной связи.

2. Поставлена и решена задача синтеза квазиоптимальных алгоритмов приема и обработки сигналов МНФ в условиях канала с АБГШ. Алгоритмы основаны на теории нелинейной фильтрации марковских случайных процессов, при помощи которой создана универсальная методика нахождения квазиоптимальных структур приемного устройства сигналов МНФ от п источников (п-1,2) для систем мобильной связи.

3. Разработаны алгоритмы оценивания и расчета точностных показателей качества связи для дисперсии оценки непрерывного синхропараметра (фазовая нестабильность несущего колебания на приемной стороне) и помехоустойчивости линии связи при приеме сигналов МНФ от п источников (п=1,2) в гауссовском канале.

4. Показано, что результаты имитационного моделирования предложенного алгоритма работы АС на две БС подтверждают повышение помехоустойчивости линии связи за счет использования второго полезного сигнала.

5. Разработанные алгоритмы могут быть обобщены для случая работы АС на т БС (т>2). При этом необходимо учитывать снижение пропускной способности сети сотовой связи в т раз.

Список публикаций

1. Шахгильдян В.В., Колычев О.В. Обзор состояния теории и техники синхронизации в цифровой передаче информации сигналами модуляции с непрерывной фазой (МНФ). Труды Московского технического университета связи и информатики. - М.: ИД Медиа Паблишер, 2007 г. - С.50-54.

2. Колычев О.В., Шахгильдян В.В. О системах синхронизации в цифровой передаче информации сигналами модуляции с непрерывной фазой (МНФ). // Материалы научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». - М.: Инсвязьиздат, 2007 г. - С.73-77.

3. Шахгильдян В.В., Колычев О.В. Совместные системы фазовой и тактовой синхронизации при приеме сигналов модуляции с непрерывной фазой (МНФ).//Электросвязь. 2008 г.-№6.-С. 16-18.

4. Шахгильдян В.В., Колычев О.В. Эффективность сигналов цифровой модуляции с непрерывной фазой (МНФ). // Материалы второй отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества»,- М.: ИД Медиа Паблишер, 2008 г. - С.192-194.

5. Шахгильдян В.В., Колычев О.В. Эффективность сигналов цифровой модуляции с непрерывной фазой (МНФ). // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск: Х-1. - М.: Инсвязьиздат, 2008 г. - С.103-105.

6. Шахгильдян В.В., Колычев О.В. Оптимальный прием сигналов цифровой модуляции с непрерывной фазой. // Материалы научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания».- М.: Инсвязьиздат, 2008 г. - С.58.

7. Шахгильдян В.В., Колычев О.В. Процесс синхронизации при приеме сигналов модуляции с непрерывной фазой. // Электросвязь. 2008 г. -№12.-С.62-65.

8. Колычев О.В. Повышение качественных показателей эффективности линии связи при приеме сигналов МНФ. //«Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания»: тексты докладов всероссийского научно-технического семинара. Под редакцией Шахгильдяна В.В. - М.: Инсвязьиздат, 2009 г. - С.бЗ-65.

Подписано в печать 13.10.09.Формат 60x84/16. Объем 0,9 усл.пл. _Тираж 100 экз. Заказ 124._•

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Описание сигналов МНФ, процесс синхронизации при приеме сигналов МНФ.

1.1. Описание и эффективность МНФ.

1.2. Оптимальные системы фазовой и тактовой синхронизации.

1.3. Выводы по первой главе.

Глава 2. Работа абонентской станции на одну базовую станцию.

Выбор типа канала синхронизации при приеме сигнала МНФ от одной базовой станции.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Совмещенный синхроканал.

2.2.1. Оценка фазовой нестабильности i/?q.

2.2.2. Оценка информационного параметра ап.

2.3. Выделенный синхроканал.

2.3.1. Оценка фазовой нестабильности у/^.

2.3.2. Оценка информационного параметра ап.

2.4. Сравнение каналов передачи синхропараметра.

2.5. Структура.

2.6. Выводы по второй главе.

Глава 3. Работа абонентской станции на две базовые станции. Выбор типа канала синхронизации при приеме сигналов МНФ от двух базовых станций. Повышение качественных показателей эффективности линии связи.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Совмещенный синхроканал.

3.2.1. Оценка фазовой нестабильности у/^.

3.2.2. Оценка информационного параметра ап.

3.3. Выделенный синхроканал.

3.3.1. Оценка фазовой нестабильности i/?q.

3.3.2. Оценка информационного параметра ап.

3.4. Сравнение каналов передачи синхропараметра.

3.5. Сравнение каналов передачи синхропараметра и помехоустойчивости линии связи для случаев работы АС на одну и две Б С.

3.6. Структура.

3.7. Выводы по третьей главе.

Глава 4. Компьютерное моделирование системы мобильной связи при передаче сигналов ГММС.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Модель тракта БС-АС.

4.2.1. Передающая сторона (базовая станция).

4.2.2. Канал.

4.2.3. Приемная сторона (абонентская станция).

4.3. Модель работы АС на две БС.

4.4. Оценка помехоустойчивости.

4.5. Выводы по четвертой главе.

Актуальность темы. Переход к цифровым методам передачи аналоговых сообщений вызвал значительный рост объемов передачи дискретной информации по каналам связи и появление новых образцов аппаратуры передачи данных. Увеличение спроса на цифровые каналы передачи привело к исследованиям, направленным на поиск путей повышения качественных показателей связи - предельно возможного сокращения полосы частот (на максимально эффективное использование полосы частот), уменьшение внеполос-ных излучений, повышение помехоустойчивости и энергетической эффективности, а также к поиску решения вопроса увеличения скорости и достоверности передачи по сравнению с существующими системами передачи дискретной информации (при сохранении энергетических показателей радиолинии) или снижения мощности, излучаемой передатчиком, при сохранении этих показателей или же их уменьшении [1]. При этом, основными требованиями, предъявляемыми к процессам приемо-передаче дискретных сообщений, являются обеспечение максимальной достоверности, при высокой скорости этой передачи и выполнение норм электромагнитной совместимости (ЭМС).

Задача построения эффективных систем передачи информации в различных вариантах рассматривалась и решалась в работах как отечественных ученых - В.И. Тихонов, В.Н. Харисов, P.JI. Стратонович, М.А. Миронов, Н.К. Кульман, E.JI. Белоусов, В.А. Смирнов, М.С. Ярлыков, А.А. Харкевич,

В.И. Борисов, В.И. Сифоров, Ю.С. Шинаков, О.А. Шорин, С.Д. Свет, М.С. Немировский, И.В. Шахнович, В.А. Варюхин и др., так и зарубежных -А. Витерби (A. Viterbi), Е. Биглиери (Е. Biglieri), Ф. Кьенг (Xiong F.), А., Свенссон (A. Svensson), Т. Свенссон (Т. Svensson), К.-Е. Сандберг (С.-Е. Sundberg), У. Менгали (U. Mengali), М. Морелли (М. Morelli), Дж. М. Витетта (G.M. Vitetta), Марвин К. Саймон (Marvin К. Simon), Дж. Прокис (Proakis J.G.) и др.

Необходимо отметить, что интенсивность проводимых исследований в этой области в последние годы заметно повысилась, что конечно связано с совершенствованием элементной базы микроэлектроники и ростом рабочих частот. Переход на новые технологии, цифровые методы передачи информации существенно расширил возможности систем передачи дискретной информации, повысил эффективность устройств на их основе, дал большое количество технических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с аналоговой техникой. Появились новые варианты систем, обладающих требуемыми характеристиками по точности и надежности работы, быстродействию, помехоустойчивости для различных типов входных сигналов и законов модуляции, стало реальностью создание гибких алгоритмов обработки информации, синхронизации радиопередающего тракта, оптимизации параметров и характеристик. - 4

В последнее десятилетие интенсивное развитие получили системы мобильной связи. Значительные резервы совершенствования таких систем заключены в применении модулированных сигналов с непрерывной фазой

МНФ (СРМ), эффективно использующих полосу частот. По мере того как «стоимость» полосы частот (естественного ресурса) становится дороже, повышается важность использования таких сигналов. Эти сигналы являются хорошей альтернативой фазовым и амплитудно-фазовым манипуляциям, так как способны обеспечить более высокую помехоустойчивость передачи дискретных сообщений с меньшим уровнем внеполосных излучений, при той же или даже меньшей необходимой полосе частот.

Однако с появлением МНФ возникли новые вопросы в области синхронизации в многолучевых каналах связи. Ведь эффективность использования полосы частот здесь достигается за счет сглаживания фазового импульса сигнала во временной области. Такое сглаживание приводит к концентрации энергии сигнала в узкой полосе, что обеспечивает уменьшение ширины полосы, требуемой для передачи сигнала, и размещение соседних сигналов плотнее друг к другу. В то же время, вследствие сглаживания сигнала во временной области, проявляется тенденция к «размыванию» символьных переходов, а это нарушает четкую работу систем синхронизации.

Большое число степеней свободы сигналов МНФ предоставляет разработчику аппаратуры связи широкие возможности по управлению параметрами сигнала, спектральными и энергетическими показателями, расширяя в конечном счете область применения. В последние годы наблюдается тенденция использования в передающей аппаратуре сигналов МНФ крупнейшими производителями телекоммуникационного оборудования. На данный момент сигналы МНФ нашли широкое применение во многих видах систем передачи дискретной информации гражданского и военного назначения. Сигналы МНФ имеют постоянную огибающую (важное техническое качество), что делает их перспективными для многих типов каналов передачи, в том числе и с нелинейностью, встречающейся в радиосистемах космической связи, а также связи с подвижными объектами. Примером может являться мобильная связь (стандарт GSM-900/1800 - далее GSM) [2, 3].

Основными нормативными актами, определяющими порядок использования, а также требования к сетям подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM, используемых на территории Российской Федерации являются:

- Решение Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) от

12.02.2007 № 07-19-02-001 «О выделении полос радиочастот 890-915 МГц,

935-960 МГц, 1710-1785 МГц и 1805-1880 МГц радиоэлектронным средствам стандарта GSM на территории субъектов Российской Федерации». Согласно Решению ГКРЧ, доступный для оказания услуг связи радиочастотный спектр ограничивает возможное количество операторов сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM на территории субъектов Российской Федерации. При этом минимально необходимый радиочастотный спектр для создания и развития сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM составляет два участка по 4.8 МГц в полосах радиочастот 890-915 МГц и 935960 МГц или два участка по 15 МГц в полосах радиочастот 1710-1785 и 18051880 МГц. Планы размещения частот рекомендуются с точки зрения обеспечения наиболее эффективного и рационального использования спектра для предоставления услуг, минимизируя при этом нежелательное влияние на другие системы или службы в этих полосах и способствуя развитию систем

GSM. При этом экспериментальные исследования подтвердили возможность обеспечения ЭМС РЭС стандарта GSM и РЭС других назначений при работе в одной полосе радиочастот [4].

- Правила применения абонентских станций (абонентских радиостанций) сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM-900/1800, утвержденные Приказом Министерства информационных технологий и связи

Российской Федерации в целях обеспечения целостности, устойчивости, ( функционирования и безопасности единой сети электросвязи Российской Федерации [5].

Для повышения помехоустойчивости и емкости мобильных систем используются высокоэффективные методы модуляции, потенциальные преимущества которых могут быть реализованы только при высокой точности работы систем синхронизации приемо-передающего тракта. При этом передаваемый поток символов обычно группируется по слотам, представляющим собой упорядоченную временно-частотную совокупность заданного числа информационных и синхросигналов.

Развитие современных систем и устройств радиотехники и связи, техники управления, радиолокации и навигации, радио- и информационно-измерительных комплексов невозможно без широкого применения систем синхронизации. Круг задач, решаемых этими системами, весьма обширен: слежение за несущими и поднесущими частотами принимаемых сигналов, когерентная демодуляция аналоговых-и цифровых сигналов с частотной и фазовой модуляцией, синхронизация и демодуляция двоичных символов цифровой информации, синтез сетки высокостабильных частот, стабилизация частот генераторов различных диапазонов. Реально в приемнике информация о сигнале всегда будет известна с некоторыми погрешностями, да и устройства приемника сами не являются идеальными. Синхронизация в технике связи - это фундаментальная проблема, равноценная и равнозначная обнаружению и выделению сигнала. Процесс синхронизации до сих пор остается одной из самых сложных задач при работе с сигналами МНФ в сетях мобильной связи.

В связи с вышесказанным, становится актуальной задача представления вероятностных моделей, статистического синтеза и анализа квазиоптимальных алгоритмов совместной обработки передаваемых информационных и синхропоследовательностей сигналами МНФ в сетях мобильной связи.

Объектом исследования является приемный тракт системы мобильной связи при передаче сигналов МНФ по линии базовая станция (БС) - абонентская станция (АС) в условиях действия канала с аддитивным белым гауссов-ским шумом (АБГШ). Рассмотрены и исследованы два типа канала передачи синхропараметра при приеме сигналов МНФ, синтезированы структурные схемы квазиоптимальных приемных устройств сигналов МНФ от п БС {п=1,2 - число БС).

Предметами исследования являются:

- математическая модель линии мобильной связи, основанные на этой модели квазиоптимальные структурные схемы трактов приема сигналов МНФ в условиях действия канала с АБГШ;

- компьютерная модель линии мобильной связи, оценки ее эффективности и возможности практической реализации синтезированных квазиоптимальных структур при приеме сигналов МНФ от п БС (п=1,2) в условиях действия канала с АБГШ.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является повышение эффективности системы мобильной связи на основе синтеза структуры квазиоптимальных алгоритмов совместной обработки информационных и синхросигналов и анализа эффективности таких алгоритмов аналитически, а также с помощью компьютерного моделирования. Для этого составлена математическая модель для случая наличия одного полезного сигнала, которая применена к более сложному случаю - приему АС двух полезных сигналов БС.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка и исследование квазиоптимальных алгоритмов приема сигналов МНФ для систем мобильной связи в условиях действия канала с АБГШ для случаев передачи синхропараметра:

- в одном канале связи вместе с полезным сигналом (совмещенный синхроканал - СКС) при работе АС на одну и две БС;

- в дополнительном канале связи (выделенный синхроканал - ВКС) при работе АС на одну и две БС.

2. Проведение сравнительного анализа полученных результатов и выявление типа канала синхронизации, обеспечивающего лучшие качественные показатели (помехоустойчивость, энергетика) линии связи при работе АС на одну и две БС.

3. Экспериментальная проверка работоспособности полученных квазиоптимальных приемных структур сигналов МНФ от п БС (п=1,2) для системы мобильной связи. Оценка помехоустойчивости разработанных алгоритмов.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретические исследования основаны на применении теории радиотехнических цепей и сигналов, статистической радиотехники, марковской теории нелинейной фильтрации для отыскания квазиоптимальной структуры приемного устройства.

В экспериментальных исследованиях разработанной модели использовались методы моделирования канала передачи информации, цифровой обработки поступающей на вход приемного устройства аддитивной смеси полезного сигнала и БГШ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели синтеза оптимальных структур приемных устройств системы мобильной связи по критерию максимума правдоподобия

МП) при работе АС на п БС (п=1,2) в условиях действия канала с АБГШ, базирующаяся на марковской теории случайных процессов.

2. Структурная схема квазиоптимального приемного устройства сигналов МНФ для систем мобильной связи при работе АС на две БС в условиях действия канала с АБГШ, обеспечивающая улучшение качественных показателей связи.

3. Результаты анализа компьютерного исследования разработанных моделей квазиоптимальных приемных устройств систем мобильной связи в условиях действия канала с АБГШ, анализ качественных показателей линии связи.

4. Результаты сравнения и анализа теоретических и практических результатов, полученных на основе исследований разработанных моделей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Создана математическая модель канала высокоэффективной синхронной передачи информации сигналами МНФ в системах мобильной связи в условиях действия канала с АБГШ.

2. Предложены структурные схемы квазиоптимальных приемных устройств сигналов МНФ для систем мобильной связи в условиях действия канала с АБГШ, обеспечивающие улучшение качественных показателей связи.

3. На основании проведенных исследований зависимости качественных показателей связи разработанной модели канала от ОСШ в канале, доказано повышение энергетической эффективности линии связи при работе АС на две БС.

Практическая ценность.

1. На основе теории нелинейной фильтрации марковских процессов создана универсальная методика нахождения оптимальной структуры приемного устройства по критерию МП при приеме сигналов класса цифровой МНФ от п источников (г1=1,2) в условиях действия канала с АБГШ.

2. Синтезирована структурная схема квазиоптимального приемного устройства сигналов цифровой МНФ АС в условиях действия двух БС, обеспечивающая улучшение помехоустойчивости связи.

3. Разработанный комплекс компьютерных программ, позволяет оценить качественные характеристики систем мобильной связи при передаче информации сигналами МНФ от п источников (п=1,2) в условиях действия канала с АБГШ, что вносит существенный вклад в решение задач повышения эффективности таких систем.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в разработки НПФ «ГЕЙЗЕР», что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на российских и международных научно-технических конференциях и семинарах: московской отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества» (апрель 2007); второй отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества» (апрель 2008), третьей отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества», посвященной 150-летию со дня рождения А.С. Попова (март 2009); научно-технических семинарах «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Одесса 2007, Ярославль 2008, Воронеж 2009); 10-ой Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (март 2008).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 8 научных работах в журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций. Автор имеет 2 публикации в одном из ведущих рецензируемых научных изданиях и журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией - журнале «Электросвязь».

Личный вклад соискателя. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. В работах, проведенных в соавторстве, научному руководителю принадлежит постановка задачи и обсуждение результатов исследований.

Объем работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение и приложение, изложенные на 141 странице машинописного текста. В работу включены 60 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 59 наименований.

4.5. Выводы по четвертой главе

1. На основе проведенных во второй и третьей главе диссертационной работы теоретических исследований, разработана компьютерная модель в среде Matlab (Simulink) систем мобильной связи для случаев работы АС на п БС (п=1,2), позволяющая оценить зависимость коэффициента ошибок BER от ОСШ в канале.

2. Экспериментальными исследованиями подтверждено теоретически рассчитанное улучшение помехоустойчивости разработанной системы мобильной связи за счет использования второго полезного сигнала.

3. Сравнение со стандартом GSM показывает выигрыш в помехоустойчивости (энергетической эффективности), линии разработанной системы мо

3 6 бильной связи при работе АС на две БС (на 3 дБ при BER равном 10' и 10' ).

Заключение

1. Получено решение актуальной научно-технической задачи разработки и моделирования высокоэффективных квазиоптимальных алгоритмов приема, которое может служить важным приложением для практики проектирования перспективных систем мобильной связи.

2. Поставлена и решена задача синтеза квазиоптимальных алгоритмов приема и обработки сигналов МНФ в условиях действия канала с АБГШ. Алгоритмы основаны на теории нелинейной фильтрации марковских случайных процессов, при помощи которой создана универсальная методика нахождения квазиоптимальных структур приемного устройства сигналов МНФ от п источников (п—1,2) для систем мобильной связи.

3. Разработаны алгоритмы оценивания и расчета точностных показателей качества связи - для дисперсии оценки непрерывного синхропараметра (фазовая нестабильность несущего колебания на приемной стороне) и помехоустойчивости линии связи при приеме сигналов МНФ от п источников (п=1,2) в гауссовском канале.

4. Показано, что результаты имитационного моделирования предложенного алгоритма работы АС на две БС подтверждают повышение помехоустойчивости линии связи за счет использования второго полезного сигнала.

5. Разработанные алгоритмы могут быть обобщены для случая работы АС на т БС (т>2). При этом необходимо учитывать снижение пропускной способности сети сотовой связи в т раз.

1. Biglieri Е. Digital transmission in 21st century: conflating modulation and coding. // IEEE Comm. Mag., 2002, vol.40, no.5, pp. 128-137.

2. Шахиович И.В. Современные технологии беспроводной связи. -Москва: Техносфера, 2006. 288 с.

3. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. Москва: Горячая линия. 2007. - 432 с.

4. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ). Решение № 07-19-02-001 «О выделении полос радиочастот 890-915 МГц, 935-960 МГц, 1710-1785 МГц и 1805-1880 МГц радиоэлектронным средствам стандарта GSM на территории субъектов Российской Федерации».

5. ПРИКАЗ от 19 февраля 2008 г. № 21 Об утверждении правил применения абонентских станций (абонентских радиостанций) сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM-900/1800.

6. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000 г., 800 с.

7. Xiong F. Digital modulation technique. // Boston/London, Artech House Publishers, 2000, 654 p.

8. Sundberg C.-E. Continuous phase modulation. // IEEE Comm. Mag., 1986, vol. 24, no. 4.

9. Marvin K. Simon. Bandwidth-efficient digital modulation with application to deep-space communications. Monograph 3. Deep-space communications and navigation series, 237 p.

10. J.B. Anderson, T. Aulin and C.E. Sundberg. Digital Phase Modulation. New York: Plenum, 1986.

11. Booth R. An illustration of the MAP estimation for deriving close-loop phase tracking topologies: the MSK signal structure // IEEE Tr. Commun., 1980, vol. COM-28, no. 8, pp. 1137-1142.

12. Morelli M., Vitetta G.M. Joint phase and timing recovery for MSK-type signals. // IEEE Tr. Commun., 2000, vol. 48, no. 12, pp. 1997-1999.

13. Premji A.-N., Taylor D.P. Receiver structures for multi-h signaling formats. // IEEE Tr. Commun., 1987, vol. COM-35, no. 4, pp. 439-451.

14. Premji A.-N., Taylor D.P. A practical receiver structure for multi-h CPM signals. // IEEE Tr. Commun., 1987, vol. COM-35, no. 9, pp. 901-908.

15. Huber J., Liu W.L. An alternative approach to reduced-complexity CPM-receivers. // J. Select. Areas Commun., 1989, vol. SAC-7, no. 9, pp. 14371449.

16. Huber J., Liu W.L. Data-aided synchronization on coherent CPM-receivers. // IEEE Tr. Commun., 1992, vol. 40, no. 1, pp. 178-189.

17. Colavolpe G., Raheli R. Reduced-complexity detection and phase synchronization of CPM signals. // IEEE Tr. Commun., 1997, vol. 45, no. 9, pp. 1070-1079.

18. Morelli M., Mengali U., Vitella G.M. Joint phase and timing recovery with CPM signals. // IEEE Tr. Commun., 1997, vol. 45, no. 7, pp. 867-876.

19. Tang W., Shwedyk E. A quasi-optimum receiver for continuous phase modulation. // IEEE Tr. Commun., 2000, vol. 48, no. 7, pp. 1087-1090.

20. Tang W., Shwedyk E.ML estimation of symbol timing and carrier phase for CPM in Walsh signal space. // IEEE Tr. Commun., 2001, vol. 49, no. 6, pp. 969-974.

21. Mengali U., D'Andrea A.N. Synchronization technique for digital receivers. N.Y., Plenum press, 1997. - 520 p.

22. Gianneti F., Luise M., Reggiannini R. Chip timing recovery in digital modems for continuous phase CDMA radio communications. // IEEE Tr. Commun., 1995, vol. 43, no. 2/3/4, pp. 762-766.

23. Парамонов A.A. Методы приема дискретных сигналов с взаимной связью между символами. // Автореф. дис. д.т.н.: 05.12.02. М.: МТУ СИ, 1993,48 с.

24. Парамонов А.А., Бородин А.О. Прием сигналов МНФ в многолучевом канале с использованием обратной связи по решению // 1-ая международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение".

25. Anderson J.B., Aulin Т., Sundberg С.-Е. Digital phase modulation. -N.Y., Plenum press, 1986. 437 p.

26. Mengali U. and D'Andrea A.N. Synchronization Techniques for Digital Receivers New York: Plenum, 1997.

27. Meyr H., Moeneclay M., Fechtel S.A. Digital communication receivers: synchronization, channel estimation and signal processing. — N.Y., J.Willey, 1998.-817 p.

28. Kaleh G.K. Simple coherent receiver for partial response continuous phase modulation. // IEEE J. Select. Areas Commun., 1989, vol. SAC-7, no. 9, pp. 1427-1436.

29. Svensson A. Reduced state detection of partial response continuous phase modulation. Speech., Vision, 1991, Vol. 138, no. 4, pp. 256-268.

30. Simmons S.J. Simplified coherent detection of CPM. // IEEE Tr. Commun., 1995, vol. 43, no. 2/3/4, pp. 726-728.

31. Fonseka J.P. Soft-decision phase detection with Viterbi decoding for CPM signals. // IEEE Tr. Commun., 1999, vol. 47, no. 12, pp. 1802-1810.

32. Moeneclay M. On the true and the modified Cramer-Rao bounds for the estimation of a scalar parameter in the presence of nuisance parameters. // IEEE Tr. Commun., 1998, vol. 46, no. 11, pp. 1536-1544.

33. Qing Zhao., Gordon L. Stuber. Robust Time and Phase Synchronization for Continuous Phase Modulation // IEEE Tr. Commun., 2006, pp. 1857-1869.

34. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1991.-608 е.: ил.

35. Парамонов А.А., Яманов Д.Н. Оптимальный прием сигналов с минимальной частотной манипуляцией при флюктуирующей начальной фазе. Том 28, №4, Изв. вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника, 1985.

36. Белоусов Е.Л., Харисов В.Н. Оптимальный прием частотно-манипулированных сигналов с минимальным сдвигом. Радиотехника и электроника, 1984, т.7, № 3 с. 440-449.

37. Тихонов В.И., Харисов А.С., Смирнов В.А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. Радиотехника и электроника, 1978, т.23, № 7, с.1441-1452.

38. Тихонов В.И., Степанов А.С. Совместная фильтрация непрерывных и дискретных марковских процессов. Радиотехника и электроника, 1973, т.21, № 7, с.1376-1383.

39. Логвин А.И., Небусев С.В. Помехоустойчивость сигналов с минимальной частотной манипуляцией. Радиотехника, 1986, №1.

40. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. радио, 1975.

41. Константинов П.Н., Парамонов А.А., Яманов Д.Н. Оптимальный прием детерминированных сигналов с минимальной частотной манипуляцией. Радиотехника и электроника, 1983, т.26, № 11, с.30-35.

42. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1980.

43. Обработка сигналов в радиотехнических системах / Под ред. Лукошкина А.П. Изд. ЛГУ, 1987.45. http://sss-mag.com/pdf/gmsktut.pdf

44. Murota, К. and Hirade, К., GMSK Modulation for Digital Mobile Radio Telephony, IEEE Transactions on Communications, vol. COM-29, No. 7. pp 1044-1050, July 1981.

45. M.K. Simon and C.C. Wang. Differential detection of Gaussian MSK in a mobile radio environment, IEEE Trans, on Vehicular Technology, vol. VT-33, no. 4, pp. 307-320, Nov. 1984.

46. Дингес С.И. Радиопередающие устройства систем связи с подвижными объектами. Учебное пособие/ МТУ СИ. М., 2003. 36 с.

47. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра: Пер. с англ./Под ред. В.И. Журавлева.-М.: Радио и связь, 2000. 520 с.

48. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. М.: Радио и связь, 2002. 440 с.

49. Kostedt, F. and Kemerling, J., Practical GMSK Data Transmission, Wireless Design and Development, vol. 3, No. 1, pp. 21-25, January 1995.

50. Беллами Дж. Цифровая телефония: пер. с англ. / под ред. А.Н. Берлина, Ю.Н. Чернышева. -М.: Эко-Трендз, 2004.

51. Невдяев JI.M. Телекоммуникационные технологии. Англорусский толковый словарь-справочник / Под ред. Ю.М. Горностаева (Сер. изданий «Связь и бизнес»). М.: Международный центр Научной и технической информации, ООО «Мобильные коммуникации», 2002.

52. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 2000.55. ETSI http://www.etsi.org

53. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. -М.: Эко-Трендз, 2005. 296 е.: ил.

54. Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. М.: Эко-Трендз, 2007.-296 е.: ил.

55. Шиллер Йоган. Мобильные коммуникации. : Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. - 384 е.: ил.

56. Описание стандарта сотовой связи GSM — http://mobile.altmaster.ru/stand/gsm/index.shtm1. АКТвнедрения результатов диссертационной работы О.В. Колычева

57. Заведующий кафедрой радиопередающих устройств МщШ

58. Ученый секретарь кафедры радиопередающих устройств МТ1. В .В. Шахгильдян1. Ю. Иванюшкин1. УТВЕРЖДАЮ"

59. Генеральный директор ";000<<НПФ «ГЕЙЗЕР» ; В.А. Коваль 2009 г.1. АКТвнедрения результатов диссертационной работы О.В. Колычева на тему «Исследование и разработка высокоэффективного приемного тракта для системы мобильной связи»