автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Линеаризованный алгоритм совместной декомпозиции группового сигнала в DS-CDMA системах на фоне негауссовских помех

На правах рукописи

ЧИКРИН ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ЛИНЕАРИЗОВАННЫЙ АЛГОРИТМ СОВМЕСТНОЙ ДЕКОМПОЗИЦИИ ГРУППОВОГО СИГНАЛА В Бв-СБМА СИСТЕМАХ НА ФОНЕ НЕГАУССОВСКИХ ПОМЕХ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

- 1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2011

005004707

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" на кафедре Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор КНИТУ-КАИ Надеев Адель Фирадович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Компьютерных систем КНИТУ-КАИ Песошин Валерий Андреевич

кандидат физико-математических наук,

доцент К(П)ФУ

Рябченко Евгений Юрьевич

ОАО «Российские космические системы», г. Москва

Защита состоится 'Ьсу' декабря 2011 г. в /^на заседании диссертационного совета Д212.079.03 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева — КАИ по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, 31/7 (5-е учебное здание).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте КНИТУ-КАИ, а также на сайте Министерства образования Российской Федерации.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, 31/7, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Г.И. Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Современные радиотехнические системы телекоммуникаций принадлежат к группе систем, наиболее интенсивно развивающихся для удовлетворения современных потребностей человека. Значительные темпы роста объема передаваемых данных приводят к необходимости разработок новых решений для повышения эффективности работы сетей, систем и устройств телекоммуникаций.

В диссертации рассматриваются системы с прямым расширением спектра и кодовым разделением каналов (DS-CDMA системы радиосвязи), имеющие широкий спектр применений - от глобальных сетей беспроводной связи до систем передачи данных в пределах тела человека.

В реальных каналах связи ряд факторов в большинстве случаев не позволяет адекватно описывать сложные комплексы помех в рамках гауссовой модели. Вместе с этим, при одновременном присутствии в канале связи многих сйгналов пользователей использование однопользовательских алгоритмов, решающих задачи обнаружения и различения неэффективно и обуславливает необходимость использования алгоритмов

многопользовательского детектирования. Проблема усложняется показательной вычислительной сложностью (от количества информационных компонент в групповом сигнале) алгоритмов оптимального многопользовательского детектирования.

В рамках подходов научной школы, основанной Ш.М. Чабдаровым; с использованием конструктивного инструмента полигауссовых (ПГ) моделей и методов, автором разработаны линейные по вычислительной сложности схемы приема сигналов, решающие задачу совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA систем при наличии сложного комплекса негауссовских помех. Под задачей совместной декомпозиции здесь и далее понимается задача оптимального многопользовательского детектирования в условиях негауссовских помех. При создании указанных алгоритмов автором были проанализированы труды Я.Д. Ширмана, Ю.С.Шинакова, Б.Р. Левина, Г.П. Тартаковского, В.Г. Репина, А.П. Трифонова, Н.З. Сафиуллина, А.Ф. Надеева, P.P. Файзуллина, и др. по системам связи в негауссовой постановке; работы А.М.Шломы, В.Б. Крейнделина, S. Verdu, М. Juntti, A.J. Viterbi и другие публикации в области многопользовательского детектирования.

При построении алгоритма совместной декомпозиции были выявлены требования к оптимальности процедур регулировки мощности. Анализ работ Ю.С. Шинакова, А.И. Фалько, М.С. Шушнова, O.A. Шорина, М.И. Косинова, A. Sadri и М. Rintamaki позволил выявить пути построения алгоритмов регулировки мощности (АРМ), корректно функционирующих в условиях негауссового комплекса помех. ...,--.

Для применения с синтезированными алгоритмами декомпозиции и регулировки мощности в диссертации используются методы эффективной адаптации параметров вероятностных смесей в реальном времени. Указанные методы были получены с использованием трудов С.А. Айвазяна, С.М. Бухштабера, А.Е. Егорова, A. Dempster, Н. Hartley, F. Dellaert и других авторов, рассматривающих вопросы параметрической и непараметрической адаптации параметров случайных процессов.

Объект исследования

Объектом исследования являются современные системы беспроводной передачи информации, навигации и радиосвязи, функционирующие в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.

Предмет исследования

Предмет исследования - физически реализуемые в приложениях реального времени адаптивные алгоритмы совместной декомпозиции сигналов и регулировки мощности в присутствии сложного комплекса негауссовских помех.

Цель и задача работы

Основная цель диссертационной работы:

Повышение помехоустойчивости приема групповых сигналов DS-CDMA систем в условиях негауссовских помех посредством создания линейного по вычислительной сложности адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала.

Основная задача научных исследований:

Разработка алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности в DS-CDMA системах в условиях комплекса негауссовских помех.

Основная задача диссертационной работы может быть решена посредством решения следующих подзадач:

1. Разработка линейного по вычислительной сложности адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA-систем в условиях негауссовских помех.

2. Модификация существующих систем регулировки мощности для обеспечения корректной работы в негауссовых каналах связи.

3. Создания программного обеспечения для исследования разработанных алгоритмов в радиотехнических телекоммуникационных системах.

4. Проведение интеграции разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций различного назначения.

Методы исследований

Основные результаты в рамках диссертации были получены путем систематизации, анализа и теоретического обобщения достижений в области

разработки и повышения эффективности функционирования алгоритмов приема, обработки сигналов, а также регулировки мощности в радиотехнических телекоммуникационных системах.

Теоретические результаты базируются на использовании теории вероятности и математической статистики, теории полигауссовых случайных процессов, общего аппарата статистической радиотехники и теории информации.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современного программного обеспечения математического и системного моделирования: Embarcadero CodeGear 2010; MatLAB 2011а; MathCAD 14а; Xilinx ISE Foundation 12.1; IAR ARM Compiler 5.41.

Научная новизна диссертационной работы

1. Синтезирован линейный по вычислительной сложности от количества пользователей адаптивный алгоритм совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA систем в условиях негауссовских помех. Определены основные ограничения по физической реализации разработанного алгоритма, в рамках которых осуществлен синтез сигнальных созвездий ФМ и АФМ модуляции различной кратности.

2. Синтезирована векторная характеристика - параметр Т, состоящая из целевого значения сигнал/помеха и доверительной вероятности обеспечения заданного целевого значения в канале связи. На базе указанного параметра Г разработаны алгоритмы регулировки мощности, обеспечивающие корректную работу в сложном комплексе негауссовских помех, и созданы рекомендации по модификации существующих систем АРМ с итеративной регулировкой мощности.

3. В результате имитационного моделирования показан существенный выигрыш в помехоустойчивости ПГ-алгоритмов совместной декомпозиции по сравнению с корреляционными алгоритмами. Анализ результатов моделирования свидетельствует о необходимости использования в условиях действия негауссовских помех АРМ на основе предложенной векторной характеристики Y.

Практическая ценность диссертационной работы

1. Обеспечено повышение помехоустойчивости в DS-CDMA системах при использовании линеаризованных адаптивных алгоритмов совместной декомпозиции, обеспечивающих улучшенную обработку структурно подобных перекрывающихся сигналов в условиях негауссовских помех.

2. Разработаны рекомендации по модификации АРМ с итеративной регулировкой мощности для обеспечения корректного функционирования при воздействии негауссовских помех.

3. Создано программное обеспечение Viterbi Mkll, решающее задачи имитационного моделирования и исследования характеристик

представленных алгоритмов приема и обработки сигналов и регулировки мощности в широком классе радиотехнических телекоммуникационных систем. 4. Разработаны макетные образцы устройств, входящих в состав радиотехнических систем телекоммуникаций и использующих разработанные алгоритмы приема и обработки сигналов и регулировки мощности.

Реализация результатов работы

Диссертация выполнялась в соответствии с планом научных работ кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем КНИТУ-КАИ.

Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе внедрены и использованы в научно-производственной деятельности ООО КБ «Навигационные Технологии», а также в КНИТУ-КАИ в ряде плановых бюджетных и хоздоговорных работ, а также в учебном процессе по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Использование результатов диссертации подтверждается актами о внедрении.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на следующих конференциях:

• IV Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2008»;

• У1-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь»;

• 1Х-0Й Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций»;

• IV, V-oй и УП-ой ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии Глобального информационного общества».

Публикации

Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 10 работах, в том числе в 4 статьях (из них - 3 в рецензируемых изданиях из списка ВАК).

Научные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие научные положения, выдвигаемые на основе полученных в диссертационной работе результатов: 1. Процедура синтеза и анализ ограничений линеаризованных адаптивных алгоритмов совместной декомпозиции группового сигнала в ББ-СОМА системах на фоне негауссовских помех.

2: Процедура синтеза АРМ с итеративной регулировкой мощности в каналах связи с сложным комплексом негауссовских помех.

3. Экспериментальные результаты работы представленных в диссертации алгоритмов в радиотехнических системах телекоммуникаций.

4. Описание радиотехнических систем телекоммуникаций «Созвездие» и «Лабиринт», использующих разработанные алгоритмы приема, обработки сигналов и регулировки мощности.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 90 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 10 работ автора и содержит 163 страницы основного машинописного текста, 63 рисунка, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введения обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цели и задачи работы, определены практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения об апробации работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Проблемы и методы повышения помехоустойчивости в современных радиотехнических системах телекоммуникаций» - проведен обзор материалов по тематике диссертации: типология внешних и внутренних лимитирующих факторов в современных радиотехнических телекоммуникационных системах, а также методы борьбы с ними; современные алгоритмы регулировки мощности с информационной и решающей обратной связью. Описано решение задачи совместной декомпозиции с показательной вычислительной сложностью для ОБ-СОМА-систем и обоснование негауссовского характера реальных каналов связи.

В диссертации рассматриваются методы в рамках статистического описания помеховой обстановки в виде вероятностных смесей гауссовых распределений (ПГ-моделей). Данное описание обеспечивает оптимальное решение задач статистической радиотехники в условиях априорной неопределенности вероятностного распределения комплекса помех.

Целевой алгоритм совместной декомпозиции представляет собой обобщение оптимального алгоритма многопользовательского детектирования для негауссовых каналов связи и аналогично ему в традиционной постановке обладает показательной сложностью от числа К информационных сигналов пользователей: 0(С), что неприемлемо при больших Л.

При равенстве априорных вероятностей реализаций информационного сигнала 5 оптимальным с информационной точки зрения является критерий максимума правдоподобия. В качестве решающего правила в нем используется выбор реализации у, соответствующей максимуму функции правдоподобия ¿(5,). При ПГ-представлении комплекса помех функция

правдоподобия определяется условной плотностью распределения

вероятности при условии присутствия реализации SJ в векторе отсчетов и:

£(£,) = ^ (¡¡) = (и„«2,) = |ЯN (й,т; |.

Задача совместной декомпозиции группового сигнала заключается в выборе соответствующей максимуму функции правдоподобия комбинации из

л

М = комбинаций для Я сигналов пользователей:

г=1

Оптимальное детектирование сигналов в СВМА-системах обеспечивается лишь при оптимальной работе системы регулировки мощности. В диссертации синтезированы алгоритмы регулировки мощности, учитывающие вероятностную структуру негауссового комплекса сигналов и помех в канале связи, позволяющие модифицировать существующие АРМ с итеративной регулировкой мощности.

Существующие АРМ

Синтезированные АРМ

Негауссовые (статистические) **1 алгоритмы с оптимальным ■ выбором порога I

Негауссовые (статистические) ^ алгоритмы с подоптимальным | _ выбором порога J Детерминированные (традиционные энергетические) __алгоритмы_

Рис. 1. Классификация алгоритмов регулировки мощности

В главе обосновывается выбор полигауссовых моделей для представления негауссовских распределений и экспериментально обосновывается сложный негауссовый характер распределения комплекса помех в современных радиотехнических системах телекоммуникаций.

Вторая глава — «Алгоритмы совместной декомпозиции и регулировка мощности для сигналов ОБ-СЭМА в негауссовой постановке» - посвящена линеаризации вычислительной сложности алгоритмов совместной декомпозиции и построению систем регулировки мощности.

[ Алгоритмы иа базе методов наименьших квадратов и теории управления динамических систем

АРМ с решающей (командной) ОС

АРМ с полной и частичной информационной ОС

Fuzzy, нейросетевые и генетические алгоритмы регулировки

V X

* S

« о i £

II 1 &

I&

•з I

"IS

г

Итеративные алгоритмы распределенной регулировки 1-го порядка

Итеративные алгоритмы . распределенной регулировки 2-го порядка

Рассматриваются системы 08-С0МА с фазовой и амплитудно-фазовой манипуляцией (ФМ и АФМ) со специфическим сигнальным созвездием; считается, что на приемной стороне известна информация о количественном и качественном составе составляющих в групповом сигнале.

Сигналы отдельных составляющих группового сигнала предполагаются синхронизированными друг относительно друга. Данное условие выполняется для синхронных каналов ИЗ-СВМА систем.

Энергетические вклады сигналов отдельных составляющих в групповом сигнале считаются эквивалентными. Данное условие выполняется на линии прямой видимости при отсутствии (либо устранении) эффекта многолучевости и оптимальном функционировании системы АРМ.

Согласно постановке задачи, групповой сигнал «(/) на каждом к-м

отсчете (*=1..К) состоит из Я компонент 5 (;),г=Г7я пользователей Б«, и негауссовой помехи /(/):

Общее решение задачи совместной декомпозиции соответствует выбору максимальной из М™ возможных функций правдоподобия; при этом для п -й гипотезы функция правдоподобия:

^ («)=гк к)=п ^ ■

Ы1 4-1 I ' '

При разбиении последовательности отсчетов на битовые интервалы количество комбинаций битовых посылок существенно уменьшает первоначальную оценку (МК*) сложности алгоритма:

Л^ = А? = 2" « = М™ 1МЛ,К , однако оценка сложности все еще остается степенной функцией.

В диссертации формализован алгоритм совместной декомпозиции для следующих обозначений:

Г*

ГКМ »=1 Л ("■)

= = ;\У = ...

к ГК., Ы (щ) ». )

Вв - матрица множеств битовых решений; функций правдоподобия; -соответствующая вв матрица плотностей вероятностей. Определено решающее правило алгоритма совместной декомпозиции: Дм = ¡^(тах^)).

Для применения указанного решающего правила требуется вычисление всех элементов \У (имеющей размерность мыхК = 2яхК). Линеаризация вычислительной сложности базируется на двух положениях:

1). Для применения решающего правила требуется вычисление лишь уникальных (не дублирующихся) элементов W.

2). Количество уникальных элементов >У при определенных условиях является линейной функцией от числа компонент Л группового сигнала.

Различные и>я> (и4); п = 1..ЫЬ5 ,к = сот/ отличаются лишь модификацией

математического ожидания на . Вектор поправок к мат. ожиданиям г" имеет размерность Ыл/Г:

.....

Различающиеся 1 хранятся в матрице И размерности )х а: и

соответствующей ей сжатой матрице плотностей распределения \\Т); каждому элементу [Ч'Д] матриц В8 и V соответствует в общем случае элемент [¿Д] матрицы Б. Для определения соответствий элементов \У через элементы \\Т) используется индексная матрица С:

2

ЁГ'

о

4«

а

Ък

О

(н)

о

о

;С=

(и

2,2

из

Формализованный алгоритм совместной декомпозиции:

1. Строится общая матрица входных состояний Вв.

2. Составляется уплотненная матрица входных состояний В различающихся элементов в каждом столбце матрицы ВБ.

3. По матрице Б вычисляется сжатая матрица плотностей \\Т).

4. По матрицам Ю и Вв составляется матрица соответствий С.

5. Исходя из матрицы соответствий С и уплотненной матрицы плотностей вероятности \\Т) строится общая матрица плотностей вероятности .

6. По матрице \У вычисляется вектор функций правдоподобия ^.

7. Применяется решающее правило, выбирающее максимум из Кю. Общее количество требуемых для вычисления плотностей вероятности равно

к

количеству ^„„^ ненулевых ячеек в матрице Б, при этом = £ .

Задача линеаризации вычислительной сложности решена путем уменьшения НМоп2,„ и Лгйд ;к = 1..К. Определено, что такая оптимизация возможна при наложении описанных далее ограничений на множество .

Пусть элементы вС8> образуют собой арифметическую профессию: В этом случае минимальное и максимальное значения входных состояний:

Различные отличаются на величины, кратные й и Е"" = + Л • (А/—1) с/.

Оптимизированные = Л■ М V* = ОС; Кымг,п = Я-М -Кявляются

функциями, линейными от количества пользователей. Соответственно, вычислительная сложность разработанного алгоритма совместной декомпозиции может быть оценена, как О(ШК), т.е. как линейная от количества составляющих исследуемого группового сигнала.

Произведено аналитическое построение специального класса АФМ модуляции для введенных выше ограничений. Показана применимость требований к традиционным методам модуляции (ВРБК; (ЗРБК); возможность использования разработанного алгоритма для видеосигналов с определением дополнительных системных ограничений.

Второй раздел главы посвящен системам АРМ в каналах связи с сложным комплексом негауссовских помех. Традиционным соотношением, характеризующим помехоустойчивость систем связи и используемым в качестве аргумента для регулировки мощности в гауссовых каналах связи,

является энергетическое соотношение сигнал/помеха (сигнал/шум) -£

например, отношение (энергия бита к средней спектральной плотности

мощности помехи). К сожалению, для негауссовых каналов данный параметр является нерепрезентативным, что приводит к неоптимальности функционирования в них традиционных АРМ. Действительно, при изменении Еь в соответствии с энергетическим уровнем помехи М1 значения плотностей вероятностей и целевой уровень битовой ошибки ВЕЯ для каждого пользователя меняются неравновесным образом (при этом различным для

различных видов комплекса помех): ВЕЯ = -1 [...[{"[(^К)-^,^))^-^"*:>

2 _«,-,»_«»-I 1

Ц.

где = + ■ ,сг,} для сигнала г-то пользователя «'(/); рг -

4-1 • ' '

медианное значение мощности данного пользователя; "^(м») и и>4| (ик) соответствуют гипотезам логических нуля и единицы.

Пусть для каждого из Л системных пользователей задан уровень ВЕЛг,г = ]..Л. Построим АРМ на базе характеристики Т, аналогичной отношению сигнал-помеха, но для произвольных по вероятностной структуре каналов связи. При этом соответствие между Т и ВЕЛ определяется лишь для каждого отдельно взятого типа распределения (в т.ч. гауссового).

Для определения структуры параметра Г рассмотрен второй физический смысл отношения сигнал/помеха для АБГШ-каналов:

К

В гауссовом случае параметр — соответствует превышению в

К

константу С раз (где С зависит от структуры сигнала и выбранного значения Еь) амплитуды полезного сигнала 5 над СКО помехи: 5 = С <т. В связи с тем, что С не зависит от вероятностных параметров помехи, доверительная вероятность превышения нормированной величины 81С в АБГШ канале:

Р\Х < ^ = Р{Х < О-) = 0,<т} = 0.683.

Таким образом, альтернативный физический смысл отношения сигнал/помеха может быть определен, как соответствие с точностью до константы С значению шума с доверительной вероятностью в 0.683.

Определим У как соответствие (с точностью до константы С, зависящей от структуры сигнала) значению помехового процесса с доверительной вероятностью в Е%, где Ее[0..100]. С учетом однозначного Еь

соответствия ~ и некоторого С, параметр Т записывается в векторном виде:

Фиксация Е на уровне в 68,3% обеспечивает совместимость с традиционным показателем сигнал/помеха для АБГШ-каналов и позволяет производить сравнение помехоустойчивости для каналов связи с негауссовскими помехами с использованием оценок традиционного вида.

Пусть для выбранного канала связи характерны N различных типов распределений комплекса помех; для каждого из данных типов распределений составлены таблицы соотношений битовой ошибки (ВЕЯ) и указанного параметра У, при этом целевая мощность сигнала Р должна обеспечивать однозначное определение Т и функция ВЕЯ = / (Т) должна быть независимой от энергетических характеристик помехи. Для введенных обозначений и ограничений построена процедура регулировки мощности в условиях сложного комплекса негауссовских помех:

1. Блоком адаптации определяются параметры комплекса помех.

2. Для подобранных параметров определяется максимально подходящее вероятностное распределение из характерных типов.

3. Для указанного ВЕЯ из заранее созданных таблиц соотношений определяются возможные значения параметра У.

4. Для возможных значений У определяются значения целевой мощности.

5. Определяется текущая медианная мощность, либо статистически вычисленный уровень битовой ошибки.

6. Осуществляется регулировка мощности.

Введение параметра Т диктует необходимость изменения самой стратегии выбора вектора мощностей, традиционно оптимальной в смысле минимизации функции вероятности отказа в обслуживании F(y0) = Р(у<у0), где г0 - минимально допустимый уровень отношения сигнал/помеха.

Традиционные АРМ обеспечивают такие уровни мощности пользователей Р, которые бы обеспечивали отношения у >уа\ у = Р/Р„,где Рп - мощность шумов и помех. Самому защитному системному порогу для каждой определенной мощности помех Рг соответствует мощность Р0 , которая и является целевым значением алгоритмов АРМ. Из этого следует традиционный (детерминированный) критерий выбора целевой мощности:

1. Определяется средняя спектральная плотность мощности N„ и средняя мощность PII = N„-F, где F - ширина системной полосы частот.

2. Исходя из значения защитного системного порога уа определяется требование к целевому значению мощности - Р0 = ■ Рп.

В отличие от традиционных АРМ, представляемая стратегия выбора вектора мощностей использует вероятностную структуру комплекса помех в канале связи; при этом традиционные АРМ являются подмножеством представленных далее модифицированных систем регулировки мощности.

В соответствии с синтезированным параметром Т защитный системный порог представлен не единичной скалярной величиной /0, определяющей требуемое значение сигнал/шум, а вектором:

Го = |г0 РгЫ|>

где Рг(^о) - доверительная вероятность превышения величины /„.

Вектор 70 назван модифицированным защитным системным порогом. Пусть F(y0) - целевая функция модифицированной стратегии АРМ, тогда

Разработанная стратегия учитывает вероятностное представление комплекса помех и обеспечивает корректную регулировку мощности в каналах связи с помехой сложной структуры. Далее определен статистический критерий выбора целевого значения мощности:

1. Определяются параметры ПГ-комплекса помех в канале связи:

N

(PN,) = S9-ДРШ'тРх } .

2. Решается интегральное уравнение от переменной Рм, определяющее, при какой Р0 будет достигаться /0 с доверительной вероятностью Рг(/0):

i

Го

| (PN1)dPN, =l-Pr(/0).

о

В результате целевое значение мощности Р0 определяется, как Ра = • pfll.

Предложенная модификация обеспечивает корректный выбор целевого порога в соответствии с структурой комплекса помех. Разработанные алгоритмы не меняют схемы схождения к целевым функциям, что обеспечивает минимальную сложность модификации существующих АРМ.

В заключении главы рассмотрена модификация адаптивных итеративных АРМ с решающей обратной связью с использованием приведенного математического аппарата.

Третья глава — «Имитационное моделирование и исследование характеристик разработанных алгоритмов прием, обработки сигналов и регулировки мощности» - посвящена конкретизации разработанных алгоритмов для параметров реальных систем связи; имитационному моделированию и исследованию характеристик представленных алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности.

В первом разделе рассматриваемой главы приведены основные методы адаптации параметров случайных процессов по экспериментальной выборке.

Для решения задачи оценки параметров сложного комплекса помех в диссертации выбран метод ЕМ-адаптации — благодаря его универсальности и высокой производительности отдельных итераций схождения. ЕМ-адаптация решает оптимизационную задачу вида:

ЕМ является при этом аббревиатурой двух этапов решения указанной задачи: оценивания (Е - Estimation) и максимизации (М - Maximization).

Для моделирования разработанных алгоритмов в трактах радиосистем с различными параметрами автором разработано ПО Viterbi МкП (рис. 2). Основные возможности ПО Viterbi Mkll:

• Задание структуры сложного комплекса помех в виде ПГ-процесса.

• Формирование сигналов DS-CDMA систем.

• Анализ эффективности ЕМ-адаптации негауссовых процессов.

• Моделирование АРМ в негауссовых каналах связи.

• Анализ помехоустойчивости схем приема и обработки сигналов.

С использованием разработанного ПО произведен анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов. Имитационным моделированием показано, что в случае действия негауссовских помех в канале связи разработанные алгоритмы совместной декомпозиции обеспечивают существенный выигрыш в помехоустойчивости (2,2-2,5 дБ без использования помехоустойчивого кодирования) по сравнению с корреляционными методиками (рис. 2).

В АБГШ-каналах помехоустойчивость традиционных и разработанных алгоритмов идентична. Показана необходимость применения алгоритмов совместной декомпозиции в случае присутствия в системе многих

пользователей.

Эяямилектноя огноимнм смщал-помеха ЕЬ\М (дБ)

- — ЭТН □ СФ ■ Р1С —А—ПГ-разл. —*—ПГ-раэр.

Рис. 2: Алгоритмы приема в негауссовом канале - случай 10 активных пользователей

В заключительной части главы произведен анализ и сравнение характеристик традиционных и модифицированных АРМ(рис. 3).

-----Традиционный АРЫ

- МСД. АРУ,

ДСВерНТелЬНВЯ

вероятность ■ 30%

- Мод. АРМ

доверительная

вероятность - 6Я. 34

- Мод. ДРМ; доверительная вероятность • 98.5%

Огаош™«е <мп»л\г«>«по| (ЕЬ\№) Отиелвеияе ™пил\по««хв <аМ)

Случай 1 Случай 2

Рис. 3: АРМ в каналах связи с различной структурой комплекса негауссовых помех

На графиках показана некорректность выбора целевых мощностей традиционными АРМ: в негауссовых каналах независимо от структуры комплекса помех традиционные АРМ дают одно и то же значение мощности, опираясь на средние энергетические характеристики помех. Разработанные АРМ учитывают вероятностную модель комплекса помех и выбирают различные целевые мощности в указанных примерах.

Четвертая глава - «Внедрение разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций различного назначения» -посвящена интеграции разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций.

В представляемой диссертации проведено внедрение разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов в макет ГЛОНАССЛЗРЗ-приемника «Созвездие» с применением указанных алгоритмов в процедурах захвата и слежения сигналов; осуществлено внедрение разработанных алгоритмов регулировки мощности в комплекс информационного обмена и определения местоположения внутри помещений «Лабиринт».

Проведенные эксперименты и результаты внедрения разработанных алгоритмов в реальные радиотехнические системы телекоммуникаций позволяют говорить о физической реализуемости и эффективности алгоритмов, разработанных в рамках представляемой диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В соответствии с основными целью и задачей диссертации в представленной работе проведен комплекс исследований в области адаптивных алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности для ВБ-СОМА-систем в условиях сложных негауссовских помех. При этом получены следующие основные результаты:

1. Синтезирован линейный по вычислительной сложности от количества пользователей алгоритм совместной декомпозиции группового сигнала в ББ-СОМА системах, использующий полигауссовые статистики для представления комплекса внешних помех. Разработанный алгоритм является обобщением оптимального МПД-приемиика для каналов связи с негауссовским комплексом помех. Определены основные требования по физической реализации: синхронность системы; специализированные требования к видам модуляции; идентичность энергетических вкладов составляющих.

2. Для применения с разработанным алгоритмом совместной декомпозиции осуществлено построение обобщенной структуры методов М-ичной фазовой модуляции и АФМ; определена применимость предъявляемых алгоритмом совместной декомпозиции требований к традиционным методам модуляции в ОБ-СБМА (ВРБК; ОРвК). Показана возможность устранения ограничения на идентичность энергетических вкладов пользователей при оптимальном функционировании систем регулировки мощности (АРМ) при воздействии негауссовских помех. Для адаптации параметров сложных комплексов негауссовских помех произведен анализ методов параметрической и непараметрической адаптации; определена применимость и адекватность ЕМ-адаптации для ОБ-СБМА систем в реальном времени.

3. Показана принципиальная неоптимальность функционирования АРМ, оперирующих традиционным энергетическим отношением сигнал/помеха в каналах связи с комплексом негауссовских помех; разработаны алгоритмы регулировки мощности, обеспечивающие корректное функционирование в условиях сложного комплекса негауссовских помех. Разработаны рекомендации по модификации традиционных схем АРМ, обеспечивающие более гибкий и корректный выбор целевого порога, в строгом соответствии с вероятностной природой сигнально-помеховой обстановки и потребностями в ресурсах канала связи. Произведена модификация адаптивных итеративных АРМ с решающей обратной связью.

4. Разработано программное обеспечение имитационного моделирования УкегЫ МкП, решающее задачи имитационного моделирования и исследования характеристик приема и обработки сигналов и регулировки мощности в трактах радиосистем с различными параметрами. С использованием разработанного ПО произведены следующие эксперименты:

- Анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов. Показано, что для негауссовских каналов обеспечивается существенный выигрыш в помехоустойчивости (2,2-2,5 дБ без использования помехоустойчивого кодирования) разработанных ПГ-алгоритмов совместной декомпозиции по сравнению с традиционными корреляционными методиками. В АБГШ-каналах помехоустойчивость традиционных и разработанных алгоритмов идентична.

- Анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов регулировки мощности. Показано качественное различие в выборе целевых векторов мощностей традиционными и разработанными АРМ; некорректность выбора целевых мощностей традиционными АРМ.

- Анализ эффективности процедур ЕМ-адаптации для различных комплексов помех на входе приемных радиотрактов различных радиотехнических систем телекоммуникаций.

Для подтверждения физической реализуемости и целесообразности применения разработанных алгоритмов произведена интеграция разработанных алгоритмов для реальных радиотехнических систем телекоммуникаций: разработан макетный образец ГЛОНАСС-приемника «Созвездие», использующего в процедурах захвата и слежения разработанные алгоритмы приема и обработки сигналов. Произведено внедрение модифицированных АРМ в комплекс информационного обмена и определения местоположения объектов внутри помещений «Лабиринт».

Представленные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в работе решена научная задача, заключающаяся в разработке алгоритмов обработки сигналов в DS-CDMA системах при действии негауссовских помех: линеаризованного адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала и модифицированных алгоритмов регулировки мощности. Разработанные алгоритмы позволяют добиться повышения таких показателей систем связи, как помехоустойчивость, чувствительность, системная емкость и качество обслуживания абонентов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК:

1. Чабдаров Ш.М., Надеев А. Ф., Чикрин Д.Е., Файзуллин P.P.: Учет вероятностной модели канала связи в системах регулировки мощности // Казань, «Вестник КГТУ», 2011, Т.2. С.53-58.

2. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., ЧикринД.Е., Файзуллин P.P.: Линейный по сложности алгоритм полного разрешения сигналов с использованием полигауссовых смесей для аппроксимации негауссовых помех // Йошкар-Ола, «Вестник МарГТУ», 2011, Т.1(11). С.3-12.

3. Чикрин Д.Е.: Построение эффективных систем регулировки мощности в каналах связи с негауссовым комплексом помех // Муром, «Радиотехнические и телекоммуникационные системы», Т.2,2011. С.78-80.

Другие статьи:

4. Chabdarov S.M., Nadeev A.F., Chickrin D.E., Faizullin R.R.: Unconventional signal detection techniques with Gaussian probability mixtures adaptation in non-AWGN channels: full resolution receiver // Proceedings of the SPIE: Optical Technologies for Telecommunications 2010; Volume 7992, C. 799204799204-9.

Труды конференций:

5. Чабдаров Ш.М., Надеев А. Ф„ Файзуллин P.P., Чикрин Д.Е., Ефимов Е.Н. : Моделирование поликорреляционного алгоритма обработки фазоманипулированных сигналов на фоне негауссовских помех // Самара: Материалы VII-й Межд. науч.-техн. конф. «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций»; 2006. С.65.

6. Чабдаров Ш.М., Надеев А. Ф., Файзуллин P.P., Чикрин Д.Е., Ефимов Е.Н.: Поликорреляционная обработка сигналов широкополосных систем беспроводного доступа // Казань: доклады IV-й международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества»; 2006. С. 70-72.

7. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Ефимов Е.Н., Чикрин Д.Е.: Адаптивная обработка сигналов в негауссовских каналах систем подвижной радиосвязи в условиях априорной неопределенности // Казань: доклады V-й международной научно-практическая конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества»; 2007. С. 169.

8. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Чикрин Д.Е.: Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования при оптимизация параметров QoS в мобильных инфокоммуникационных системах // Сб. трудов VI-й Всерос.научно-техн. конф. RLNC-2007 «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж: ВГУ. 2007. Т.2. С.775-790.

9. Надеев А. Ф., Чикрин Д.Е.: Исследование вопросов ограничения сложности и физической реализации полигауссовых алгоритмов полного разрешения сигнально-помехового комплекса в широкополосных системах радиодоступа//Казань: доклады "АКТО-2008"; 2008.Т.2. С.263-269.

10. Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Чикрин Д.Е. \ Моделирование полигауссовых алгоритмов полного разрешения и методов многопользовательского детектирования в широкополосных системах радиодоступа // Казань: доклады VIl-й международной научно-практическая конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества»; 2009. С. 97-98.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 0,97. Тираж 100. Заказ 0135.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

Аннотация.

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Проблемы и методы повышения помехоустойчивости в современных радиотехнических системах телекоммуникаций.

1.1. Современные радиотехнические телекоммуникационные системы.

1.1.1 Множественный доступ в радиотехнических телекоммуникационных системах.

1.1.2. Технологии расширения спектра.

1.2. Проблемы повышения помехоустойчивости в радиотехнических телекоммуникационных системах.

1.2.1. Внешние лимитирующие факторы.

1.2.2. Внутренние лимитирующие факторы.

1.3. Методы повышения помехоустойчивости.

1.3.1. Методы борьбы с внешними лимитирующими факторами.

1.3.2. Методы борьбы с внутренними лимитирующими факторами.

1.4.1. Функциональные предпосылки негауссовости реального СПК.

1.4.2. Эксперименты по установлению фактов негауссовости реальных СПК.

1.4.2. Свойства полигауссовых смесей.

Актуальность темы

Современные радиотехнические системы телекоммуникаций принадлежат к группе систем, наиболее интенсивно развивающихся для удовлетворения современных потребностей человека. Значительные темпы роста объема передаваемых данных приводят к необходимости разработок новых решений для повышения эффективности работы сетей, систем и устройств телекоммуникаций.

В диссертации рассматриваются системы с прямым расширением спектра и кодовым разделением каналов (DS-CDMA системы радиосвязи), имеющие широкий спектр применений - от глобальных сетей беспроводной связи до систем передачи данных в пределах тела человека.

В реальных каналах связи ряд факторов в большинстве случаев не позволяет адекватно описывать сложные комплексы помех в рамках гауссовой модели. Вместе с этим, при одновременном присутствии в канале связи многих сигналов пользователей использование однопользовательских алгоритмов, решающих задачи обнаружения и различения неэффективно и обуславливает необходимость использования алгоритмов многопользовательского детектирования. Проблема усложняется показательной вычислительной сложностью (от количества информационных компонент в групповом сигнале) алгоритмов оптимального многопользовательского детектирования.

В рамках подходов научной школы, основанной Ш.М. Чабдаровым; с использованием конструктивного инструмента полигауссовых (ПГ) моделей и методов, автором разработаны линейные по вычислительной сложности схемы приема сигналов, решающие задачу совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA систем при наличии сложного комплекса негауссовских помех. Под задачей совместной декомпозиции здесь и далее понимается задача оптимального многопользовательского детектирования в условиях негауссовских помех. При создании указанных алгоритмов автором были проанализированы труды Я.Д. Ширмана, Ю.С.Шинакова, Б.Р. Левина, Г.П. Тартаковского, В.Г. Репина, А.П. Трифонова, Н.З. Сафиуллина, А.Ф. Надеева, P.P. Файзуллина, и др. по системам связи в негауссовой постановке; работы А.М.Шломы, В.Б. Крейнделина, S. Verdu, М. Juntti, A.J. Viterbi и другие публикации в области многопользовательского детектирования.

При построении алгоритма совместной декомпозиции были выявлены требования к оптимальности процедур регулировки мощности. Анализ работ Ю.С. Шинакова, А.И. Фалько, М.С. Шушнова, O.A. Шорина, М.И. Косинова. A. Sadri и М.

Rintamaki позволил выявить пути построения алгоритмов регулировки мощности (АРМ), корректно функционирующих в условиях негауссового комплекса помех.

Для применения с синтезированными алгоритмами декомпозиции и регулировки мощности в диссертации используются методы эффективной адаптации параметров вероятностных смесей в реальном времени. Указанные методы были получены с использованием трудов С. А. Айвазяна, С.М. Бухштабера, А.Е. Егорова, A. Dempster, Н. Hartley, F. Dellaert и других авторов, рассматривающих вопросы параметрической и непараметрической адаптации параметров случайных процессов.

Объект исследования

Объектом исследования являются современные системы беспроводной передачи информации, навигации и радиосвязи, функционирующие в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.

Предмет исследования

Предмет исследования - физически реализуемые в приложениях реального времени адаптивные алгоритмы совместной декомпозиции сигналов и регулировки мощности в присутствии сложного комплекса негауссовских помех.

Цель и задача работы

Основная цель диссертационной работы:

Повышение помехоустойчивости приема групповых сигналов DS-CDMA систем в условиях негауссовских помех посредством создания линейного по вычислительной сложности адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала.

Основная задача научных исследований:

Разработка алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности в DS-CDMA системах в условиях комплекса негауссовских помех.

Основная задача диссертационной работы может быть решена посредством решения следующих подзадач:

1. Разработка линейного по вычислительной сложности адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA-систем в условиях негауссовских помех.

2. Модификация существующих систем регулировки мощности для обеспечения корректной работы в негауссовых каналах связи.

3. Создания программного обеспечения для исследования разработанных алгоритмов в радиотехнических телекоммуникационных системах.

4. Проведение интеграции разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций различного назначения.

Методы исследований

Основные результаты в рамках диссертации были получены путем систематизации, анализа и теоретического обобщения достижений в области разработки и повышения эффективности функционирования алгоритмов приема, обработки сигналов, а также регулировки мощности в радиотехнических телекоммуникационных системах.

Теоретические результаты базируются на использовании теории вероятности и математической статистики, теории полигауссовых случайных процессов, общего аппарата статистической радиотехники и теории информации.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современного программного обеспечения математического и системного моделирования: Embarcadero CodeGear 2010; MatLAB 2011а; MathCAD 14а; Xilinx ISE Foundation 12.1; IAR ARM Compiler 5.41. Научная новизна диссертационной работы

1. Синтезирован линейный по вычислительной сложности от количества пользователей адаптивный алгоритм совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA систем в условиях негауссовских помех. Определены основные ограничения по физической реализации разработанного алгоритма, в рамках которых осуществлен синтез сигнальных созвездий ФМ и АФМ модуляции различной кратности.

2. Синтезирована векторная характеристика - параметр Т , состоящая из целевого значения сигнал/помеха и доверительной вероятности обеспечения заданного целевого значения в канале связи. На базе указанного параметра Т разработаны алгоритмы регулировки мощности, обеспечивающие корректную работу в сложном комплексе негауссовских помех, и созданы рекомендации по модификации существующих систем АРМ с итеративной регулировкой мощности.

3. В результате имитационного моделирования показан существенный выигрыш в помехоустойчивости ПГ-алгоритмов совместной декомпозиции по сравнению с корреляционными алгоритмами. Анализ результатов моделирования свидетельствует о необходимости использования в условиях действия негауссовских помех АРМ на основе предложенной векторной характеристики Т.

Практическая ценность диссертационной работы

1. Обеспечено повышение помехоустойчивости в ОЗ-СЭМА системах при использовании линеаризованных адаптивных алгоритмов совместной декомпозиции, обеспечивающих улучшенную обработку структурно подобных перекрывающихся сигналов в условиях негауссовских помех.

2. Разработаны рекомендации по модификации АРМ с итеративной регулировкой мощности для обеспечения корректного функционирования при воздействии негауссовских помех.

3. Создано программное обеспечение УкегЫ МкН, решающее задачи имитационного моделирования и исследования характеристик представленных алгоритмов приема и обработки сигналов и регулировки мощности в широком классе радиотехнических телекоммуникационных систем.

4. Разработаны макетные образцы устройств, входящих в состав радиотехнических систем телекоммуникаций и использующих разработанные алгоритмы приема и обработки сигналов и регулировки мощности.

Реализация результатов работы

Диссертация выполнялась в соответствии с планом научных работ кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем КНИТУ-КАИ.

Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе внедрены и использованы в научно-производственной деятельности ООО КБ «Навигационные Технологии», а также в КНИТУ-КАИ в ряде плановых бюджетных и хоздоговорных работ, а также в учебном процессе по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Использование результатов диссертации подтверждается актами о внедрении.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на следующих конференциях:

• IV Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2008»;

• У1-Й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь»;

• 1Х-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций»;

• IV, V-oй и VII-oй ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии Глобального информационного общества».

Публикации

Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 10 работах, в том числе в 4 статьях (из них - 3 в рецензируемых изданиях из списка ВАК).

Научные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие научные положения, выдвигаемые на основе полученных в диссертационной работе результатов:

1. Процедура синтеза и анализ ограничений линеаризованных адаптивных алгоритмов совместной декомпозиции группового сигнала в БЗ-СБМА системах на фоне негауссовских помех.

2. Процедура синтеза АРМ с итеративной регулировкой мощности в каналах связи с сложным комплексом негауссовских помех.

3. Экспериментальные результаты работы представленных в диссертации алгоритмов в радиотехнических системах телекоммуникаций.

4. Описание радиотехнических систем телекоммуникаций «Созвездие» и «Лабиринт», использующих разработанные алгоритмы приема, обработки сигналов и регулировки мощности.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 90 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 10 работ автора и содержит 163 страницы основного машинописного текста, 63 рисунка, 12 таблиц, 1 приложение.

Основные результаты моделирования алгоритмов регулировки мощности для каналов с негауссовой помехой приведены на рис. 3.22 и 3.23. Полный объем результатов моделирования приведен в электронной форме на диске-приложении к диссертации.

Рис. 3.22: Анализ АРМ в канале с негауссовской помехой - случай 1

120

Традиционный АРМ Мод. АРМ; доверительная вероятность - 30%

-В— Мод. АРМ, доверительная вероятность - 68,3%

-€■— Мод. АРМ; доверительная вероятность - 98,5%

Отношение сигмал\помехз (ЕЬ\№}

Рис. 3.23: Анализ АРМ в канале с негауссовской помехой - случай 2

В каналах с негауссовой помехой модифицированные алгоритмы АРМ обеспечивают заданное значение Н во всех случаях.

В свою очередь, реальное значение 5 (а также соответствующего параметра Т и уровня битовой ошибки ВЕЯ) традиционных АРМ в данных случаях предсказать практически невозможно: при одинаковых энергетических характеристиках помехи, но различной вероятностной структуре комплекса помех в первом случае (для одного варианта помехи) величина Н традиционного АРМ = 0,756 (75,6%); во втором случае (для второго варианта помехи) = 0,4055 (40,55%).

Независимо от структуры помехи традиционные АРМ дают одно и то же целевое значение мощности, опираясь на средние энергетические характеристики помехового комплекса. Модифицированные АРМ учитывают вероятностную модель комплекса помех, что приводит к выбору различных целевых значений мощности в обоих случаях.

Заключение по главе III

Данная глава посвящена конкретизации разработанных алгоритмов для параметров реальных систем связи; имитационному моделированию и исследованию характеристик представленных алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности.

1. В первом разделе данной главы рассматриваются наиболее распространенные алгоритмы адаптации параметров случайных процессов различного рода: методы моментов, ЕМ-адаптации, Ньютона-Рафсона и ядерного сглаживания. Делается выбор о выборе для оценки параметров полигауссовых вероятностных смесей метода ЕМ-адаптации - универсальности, достаточно высокой скорости отдельных итераций и простоте реализации для произвольного количества компонент смеси.

2. Во втором разделе главы производится обзор и описание принципов построения разработанного автором программного обеспечения Viterbi Mk II. Детально описываются параметры основных контуров программного обеспечения; методы их взаимодействия, качественные и количественные характеристики получаемых результатов и подаваемых на вход данных.

3. Третий раздел является основным и заключительным в данной главе. В начале раздела производится анализ применимости методов ЕМ-адаптации для аппроксимации в реальном времени параметров ПГ-смесей, представляющих негауссовые комплексы сложных помех. Вводится положение о необходимости предварительной очистки группового сигнала от информационных составляющих; строится критерий и процедура очистки. Определяется адекватность традиционных согласованных фильтров для использования в стадии очистки группового сигнала. С использованием ПО Viterbi осуществляется анализ эффективности процедуры ЕМ-адаптации для различных по вероятностной структуре комплексов сложных помех на входе приемных радиотрактов различных систем связи. Экспериментально определяется значение соотношения сигнал\помеха после процедуры очистки для безопасного проведения процедуры адаптации.

Во второй части раздела производится анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов. Путем имитационного моделирования показано, что в случае не-АБГШ помех в канале связи обеспечивается существенный выигрыш в помехоустойчивости (2,2-2,5 дБ без использования помехоустойчивого кодирования) разработанных алгоритмов ПГ-разрешения по сравнению с традиционными корреляционными методиками. В АБГШканалах помехоустойчивость традиционных и разработанных алгоритмов идентична. Показаны необходимость применения ПГ-алгоритмов разрешения, а не различения при наличии нескольких активных пользователей в канале связи; необходимость применения критерия очистки группового сигнала.

В заключительной части третьего раздела производится анализ и сравнение характеристик традиционных и модифицированных алгоритмов регулировки мощности. В результате численного моделирования показано существенное различие в выборе целевых векторов мощностей традиционными и модифицированными АРМ. Демонстрируется некорректность выбора целевых мощностей традиционными детерминированными АРМ в каналах связи с негауссовыми помехами.

Результаты выкладок и экспериментов, проведенные в данной главе, подтверждают достоверность основных положений диссертации и эффективность разработанных алгоритмов для современных систем связи и передачи информации.

Глава 4. Внедрение разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций различного назначения

4.1. Целевые радиотехнические телекоммуникационные системы

4.1.1. Современные глобальные навигационные спутниковые системы

Существующие глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) представляют собой комплексные электронно-технические системы, состоящие из совокупности наземного и космического оборудования и предназначенные для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (азимута и скорости движения) для наземных, водных и воздушных объектов [86,87,88] в пределах всего земного шара. В настоящее время в различных стадиях развертывания насчитывается 4 современных системы ГНСС общего назначения: российская ГЛОНАСС, американская GPS NAVSTAR, китайская BeiDou-2 (COMPASS) и европейская Galileo. В таблице 4.1 приведен краткий анализ функциональных составляющих существующих систем ГНСС.

Заключение

В соответствии с основными целью и задачей диссертации в представленной работе проведен комплекс исследований в области адаптивных алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности для ОБ-СОМА-систем в условиях сложных негауссовских помех. При этом получены следующие основные результаты:

1. Синтезирован линейный по вычислительной сложности от количества пользователей алгоритм совместной декомпозиции группового сигнала в ББ-СОМА системах, использующий полигауссовые статистики для представления комплекса внешних помех. Разработанный алгоритм является обобщением оптимального МПД-приемника для каналов связи с негауссовским комплексом помех. Определены основные требования по физической реализации: синхронность системы; специализированные требования к видам модуляции; идентичность энергетических вкладов составляющих.

2. Для применения с разработанным алгоритмом совместной декомпозиции осуществлено построение обобщенной структуры методов М-ичной фазовой модуляции и АФМ; определена применимость предъявляемых алгоритмом совместной декомпозиции требований к традиционным методам модуляции в ОБ-СБМА (ВР8К; (^РБК). Показана возможность устранения ограничения на идентичность энергетических вкладов пользователей при оптимальном функционировании систем регулировки мощности (АРМ) при воздействии негауссовских помех. Для адаптации параметров сложных комплексов негауссовских помех произведен анализ методов параметрической и непараметрической адаптации; определена применимость и адекватность ЕМ-адаптации для 08-СБМА систем в реальном времени.

3. Показана принципиальная неоптимальность функционирования АРМ, оперирующих традиционным энергетическим отношением сигнал/помеха в каналах связи с комплексом негауссовских помех; разработаны алгоритмы регулировки мощности, обеспечивающие корректное функционирование в условиях сложного комплекса негауссовских помех. Разработаны рекомендации по модификации традиционных схем АРМ, обеспечивающие более гибкий и корректный выбор целевого порога, в строгом соответствии с вероятностной природой сигнально-помеховой обстановки и потребностями в ресурсах канала связи. Произведена модификация адаптивных итеративных АРМ с решающей обратной связью.

4. Разработано программное обеспечение имитационного моделирования УПегЫ МкИ, решающее задачи имитационного моделирования и исследования характеристик приема и обработки сигналов и регулировки мощности в трактах радиосистем с различными параметрами. С использованием разработанного ПО произведены следующие эксперименты:

- Анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов. Показано, что для негауссовских каналов обеспечивается существенный выигрыш в помехоустойчивости (2,2-2,5 дБ без использования помехоустойчивого кодирования) разработанных ПГ-алгоритмов совместной декомпозиции по сравнению с традиционными корреляционными методиками. В АБГШ-каналах помехоустойчивость традиционных и разработанных алгоритмов идентична.

- Анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов регулировки мощности. Показано качественное различие в выборе целевых векторов мощностей традиционными и разработанными АРМ; некорректность выбора целевых мощностей традиционными АРМ.

- Анализ эффективности процедур ЕМ-адаптации для различных комплексов помех на входе приемных радиотрактов различных радиотехнических систем телекоммуникаций.

5. Для подтверждения физической реализуемости и целесообразности применения разработанных алгоритмов произведена интеграция разработанных алгоритмов для реальных радиотехнических систем телекоммуникаций: разработан макетный образец ГЛОНАСС-приемника «Созвездие», использующего в процедурах захвата и слежения разработанные алгоритмы приема и обработки сигналов. Произведено внедрение модифицированных АРМ в комплекс информационного обмена и определения местоположения объектов внутри помещений «Лабиринт».

Представленные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в работе решена научная задача, заключающаяся в разработке алгоритмов обработки сигналов в БЗ-СОМА системах при действии негауссовских помех: линеаризованного адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала и модифицированных алгоритмов регулировки мощности. Разработанные алгоритмы позволяют добиться повышения таких показателей систем связи, как помехоустойчивость, чувствительность, системная емкость и качество обслуживания абонентов.

1. Чабдаров Ш.М., Сафиуллин Н.З., Феоктистов А.Ю. Смеси вероятностных распределений в задачах теории информации // Деп. В ВИНИТИ 19.06.86 №4531-В86. 11с.

2. Чабдаров Ш.М., Насыров И.З., Файзуллин P.P. Новый подход к решению задачи синтеза мультимикропроцессорных устройств обработки сигналов в радиотехнических системах // Казань, 1988. Деп. В ВИНИТИ 02.06.88 №4366-В88. 43с.

3. Чабдаров Ш.М., Трофимов А.Т. Полигауссовы представления произвольных помех и прием дискретных сигналов // Радиотехника и электроника, 1975. Т.20. №4. С.734-735.

4. Шинаков Ю.С., Колодяжный Ю.М. Теория передачи сигналов электросвязи // М., Радио и связь, 1989. 283с.

5. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех // М. Радио и связь. 1986г. 264с.

6. Чабдаров Ш.М., Сафиуллин Н.З., Феоктистов А.Ю. Основы статистической теории радиосвязи: Полигауссовы модели и методы: Учебное пособие // Казань: КАИ, 1983. 87с.

7. Надеев А.Ф. Марково-смешанные полигауссовы вероятностные модели случайных процессов// Телекоммуникации. 2000.№1.С.2-5.

8. Надеев А.Ф., Сафонов B.JI., Чабдаров Ш.М. Марково-смешанные полигауссовы модели и алгоритмы приема многосимвольных сигналов при комплексе помех//Вооружение. Политика. Конверсия. 2001№6. С.36-42.

9. Надеев А.Ф. Марково-смешанные вероятностные модели и методы статистической теории связи. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук // Казань, 2000. 245с.

10. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Чикрин Д.Е., Файзуллин P.P.: Линейный по сложности алгоритм полного разрешения сигналов с использованием полигауссовых смесей для аппроксимации негауссовых помех // Йошкар-Ола, «Вестник МарГТУ», 2011, Т.1(11). С.3-12.

11. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Чикрин Д.Е., Файзуллин P.P.: Линейный по сложности алгоритм полного разрешения сигналов с использованием полигаусовых смесей для аппроксимации негауссовых помех // Йошкар-Ола, «Вестник МарГТУ», 2011, Т.1(11). С.3-12.

12. Чабдаров Ш.М., Файзуллин P.P., Надеев А.Ф., Рахимов Р.Х., Феоктистов А.Ю. Статистические модели и методы обработки сигналов в системах радиосвязи: Учебное пособие // Казань: Изд-во КГТУ им. А. Н. Туполева, 1997. 90с.

13. Кокунин П. А.: Полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов в каналах мобильных инфокоммуникационных систем, диссертация // Казань, 2006. 229с.

14. Егоров А. Е.: Поликорреляционные алгоритмы и устройства разрешения сигналов перспективных систем мобильных телекоммуникаций, диссертация // Казань, 2003. 166с.

15. Карпов И.Г. Модернизация распределений Пирсона для аппроксимации экспериментальных распределений радиолокационных сигналов // И.Г. Карпов, Е.А. Галкин. Библиогр.: 5 назв. С.52-61

16. Сафиуллин Н.З. Анализ стохастических систем и его приложения // Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 1998.168с.

17. Чабдаров Ш.М. О полигауссовом приближении в задачах теории связи. V конференция по теории кодирования и передачи информации: Тезисы докладов V всесоюзной конференции//Москва-Горький, 1972. С.137-141.

18. Чабдаров Ш.М. Полигауссовы представления случайных явлений в радиотехнике. Юбилейный сборник избранных трудов членов Академии наук Республики Татарстан, под ред. Н.А.Сахибуллина. // Казань, Фолиантъ, 2002, С.59-100.

19. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. // М.: Сов. радио, 1978. 320с.

20. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех. 11М.: Сов. радио, 1986. 264с.

21. Кловский Д.Д., Сойфер В.А. Обработка пространственно-временных сигналов // М.: Связь, 1976. 204с.

22. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники: В 3 кн. // М.: Сов. радио. Кн. 1. 1966. 752с.; Кн. 2.1968. 391с.; Кн. 3. 1976. 288с.

23. Фалько А.И., Мухин М.А. Адаптивный прием сигналов в каналах с многолучевостью и узкополосными помехами // Радиотехника. 2004.-№10. с.3-7.

24. Фалько А.И., Шушнов М.С. Прием широкополосных сигналов в каналах с многолучевым распространением и.стохастическими узкополосными помехами // Вестник СибГУТИ, №1, 2007. С.85-88.

25. Фалько А.И., Шушнов М.С., Гюнтер A.B. Прием сигналов при воздействии коррелированных помех // Радиотехника, №4, 2009. С.4-10.

26. Фалько А.И., Шушнов М.С., Ошуева A.M., Якимова М.Г. Теоретические основы приема сигналов по параллельным каналам при воздействии узкополосных помех. Часть 1. Синтез алгоритмов // Телекоммуникации, №8, 2009. С.2-11

27. Мохаммед Абдул Карим Аль-Сураби, Шинаков Ю.С. Асимптотическая оценка емкости сотовых систем связи с технологией CDMA // Радиотехника, 2005, №10. С.49-53.

28. Чикрин Д.Е.: Построение эффективных систем регулировки мощности в каналах связи с негауссовым комплексом помех // Муром, «Радиотехнические и телекоммуникационные системы», Т.2,2011. С.78-80.

29. Шушнов М.С. Моделирование алгоритмов регулирования мощности передающих устройств сотовых систем связи // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. A.C. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». Новосибирск: СибГУТИ, 2009. Т.2-С.274.

30. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим: Управление мощностью в сотовых системах связи третьего поколения с кодовым разделением каналов (CDMA) // Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2188 св. 2001. от 22.05.2001г. С.86-92

31. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим: Метод выравнивания отношения сигнал -помехи мобильного абонента в системах связи с подвижными объектами с технологией CDMA // Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2251 св. 2004. от 04. 07.2004 г. С.36-45.

32. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим: Адаптивные модуляция и распределение мощности для многочастотных DS/CDMA систем // Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2266 св. 2005. от 12. 07. 2005 г. С.34-43.

33. Шорин О.А, Косинов М.И. Повышение ёмкости сотовой системы связи при использовании зон перекрытия // Электросвязь -2003 -№3. С. 18-20.

34. Шорин О.А, Косинов М.И. Повышение емкости сотовых систем связи, поддерживающих режим «мягкого» хэндовера // Мобильные телекоммуникации. -2007. -№3. С. 50-55.

35. Rintamaki М. Adaptive Power Control In CDMA Cellular Communications System // Хельсинки: изд. технологического университета Хельсинки, 2005. 191с.

36. Sadri A. Novel Adaptive Power and Rate Control in Third Generation Wideband CDMA Mobile Systems // Северная Каролина: изд. университета Северной Каролины, 2000. 119с.

37. Zander J. Performance of optimum transmitter power control in cellular radio systems // IEEE Transactions on Vehicular Technologies, 1992. T. 41. C. 57-62.

38. Holger В., Schubert M. A General Theory for SIR balancing // Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2006. №60681. 18 c.

39. Шлома A.M., Бакулин М.Г., Крейнделин В. Б., Шумов А. П.: Новые алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах подвижной связи // М. Горячая Линия Телеком, 2008 г. 344с.

40. Шлома A.M., Бакулин М.Г., Кудрявцев А.В., Крейнделин В.Б. Синхронный прием полигармонических сигналов // Изв. вузов. Радиоэлектроника. С.21-25.

41. Крейнделин В.Б., Панкратов Д-Ю. Линейные алгоритмы многопользовательского детектирования// «Электросвязь», №11, 2002. С.31-33.

42. Невдяев Л. CDMA: многопользовательское детектирование.// «Сети», №8, 2000. С.20-22.

43. Verdu S.: Multiuser Detection // Cambridge University Press, 1998. 474c.

44. Markku J. Multiuser demodulation for DS-CDMA Systems in fading channels // Оулу: изд. университета Оулу, 2007. 159с.

45. Moshavi S.: Multiuser Detection Techniques for DS-CDMA Systems // IEEEi

46. Communications Magazine, 1996. C.124-136.

47. Suman D. etc: Iterative Multiuser Detection and Decoding // Dep. of Electrical and Computer Engeneering. Rice Univ. 1999. 9c.

48. Duel-Hallen A.: Decorrelating Decision-Feedback Multiuser Detector for Synchronous Code-Division Multiple-Access Channel // IEEE Trans. On Com., 1993. Feb.Vol. 41.C. 285-290.

49. Lupas R, Verdu S.: Linear Multiuser Detectors for Synchronous Code-Division Multiple-Access Channels // IEEE Trans. Info. Theory, vol. 35, no. 1, Jan. 1989, pp. 123-136.

50. Айвазян С.А., Бухштабер B.M., Енюков E.C. Прикладная статистика -классификация и снижение размерности. // М.'Финансы и статистика, 1989. 608с.

51. Феллер В.: Введение в теорию вероятностей и ее приложения; Москва: Мир, 1963. 512с.

52. Тутубалин В. Н.: Теория вероятностей и случайных процессов. Основы математического аппарата и прикладные аспекты; Москва: изд. МГУ, 1992. 400с.

53. Gilles С., Jean D. The ЕМ and the SEM algorithms for mixtures: statistical and numerical aspects // Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique, 1987. №641. 18c.

54. Dempster A.P., Laird N.M., Rubin D. B. Maximum Likelihood from Incomplete Data via the EM Algorithm // Journal of the Royal Statistical Society. Series В (Methodological), Vol. 39, No. 1. (1977). C.l-38.

55. Fieller E.C., Hartley H.O., Pearson E.S. Tests for Rank Correlation Coefficients // Biometrika, Vol. 44, No. 3/4. (Dec., 1957).C.470-481.

56. Dellaert F. The Expectation Maximization Algorithm // College of Computing, Georgia Institute of Technology; Technical Report number GIT-GVU-02-20; February 2002. 7c.

57. Борисов В. И. и др.: Помехозащищенность систем радиосвязи с ФМ ШПС // Москва: Радио и связь, 2003. 358с.

58. Варакин Jl. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами // М.: Радио и связь, 1985.383с.

59. Гоноровский И. С.: Радиотехнические цепи и сигналы // Москва: Советское радио, 1977. 672с.

60. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том 1 // М.: Сов. радио, 1972. 744с.

61. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов // М.: Сов. радио, 1974. 360с.

62. Chen Н.: Next Generation CDMA Technologies // John Wiley and Sons Publishing, 2007. 476c.

63. Chen H., Guizani M.: Next Generation Wireless Systems and Networks // John Wiley and Sons Publishing, 2007. 498c.

64. Kumar P.: Digital Signal Processing Laboratory; CRC Press, 2005. 280c.

65. Невдяев JI.M. Мобильная связь третьего поколения // М.: МЦНТИ -международный центр научной и технической информации, 2000. -208с.

66. Скляр Б. Цифровая связь: теоретические основы и практическое применение, 2-е изд. // М.: издательский дом Вильяме, 2003. 1104с.

67. Прокис Дж.: Цифровая связь // Москва: Радио и связь, 2000. 800с.

68. Липкин И. А.: Статистическая радиотехника теория информации и кодирования // Москва: Вузовская книга, 2002. 216с.

69. Френке Л.: Теория сигналов // Москва: Советское радио, 1974. 344с.

70. Окунев Ю. Б.: Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами // Москва: Радио и связь, 1991. 296с.

71. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е и др. Помехозащищенность систем радиосвязи // М.: Радио и связь, 2000. 384 с.

72. Viterbi A. J. CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication // Addison-Wesley, 1995. 245c.

73. Zigangirov K.: Theory of Code Division Multiply Access // John Wiley and Sons Publishing, 2002. 412c.

74. Рошан П., Лиэри Д.: Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11 // Cisco Press, 2006. 296с.

75. Yacoub М. D.: Wireless Technology; Protocols, Standards and Techniques // CRC Press, 2002. 535c.

76. James T. Fundamentals of Global Positioning System Receivers // Wiley, 2005. 238c.87. el-Rabbany: Introduction to GPS // Artech House, 2002. 176c.

77. G.T. French: Understanding the GPS // GeoResearch, 1996. 264c.

78. Солонина А. И. и др.: Основы цифровой обработки сигналов, 2-е изд. // Санкт-Петербург: БХВ, 2005. 768с.

79. Meyer-Baese U.: Digital Signal Processing with FPGA; Springer, 2006. 434c.