автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация параметров систем связи, использующих многолучевую среду распространения сигналов

На правах рукописи

РЛДЬКО Павел Николаевич

Моделирование и оптимизация параметров систем связи, использующих многолучевую среду распространения сигналов

05.13.18

«Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 Ш? Ж1

Воронеж - 2012

005011286

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор НЕЧАЕВ Юрий Борисович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор ПАСТЕРНАК Юрий Геннадьевич

Доктор физико-математических наук, профессор СЕМЕНОВ Михаил Евгеньевич

Ведущая организация: Рязанский государственный

радиотехнический университет

Зашита диссертации состоится «29» февраля 2012 года

в 15 час 10 мин. в ауд. 335 на заседании диссертационного совета Д 212.03.20 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»

Автореферат разослан «27» января 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

С.А.Шабров

Общая xapaicrepiiCTiiKa работы

Актуальность темы. В недавнем прошлом KB (коротковолновая) связь уступила свои позиции системам связи более высокочастотных диапазонов, в первую очередь, из-за невозможности значительного повышения скорости передачи данных, и стала переходить в разряд резервных видов связи. В настоящее время в мире наблюдается возрождение KB связи, что связано, в основном, с прогрессом в области реализации сложных алгоритмов обработки сигнала при помощи DSP и ПЛИС.

Это привело к востребованности новых алгоритмов обработки сигналов, видов модуляции и кодирования. Известно, что системы KB связи характеризуют^ ся относительно небольшой полосой частот используемых сигналов, невысокой скоростью передачи данных, а также особыми условиями распространения, отличающимися значительной многолучёвостью, сложным характером замираний и разнообразием помеховой обстановки.

В системах связи KB диапазона происходит переход от систем связи с частотной и относительной фазовой модуляцией к системам связи, использующим амплитудно-фазовые методы модуляции и сложные сигнально-кодовые конструкции в сочетании с современными итеративными методами обработки сигналов как последовательными (с использованием турбо эквалайзеров), так и параллельными (OFDM) модемами.

Очевидно, что достижение новых рубежей в области KB связи (будь то радикальное повышение скорости передачи данных и/или повышение помехоустойчивости) невозможно без использования особенностей канала распространения, неучтённых или недостаточно точно отражённых в прежних моделях канала. Следовательно, построение модели KB канала должно быть первым этапом работ по разработке аппаратуры KB связи, если в ней предполагается использование новых принципов или планируется достичь лучших, чем у прежней аппаратуры, характеристик.

Исследованию вышеназванных вопросов посвящено достаточно большое количество работ. Среди отечественных авторов можно выделить труды по методам моделирования KB каналов Иванова В.А. Иванова Д.В., Рябовой Н.В. Исследованиям по построению имитаторов каналов связи и использованию итеративных методов обработки посвящены недавние работы Нечаева Ю.Б., Малютина A.A. и др. Большой вклад внесли следующие зарубежные авторы М. Pätzold, М. Tuchler, S. ten Brink, J. Hagenauer, J.Nieto, R.Otnes, F. Schreckenbach.

Диссертационная работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений Воронежского госуниверситета «Математическое моделирование, программное и информационное обеспечение, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным исследованиям в естественных науках».

Целью работы является разработка методов моделирования многолучевых каналов связи, алгоритмов обработки сигналов в программно-аппаратных имитаторах каналов, включая многоканальные, и использование полученных результатов для совершенствования устройств и систем связи, предназначенных для передачи информации по многолучевым каналам, включая многоантенные (MIMO).

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка моделей и численных методов моделирования многолучевых каналов KB связи, пригодных для анализа характеристик многоканальных и многоантенных (MIMO) сетей и систем связи, использующих современные методы модуляции (включая амплитудно-фазовые) и кодирования (включая итеративные методы, основанные на «турбо» принципах, когерентный приём, пространственно-временное кодирование, рассчитанное на применение многоантенных режимов приёма и/или передачи).

2. Исследование влияния методов реализации математических операций цифровой обработки сигналов в имитаторе канала связи на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры, оптимизация структуры и параметров функциональных блоков при программно-аппаратной реализации имитатора.

3. Разработка численных методов моделирования устройств итеративной обработки сигналов для КВ модемов передачи данных.

4. Разработка математических алгоритмов обработки сигналов турбо эквалайзером последовательного модема, обладающих приемлемой вычислительной сложностью реализации, устойчивых к погрешностям из-за конечной точности выполнения вычислений, учитывающих неточность оценок характеристик канала.

5. Разработка методов манипуляционного кодирования для многоантенных систем с кооперативным MIMO.

6. Создание программно-аппаратного комплекса по моделированию работы систем и сетей КВ связи и проведение численных экспериментов с целью оптимизации их параметров.

Объект исследования - многолучевые каналы связи и их программно-аппаратные имитаторы; предмет исследования - модели, численные методы моделирования многолучевых каналов связи, алгоритмы обработки сигнала в программно-аппаратных комплексах, их реализующих.

Методы исследования. При проведении работы использовались методы: теории вероятностей, математической статистики, статистической теории связи, теории информации, эволюционных вычислений, компьютерное моделирование, математическое моделирование, теория алгоритмов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель, численный метод моделирования многолучевого многомерного канала связи для исследования режимов разнесенного приёма, дуплексного режима, ретрансляции и MIMO, а также алгоритмы функционирования многоканального программно-аппаратного имитатора канала связи, обладающие невысокой сложностью, реализующие с их помощью предложенную модель.

2. Результаты анализа влияния методов реализации численных математических операций цифровой обработки сигналов в имитаторе канала связи на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры. Методика выбора структуры и оптимизации параметров функциональных элементов построения имитатора на основе вышеназванных результатов.

3. Модифицированный вариант численного метода полуаналитического моделирования устройств итеративной обработки сигналов на основе технологии EXIT-chart, не требующий предварительного знания передаваемой информационной последовательности.

4. Результаты анализа влияния погрешностей оценок канала связи на характеристики помехоустойчивости модемов передачи данных по многолучевым каналам и итеративный алгоритм работы эквалайзера последовательного модема, робастныи по отношению к ошибкам оценок параметров канала связи. Два варианта реализации данного алгоритма, обладающие невысокой вычислительной сложностью.

5. Численный метод оптимизации вида манипуляционного кодирования для КВ систем связи с кооперативным MIMO и трансмодуляцией, основанный на использовании алгоритмов эволюционно-генетического поиска.

6. Программно-аппаратный комплекс и результаты вычислительных экспериментов по оценке характеристик помехоустойчивости систем и сетей КВ связи, включая сети связи с «кооперативным» MIMO, ретрансляцией и трансмодуляцией, и методика оптимизации территориального размещения узлов ретрансляции на основе данных результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложенная модель каналов КВ связи и способы её аппаратной и программной реализации, в отличие от известных, учитывают особенности канала связи, вытекающие из необходимости использования спектрально-эффективных методов модуляции, когерентного приёма и необходимости корректного исследования так называемых «медленных» алгоритмов многопараметрической адаптации (по виду и скорости кодирования, типу модуляции):

1) наличие «медленных» замираний сигнала неинерференционной природы;

2) влияние помех по соседнему каналу, не попадающих в полосу частот полез-

ного сигнала, но лежащих в полосе частот преселектора приёмника; 3) влияние АРУ приёмника.

2. Проведённый анализ влияния методов реализации операций цифровой обработки сигналов в имитаторе канала связи на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры, в отличие от известных, позволяет оптимальным образом производить выбор структуры имитатора и оптимизацию параметров составляющих её элементов.

3. Предложенный вариант модификации численного полуаналитического метода моделирования устройств итеративной обработки отличается обобщением известного метода на случай неточного знания принимаемой информационной последовательности.

4. Предложенный итеративный алгоритм обработки сигнала приёмным устройством модема обладает лучшими характеристиками помехоустойчивости при неточной оценке импульсной характеристики многолучевого канала связи и включает в себя как частные случаи ранее известные варианты решения задачи.

5. Предложенный численный метод оптимизации вида манипуляционного кодирования для систем связи с кооперативным MIMO и трансмодуляцией, в отличие от ранее известных, позволяет проводить оптимизацию манипуляционного кода для сигнальных созвездий большого размера и сложной непрямоугольной формы.

6. Разработанный программно-аппаратный комплекс и результаты вычислительных экспериментов по оценке характеристик помехоустойчивости систем и сетей КВ связи, включая сети связи с «кооперативным» MIMO, ретрансляцией и трансмодуляцией и методика оптимизации территориального размещения узлов ретрансляции на основе данных результатов позволили установить закономерности по оптимальному размещению промежуточных узлов ретрансляции в КВ сети.

Практическая ценность заключается в том, что:

1. Предложенные модифицированная модель каналов КВ связи, численный метод моделирования многомерных многолучевых каналов КВ связи с использованием результатов анализа влияния методов реализации операций цифровой обработки сигналов в имитаторе на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры позволили практически разработать многоканальный имитатор канала, пригодный для моделирования работы сети корреспондентов, дуплексных режимов связи, а также разнесённых приёма и передачи.

2. Анализ влияния методов реализации преобразователя Гильберта высоко^ частотного входного сигнала на показатели измерений показал, что наилучшей с точки зрения минимизации искажений является структура в виде цифрового КИХ фильтра 3 или 4 типа, спроектированного методом Мак-Келлана. Применение БИХ фильтров оправдано лишь для дуплексных режимов систем связи с целью минимизации задержек сигнала в имитаторе.

3. Предложенный вариант модификации численного полуаналитического метода моделирования устройств итеративной обработки на основе технологии EXIT-chart, не требующий предварительного знания передаваемого информационного сигнала, может быть использован не только на этапе проектирования вышеназванных устройств с целью выбора их наилучшей структуры и оптимизации параметров, но и применён в устройстве управления выбором параметров в процессе многопараметрической адаптации системы связи непосредственно в процессе её эксплуатации.

4. Предложены практические алгоритмы обработки сигнала, обладающие меньшей чувствительностью к погрешностям оценок характеристик канала связи, которые могут быть использованы в высокоскоростных КВ модемах передачи данных следующего поколения систем КВ связи.

5. При помощи предложенного численного метода оптимизации вида манипуляционного кодирования разработаны манипуляционные коды для стандартно используемых в КВ системах связи сигнальных созвездий в случае применения методов кооперативного MIMO и трансмодуляции.

6. Разработанный метод моделирования многоканальных режимов работы позволил исследовать влияние характеристик отдельных каналов связи, образующих систему связи с кооперативным MIMO, на показатели её качества в целом и разработать методику оптимизации территориального расположения узлов ретрансляции.

Область исследования. Область исследования и содержание диссертации соответствует формуле специальности 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» (физико-математические науки), область исследований соответствует п.4 «Разработка, обоснование и тестирование эффективности численных методов с применением ЭВМ», п.5 «Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента»; п.6 «Комплексное исследование научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента».

Реализация результатов исследования. Полученные в диссертации результаты использованы при постановке и выполнении НИР «Разработка и применение новых методов обработки, передачи и защиты информации в информационно-коммуникационных системах» (гос. регистрац. № 012202.0412808) в Воронежском государственном университете, грантов РФФИ (проекты 08-02-13555-офи_ц, 09-07-97522-р-центр_а, 11-07-00600-а), кроме того отдельные результаты внедрены при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в ОАО «Концерн «Созвездие», ОАО «НИИ «Вега», инновационной фирме «ИНРИ», проводимых по заказам МО РФ и гражданских ведомств, а также в учебном процессе в Воронежском государственном университете, что подтверждается актами о внедрении. В настоящее время на основе полученных результатов ведутся работы по созданию новых комплексов связи с характеристиками помехоустойчивости и пропускной способности, существенно превышающими аналогичные показатели аппаратуры связи предыдущего поколения.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях в гг. Москве [15], Санкт-Петербурге [16,171, Севастополе [8,21,22], Таганроге [6,18,20], Белгороде [23,24], Воронеже [7,9-14,19].

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 24 печатных изданиях, в том числе [1-5] из списка изданий, рекомендованных ВАК РФ. Получены 3 патента РФ на изобретения и полезные модели [25-27], 2 свидетельства о государственной регистрации [28,29].

Личный вклад автора. Основные результаты по теме диссертации получены лично автором. Постановки задач в диссертации предложены научным руководителем. Разработка моделей и методов проводились совместно всеми соавторами работ, в которых они опубликованы, в том числе и автором. Проведение рассуждений и вывод аналитических соотношений по разработке моделей и методов, обоснование моделей и методов, их исследование и практическая реализация в виде алгоритмов и программ, проверка достоверности результатов, получение выводов и их интерпретация выполнены автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и библиографического списка. Объём основной части диссертации - 173 страницы машинописного текста, в том числе 47 графиков и рисунков. Библиография насчитывает 143 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цели и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведён сравнительный анализ существующих моделей многолучевого КВ канала связи, выявлены их достоинства и недостатки с точки зрения возможности применения при разработке и исследовании высокоскоростных методов передачи цифровых данных.

Показано, что использование современных кодов, совмещающих в единый процесс модуляцию и кодирование, приводит к необходимости исследования их характеристик с помощью моделирования работы в канале на сигнальном (а не на дискретном как ранее) уровне, с использованием той или иной модели канала.

Одной из наиболее широко используемых моделей коротковолнового канала связи для его моделирования и расчета характеристик является модель Ваттер-сона, официально рекомендуемая многочисленными стандартами для использования при разработке и сравнении характеристик аппаратуры КВ связи. Эту модель часто выбирают в качестве основы для более современных моделей КВ канала.

Согласно модели Ваттерсона канал моделируется как линия задержки с отводами, каждый из которых соответствует дискретному лучу и модулирует сигнал по амплитуде и фазе путем умножения на комплексный, зависящий от времени коэффициент с, (/). Комплексный амплитудный множитель отображает гауссовский случайный процесс с независимыми компонентами, имеющими нулевые средние значения. Каждый комплексный весовой коэффициент для каждого отвода линии задержки (дискретного луча) состоит из двух слагаемых, соответствующих двум магнитоионным компонентам луча

Сомножители сш (/) и c¡b (t) представляют два независимых комплексных га-уссовских стационарных в широком смысле случайных процесса, каждый с независимыми действительными и мнимыми составляющими, преимущественно равными дисперсиями этих составляющих и нулевыми средними значениями. Если, в дополнение к этому, выполняются условия симметрии квадратурных составляющих, то замирания в канале являются релеевскими.

Спектральная плотность мощности случайного процесса, описывающего каждую магнитоионную составляющую - гауссовская, и результирующие спектры для синфазной и квадратурной составляющих каждого i-го луча в случае их равных дисперсий могут быть описаны как:

где 4 и Лл - коэффициенты усиления для каждой магнитоионной компоненты i -го луча. Соответственно, корреляционная функция по временному сдвигу:

¿ж ^

Для описания канала используются взаимные задержки между лучами т,. Задержки считаются независящими от времени. Таким образом, импульсная ха-

í

рактеристика многолучевого канала имеет вид c(r,t) = (t)S(t-r,). Временное

í=I

рассеяние внутри одного луча моделью Ваттерсона не учитывается.

В работе отмечено, что построение модема и разработка канальных протоколов передачи данных со скоростями более 9600 бит/с требует доработки моделей КВ канала передачи с целью учета его особенностей, существенных для качественной работы системы в целом.

Для систем высокоскоростной передачи данных актуален учет присущих каналу медленных замираний, имеющих неинтерференционную природу. Проведённое исследование показало, что метод моделирования замираний (процесс формирования отсчётов импульсной характеристики) оказывает заметное влияние на результаты тестирования для высокоскоростных модемов, использующих многопозиционные сигналы, в особенности с амплитудно-фазовой модуляцией. Влияние оказывают как форма энергетического спектра замираний, частота дискретизации импульсной характеристики так и способ интерполяции

её отсчётов. Характеристики помехоустойчивости при использовании усечённого гауссовского формирующего фильтра точнее соответствуют идеальной модели, чем при использовании фильтра Батгерворта того же порядка, и могут быть сделаны ещё точнее, без увеличения вычислительной сложности, если применяется интерполяция отсчётов импульсной характеристики. С целью существенной минимизации сложности интерполяция должна быть многоступенчатой. Количество ступеней интерполяции должно выбираться, исходя из соотношения частоты дискретизации и величины доплеровского рассеяния.

Предложен алгоритм построения модели многоканального имитатора, учитывающей статистическую зависимость подканалов. В ходе его построения (при описании многоканальной модели среды распространения) физически обосновано допущение об идентичности одномерных корреляционных функций отдельных подканалов. Показано, что в рассматриваемой модели коррелированны параметры только одноимённых мод сигнала (аналогично классической модели Ваттерсона).

При заданных коэффициентах корреляции отсчётов комплексных амплитуд одноимённых мод и отсчётов шума для формирования зависимых отсчётов у =[yi,...,yN^ с заданными коэффициентами корреляцииг = £'{уу"} использован метод линейного преобразования. Матрица линейного преобразования должна вычисляться как результат решения уравнения:

г = £,{уу"} = £'|ах(Ах)я| = <т>2£'{аа''} . Элементы матрицы могут быть вычислены

рекурсивно■aJJ=[rIJ/al-Y'kllalj,ajjt)/au ■

Предложен метод практической реализации представленного подхода путём организации режима распределённых вычислений нескольких имитаторов, объединённых в сеть. Разработан комплекс программ, его реализующий, для сети персональных компьютеров (с процессором Core2 Duo), при котором производительности данного ПК достаточно для реализации четырёх каналов обработки в реальном времени.

В то время как задача моделирования сетевых режимов требует учёта корреляции статистических характеристик всех каналов узлов сети (приёмных и передающих), то ряд других задач (дуплексный и разнесённый приём) требует обязательного учёта корреляции только каналов приёма. Для данного случая предложены схемы моделирования, не использующие распределённых вычислений.

Во второй главе исследуются методы моделирования работы устройств итеративной обработки сигналов. Основное достоинство итеративных методов -существенное уменьшение сложности процедур обработки при характеристиках качества, близких к оптимальным.

Как известно, высокая вычислительная сложность реализации оптимальных методов обработки (Витерби, BCJR) является главным препятствием их применения в модемах передачи данных как для каналов КВ диапазона, так и для других каналов с МСИ. Вот почему методы итеративной обработки нашли широкое применение при построении устройств обработки сигналов в каналах с МСИ, в частотности, в КВ каналах. Можно назвать следующие области их применения в данной сфере: 1) собственно, турбо коды; 2) итеративные методы демодуляции, совмещённой с декодированием; например, связка недвоичной модуляции с двоичным кодом (BICM); 3) турбо эквалайзеры - связка кодер-канал на передаче, эквалайзер-декодер на приёме; 4) итеративные методы оценки канала; 5) итеративные методы синхронизации: по несущей и тактовой частоте.

Каждому из вышеперечисленных направлений посвящено большое количество работ. Однако известно не так много публикаций, в которых бы рассматривались методы оптимизации параметров устройств и их адаптивного выбора в процессе работы, использующих несколько схем итеративной обработки сигналов одновременно. В основном, это связано со сложностью точного анализа итеративных процедур даже в простейшем случае выполнения итераций между двумя модулями.

Развитие итеративных методов обработки сигналов и распространение новых принципов, лежащих в их основе, требует пересмотра многих подходов к выбору алгоритмов работы других составных частей модема (манипуляционных кодов, способов оценки параметров канала и т.д.) и новых методов и принципов совместной оптимизации их параметров, что связано с выбором, модификацией или разработкой соответствующих методов анализа и моделирования.

Рассмотрены известные методы анализа устройств итеративной обработки информации. Проведено сравнение метода анализа итеративных систем EXIT charts с некоторыми другими ранее известными и недавно предложенными аналогами, показавшее его заметное преимущество. Предложена модификация метода EXIT charts для решения поставленной задачи.

Суть метода EXIT charts состоит в том, что тем или иным способом (как правило, экспериментально, при помощи численных методов или моделирования) определяются функции преобразования взаимной информации величин входных LLR относительно информационных бит, а также величин выходных «внешних» LLR относительно информационных бит для каждого SISO модуля по отдельности.

Поскольку выходная информация какого-либо SISO модуля может являться априорной входной информацией для другого SISO модуля и наоборот, то данные зависимости в случае только двух модулей в устройстве легко могут быть изображены графически. По сложившейся традиции и исходя из соображений удобства для последовательных схем итеративной обработки - SCTC, турбо эквалайзеров - на графике изображается передаточная функция внешнего модуля и функция, обратная передаточной для внутреннего модуля.

По определению, средняя взаимная информация между двумя статистически зависимыми случайными величинами х и у представляет собой среднюю величину отношения условной к безусловной их вероятностей

1{х<у)= j JpC*>.y)log—, в данном случае имеем дело с взаимной информацией дискретной (значение информационного бита с = ± 1) и непрерывной (LLR) случайных величин, которая может быть вычислена как

p{LLR\c)

d(UR) .

ется: l(LLR,c) = 1 - J р (LLR\c = -i) log.

d(LLR).

'l\/2p(LLR\c = -\) + \/2p(LLR\c=+l)j

Обычно для условной плотности вероятности p[LLR\c) выполняется условие симметрии p{LLR\c=+\)=p(-LLR\c = -\), так что последнее выражение упроща-

p(LLR\c = +l)' + p{LLR\c = -1)

Для вычисления по нему необходимо располагать p(Z£tf|c=-l), которая определяется экспериментально при помощи гистограмм сигнала c-LLR на выходе каждого отдельного модуля. Окончательное значение I(LLR,c) может быть получено при помощи численного интегрирования.

Распределение LLR бит на выходе отдельного модуля не может быть точно известно, но если мы предполагаем оценивание модулем требуемой величины, близкой к максимально правдоподобному, то оно может считаться гауссовским в соответствии с асимптотическими свойствами оценок максимального правдоподобия, с дисперсией c\LR, равной удвоенному математическому ожиданию ссгш/2. Так же при оптимальном алгоритме обработки сигнала модулем р(+Шг|с = +1) ...

) .-t\=e факта легко проверяются моделированием. Тогда

р[—LLRс ■I)

можно показать, что

/ (LLR, с) = 1 - J р (LLR\ с = +l) log, [l + еш ] d {LLR) * 1 £ log, [l + г' ] . ИспОЛЬЗуЯ баЙесовский подход и свойства симметрии, для методов обработки каждого блока,

образующих итеративное устройство, предложен алгоритм, не требующий оце-

2 Klog,ll + exp(-iIi)J

нок информационных символов I (LLR,C) ~ 1-—¿^—1+ехр(-Шг)—'

Разработаны экспериментальные методы измерения передаточных функций отдельных модулей итеративной обработки, образующих устройство KB модема передачи данных. Рассмотрены особенности выбора параметров отдельных модулей и проанализирована их связь с видом помехоустойчивого кода, мани-пуляционного кода, алгоритмом работы эквалайзера, а так же влияние параметров многолучевого канала.

Предложен адаптивный алгоритм работы эквалайзера модема, заключающийся в смене метода обработки сигнала (после некоторой итерации) в зависимости от средней величины взаимной информации во входном сообщении. На основе предложенного подхода с использованием технологии EXIT charts разработан критерий выбора наилучшего алгоритма обработки.

Предложен оригинальный метод оценки взаимной информации по неизвестному информационному сигналу. Разработан простой полуаналитический метод оценки BER по диаграммам EXIT charts, не требующий проведения большого количества экспериментов и обработки большого объёма статистических данных.

В итоге показано, что при правильном выборе параметров устройства обработки итеративные алгоритмы приводят к существенному улучшению характеристик помехоустойчивости и расширению допустимого диапазона параметров канала, в пределах которых он пригоден для связи.

Характеристики рассматриваемого итеративного варианта построения KB модема, в основном, определяются характеристиками эквалайзера, как звена системы, требующего самых больших вычислительных затрат для выполнения процедур обработки и единственным элементом системы, не допускающим реализацию оптимальных алгоритмов обработки по причине высоких вычислительных затрат. Поэтому для достижения наилучших характеристик основное внимание следует уделить алгоритмам работы именно эквалайзера модема.

В третьей главе рассмотрены некоторые особенности современных алгоритмов обработки сигнала в KB модемах. Предложен итеративный алгоритм линейного выравнивания, робастный по отношению к ошибкам оценок характеристик канала связи.

Проведено исследование влияния точности оценок характеристик канала связи на помехоустойчивость приёма.

В качестве модели дискретного канала использовался её вариант, описывающий отображение непрерывного канала на дискретный и, в простейшем

случае, имеющий вид hn = а

"А ]Г 5тс{п-к-т/Т-(Ь-1)/2) . Показано, что

J

ошибка оценки вектора ИХ может представляться аддитивной ь = ь+дь, её точность характеризуется е\ ^¿Л,2, а точность оценки дисперсии

аддитивного шума /Л, =£'{ст„2}/ст;, следовательно ошибки оценок характеристик

канала связи могут приводить к существенному снижению помехоустойчивости алгоритмов приёма в многолучевых каналах, основанных на линейном выравнивании.

Известны неитеративные алгоритмы робастные по отношению к неточному измерению характеристик канала. В связи с рядом существенных преимуществ итеративных процедур, целесообразно разработать их робастные аналоги.

Предложены методы итеративной обработки, учитывающие неточность оценок характеристик канала. Задача состоит в поиске оптимального вектора коэффициентов линейного эквалайзера а„ и вида функциональной зависимости сигнала обратной связи с выхода декодера для модели канала вида У„ = Н,Л,+Н'„- Оптимальные оценки информационных символов ищутся в виде "х„ = а»У„ ~ 4 по критерию минимума СКО вида

{a»'í>} = aiSmin{£,.j*,{jE'ii.|ií.{£,'ls.{^"~JC"|2}}}}' где и " известные оценки неизвестных канальной матрицы 1Г„ и вектора отсчётов помехи w„. Полученное

<т;[£„.,., {II.V.H"} + £»,» МП]"'!, решение имеет вид: а =-<=—---_-У-)

4 = . Показано, что в частных случаях оно переходит в соответствующее известное решение.

Предложены два робастных алгоритма существенно меньшей вычислительной сложности, основанных на упрощениях полученного оптимального и эвристических соображениях, вытекающих из анализа экспериментальных данных. Первый вариант основан на использовании приближённых методов расчёта коэффициентов фильтров прямой и обратной связи турбо эквалайзера, вычисляемых для каждого символа и на каждой итерации декодирования, второй вариант алгоритма не требует постоянного пересчёта коэффициентов на каждом шаге обработки.

В четвёртой главе сформулированы современные подходы к построению сетей КВ связи, в частности, использующие принципы кооперативного MIMO (рис.1) и соответствующие протоколы ретрансляции сообщений, раскрыта специфика данного диапазона при построении сетей связи, вытекающая из особенностей распространения сигналов.

Показано, что непосредственное использование методов MIMO в КВ системах связи принципиально возможно, но часто затруднительно и не столь эффективно по причине больших размеров антенных систем для разнесённого приёма/передачи. Однако использование ретрансляторов в качестве виртуальных приёмных и передающих антенн открывает широкие перспективы.

Основной отличительной особенностью построения сети КВ связи является принципиальная возможность прохождения сигнала между всеми узлами сети и наличие лучшего канала вне зависимости от расстояния между узлами. Поэтому в сетях КВ связи на первом плане - задача разработки протоколов физического уровня, поддерживающих сетевые режимы работы. Предложен метод ма-нипуляционного кодирования для данных сетей связи, полученный при помощи компьютерного поиска с использованием генетических алгоритмов.

Одним из наиболее распространённых протоколов ретрансляции для кооперативного MIMO является протокол прямой ретрансляции. Рассмотрен его адаптивный вариант, в котором ретрансляция сообщения производится только при условии правильной демодуляции сигнала ретранслятором. Данный протокол может быть улучшен без усложнения процедуры обработки и без увеличения её длительности путём изменения вида манипуляционного кодирования в процессе ретрансляции посредством трансмодуляции.

Этот метод был недавно предложен и развит в ряде работ применительно только к прямоугольным сигнальным созвездиям. При помощи переборного метода могут быть получены коды для созвездий любой формы, но не более чем с 8 точками, однако для высокоскоростных частотно-эффективных систем связи Рис. 1 Модель системы связи с ретрансляцией, ис- КВ диапазона необходимо пользующей принципы кооперативного MIMO использование 16-, 32- И

64-х точечных созвездий сложной непрямоугольной формы.

Рассмотрены модемы, использующие для борьбы с многолучевым распространением сигнала в канале метод ортогонального частотного мультиплексирования, и использовать модель многолучевого канала, описываемую импульсной характеристикой её низкочастотного эквивалента: А„=[А„Д.....A„t_,] , где

L- длина импульсной характеристики, и - номер передаваемого символа, А„ , -случайные, независимые, одинаково распределенные комплексные числа с нулевыми средними значениями квадратурных компонент £{а„,} = 0 и дисперсиями £{аIj} = o1j.

На входе демодулятора после отбрасывания защитного интервала и выполнения ДПФ стробированной смеси с выхода согласованного фильтра будем иметь

= где - мощность передат-

чика источника сообщений, Р' - мощность передатчика ретранслятора;

Н^(к) _ отсчёты передаточных характеристик каналов источник -получатель и ретранслятор - получатель, соответственно, на частоте к -й подне-сущей OFDM сигнала в момент передачи "-го символа; Л'° - спектральная плотность мощности помехи.

Используя формальную математическую аналогию с задачей многомерного кодирования, можно показать, что вероятность ошибочного приёма символа и бита при независимо замирающих по Релею сигналах в каналах источник-получатель, источник-ретранслятор и ретранслятор-получатель может быть вы-

Pser{'J) = co"s'11\-.2 1 -ГмТ , \

где *(■■■).

ражена как '' ^ 1 , где искомая функция

перенумерации сигнальных точек х< и х> созвездия источника.

Критерием построения оптимального манипуляционного кода служит минимизация символьной ошибки SER. Для небольших сигнальных созвездий допустим компьютерный перебор всех возможных вариантов перенумерации сигнальных точек с целью поиска наилучшего, минимизирующего соответствующую вероятность ошибки. Но для больших созвездий сложность такого подхода неприемлема. Показано, данная задача является разновидностью известной квадратической задачи о назначениях и в терминах теории алгоритмов является NP-трудной, для неё могут быть предложены только эвристические алгоритмы, способные с той или иной вероятностью найти решение, близкое к наилучшему. С этой целью чаще используются генетические алгоритмы, они используют подходы, основанные на понятии «приемлемости решения» и строят алгоритмы, позволяющие это решение найти.

Рассмотрение таких генетических алгоритмов, как «табу», разновидности «жадных» алгоритмов, эволюционно-генетического поиска (ВSA) определило выбор последнего, как достаточно простого по структуре, экономичного с точки зрения вычислительных ресурсов и хорошо преодолевающего проблему локальных экстремумов. Для его использования целевую функцию следует представить в виде л> -<-' , а ранжирование списка сигнальных точек на каждой итерации проводить в соответствии со значением величины

Этот алгоритм, многократно инициированный случайным образом, с большой вероятностью приводит к глобальному минимуму.

При помощи разработанного подхода были найдены оптимизированные ма-нипуляционные коды для сигнальных созвездий 16QAM, 32QAM и 64QAM, стандартно используемых в модемах КВ диапазона.

Путём имитационного моделирования проведено сравнение характеристик помехоустойчивости предложенных манипуляционных кодов с ранее

Рис.2 Характеристики помехоустойчивости системы связи, использующей предложенные манипуляционные коды, в сравнении с характеристиками систем с другими известными кодами, без трансмодуляции и без кодирования для 32<3АМ

известными, а также с полученными при помощи алгоритмов случайного поиска и «жадного» алгоритма (рис.2)

Проанализировано влияние характеристик всех трех каналов связи (источник-

ретранслятор, источник-получатель и ретранслятор-получатель) на показатели эффективности системы, использующей предложенный метод (рис.3).

Рис.3 Поверхности SER в координатах SNR каналов источник-получатель и источник-ретранслятор и в координатах SNR каналов источник-получатель и ретранслятор-получатель

В заключении подведены итоги, кратко охарактеризованы основные полученные в диссертации научные и практические результаты, указаны наиболее перспективные, по мнению автора, направления дальнейшего продолжения работ в данной области.

Основные результаты диссертационной работы, полученные в ходе теоретического анализа и моделирования следующие:

1. Предложен метод построения многоканальной модели канала связи, удовлетворяющей ограничениям, накладываемым на одноканальные модели, позволяющий производить корректное сравнение одноканальных систем с многоканальными. Разработан алгоритм её реализации на существующей аппаратной платформе, обладающий приемлемой сложностью. Актуальность решения связанна с всё более широким распространением многоканальных систем связи (MIMO, с пространственно-временным кодированием, виртуальным разнесением и кооперативной обработкой в сетях и т.д.), в том числе и в КВ диапазоне, и нерешённостью ряда задач построения адекватных моделей каналов связи для данных систем, учитывающих корреляцию сигналов и помех в отдельных подканалах.

2. Разработан ряд практических алгоритмов итеративного приёма, обладающих: приемлемой вычислительной сложностью при минимальном ухудшении

-без трансмодуляци и

™ предлагаемый вариант

- метод [8] -случ. поиск -без

1.0Е+00 1.0Е-01

1.0Е-02

1.0Е-03 ас

Ч.0Е-04 1.0Е-05

1.0Е-06

1.0Е-07

0 1 2 3 4 5 6 7 SbNR, дБ

характеристик помехоустойчивости, а также учитывающих неточность оценки характеристик канала. При помощи разработанного метода моделирования каналов получены характеристики их помехоустойчивости.

3 Разработан метод оптимизации вида манипуляционного кодирования для систем связи с кооперативным MIMO и трансмодуляцией основанный на использовании генетических алгоритмов. Его достоинством, по сравнению с ранее известными, является возможность построения кодов для многоточечных сигнальных созвездий сложной формы.

4. При помощи разработанного метода получены оптимизированные манипуляционные коды для сигнальных созвездий, стандартно используемых в КВ модемах.

Перечисленные в работе теоретические и экспериментальные результаты в совокупности решают важную научную задачу моделирования многолучевых каналов связи КВ диапазона и исследования принципов построения высокоскоростных и помехоустойчивых модемов передачи данных для них. Полученные результаты важны для улучшения оснащённости специальных служб, гражданских ведомств и коммерческого использования.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

Статьи в научных изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК:

1. Нечаев Ю.Б. Помехоустойчивость итеративных алгоритмов приема в многолучевых каналах с неточно известными параметрами/ Ю.Б.Нечаев,

A.А.Малютин, П.Н.Радько // Теория и техника радиосвязи, 2009. - Вып.4. -С.23-2В.

2. Нечаев Ю.Б. Итеративный алгоритм линейного выравнивания-декодирования, робастный по отношению к ошибкам оценок характеристик каналов связи / Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, П.Н.Радько // Инфокоммуникаци-онные технологии, 2010. - №4,- С.42-49.

3. Нечаев Ю.Б. Манипуляционные коды для систем КВ связи, использующих методы кооперативного MIMO. Часть 1. Критерии и методы построения/ Ю.Б.Нечаев, И.О.Дворжакова, А.А.Малютин, П.Н.Радько // Теория и техника радиосвязи, 2011. - №1,- С.45-54.

4. Нечаев Ю.Б. Манипуляционные коды для систем КВ связи, использующих методы кооперативного MIMO. Часть 2. Анализ характеристик помехоустойчивости/ Ю.Б.Нечаев, И.О.Дворжакова, А.А.Малютин, П.Н.Радько // Теория и техника радиосвязи, 2011. - №1- С.55-61.

5 Радько П.Н. Многоканальный имитатор многолучевого канала для исследования дуплексных и сетевых режимов/ П.Н.Радько // Вестник Воронежского государственного технического ун-та, 2011. - Т.7. - №1.- С.121-123.

Статьи в материалах и сборниках трудов научных конференций:

6. Нечаев Ю.Б. Итеративный алгоритм обработки сигналов эквалайзером, учитывающий неточность оценок характеристик многолучевого канала связи/Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, П.Н.Радько // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы докладов XIII МНТК: Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» / под ред.

B.Ф.Дмитрикова, В.А.Неганова, Г.П.Ярового, А.С.Ястребова. - СПб: Политехника, 2009. - С.З 8-39.

7. Радько П.Н. Влияние методов реализации преобразования Гильберта в имитаторе каналов связи на точность измерений характеристик помехоустойчивости тестирующей аппаратуры/ П.Н.Радько // Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике: сборник трудов международной научной конференции. - Воронеж: Междун. ин-т компьют. технологии, 2010. - 4.1.- Вып.32. - С. 142-148.

8 Nechaev Yu. В. HF-COMMUNICFTION SYSTEM WITH RETURN ENGI-NEÈ RING SATELLITE COMMUNICATION CHANNEL/ Yu.B.Nechaev,

A.A.Malyutin, D.V.Merkulov, P.N.Rad'ko // 20th Int.Crimean Conference «Microwave Telecommunication Technology» (CrriMiCo'2010), 13-17 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine, 2010. - Vol.1. - P.415-417.

9. Нечаев Ю.Б. Методы анализа устройств итеративной обработки сигналов/ Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютнн, Д.В.Меркулов, П.Н.Радько // Материалы XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC - 2010), Воронеж, 2010 г.- Воронеж: 2010,- Т.1. - С.317-327.

10. Нечаев Ю.Б. Робастный итеративный алгоритм линейного выравнивания многолучевого канала связи / Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, П.Н.Радько// Материалы XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC - 2010), Воронеж, 2010 г.- Воронеж: 2010,- Т.2 -С.1012-1022.

11. Нечаев Ю.Б. Многоканальный имитатор KB канала для исследования дуплексных и сетевых режимов, а также методов разнесенного приёма и передачи/ Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, Д.В.Меркулов, П.Н.Радько //Материалы XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2010), Воронеж, 2010 г.-Воронеж: 2010.-Т.2.-С.1022-1030.

12. Нечаев Ю.Б. Построение манипуляционных кодов для систем связи с трансмодуляцией при помощи алгоритмов эволюционно-генетического поиска/ Ю.Б.Нечаев, И.О.Дворжакова, А.А.Малютин, П.Н.Радько // Материалы 11 Международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии», Воронеж, 10-11 февраля 2011 г. - Воронеж: изд. ВГУ, 2011. - Т.2. - С.124-128.

13. Нечаев Ю.Б. Помехоустойчивость систем KB связи, использующих методы кооперативного MIMO / Ю.Б.Нечаев, И.ОДворжакова, А.А.Малютин, П.Н.Радько // Материалы XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC - 2011), Воронеж, 2011 г.- Воронеж: 2011- Т.2. - С.887-902.

14. Нечаев Ю.Б. Критерии и методы построения манипуляционных кодов для систем связи кооперативных MIMO / Ю.Б.Нечаев, И.О.Дворжакова, А.А.Малютин, П.Н.Радько // Материалы XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC - 2011), 2011 г.- Воронеж: 2011.-Т.2 .- С.874-886.

15. Nechaev Yu. В. MANIPULATION CODES DECISION FOR COMMUNICATION SYSTEMS WITH TRANS-MODULATION USING THE CONCEPT OF COOPERATIVE MIMO / Yu.B.Nechaev, A.A.Malyutin, I.O.Dvorgakova, P.N.Rad'ko // 13th International Conference «DIGITAL SIGNAL PROCESSING -DSPA-2011», Moscow, Russia, 2011. - V.XIII-1. - P.49-51.

16. Дворжакова И.О. Манипуляционные коды для систем KB связи с ретрансляцией / И.О.Дворжакова, А.А.Малютин, Ю.Б.Нечаев, П.Н.Радько // Современные телекоммуникационные системы и компьютерные сети: перспективы развития / Под ред. к.т.н., д-ра экон. наук, проф. А.А.Бабкина, д-ра техн. наук, проф. В.А.Кежаева: Труды междунар. конф. - СПб: СПбГАСУ, 2011. -С.52-69.

17. Дворжакова И.О. Моделирование работы системы KB связи с ретрансляцией / И.О.Дворжакова, А.А.Малютин, Ю.Б.Нечаев, П.Н.Радько // Современные телекоммуникационные системы и компьютерные сети: перспективы развития / Под ред. к.т.н., д-ра экон. наук, проф. А.А.Бабкина, д-ра техн. наук, проф. В.А.Кежаева: Труды междунар. конф. - СПб: СПбГАСУ, 2011. - С.69-75.

18. Нечаев Ю.Б. Сигнальные созвездия для систем ДКМВ связи с ретрансляцией / Ю.Б.Нечаев, И.О.Дворжакова, А.А.Малютин,, П.Н.Радько // МНТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2011, секция «Про-станственно-временные методы обработки сигналов и полей в локации и радиосвязи» , г. Таганрог - г.Дивноморск, 2011.-С.499-503.

19. Радько П.Н. О возможности применения итеративных методов частотно-эффективной кодированной модуляции в высокоскоростных KB модемах/ П.Н.Радько// Международная научно-практическая конференция «Общественная безопасность, защита и правопорядок в III тысячелетии»: сборник материалов. Ч.З. Естественные, математические и технические науки. -Воронеж: Воронежский ин-т МВД России, 2010. -С.140-145.

20. Нечаев Ю.Б. Помехоустойчивость систем ДКМВ связи с ретрансляцией / Ю.Б.Нечаев, И.О.Дворжакова, А.А.Малютин,, П.Н.Радько // МНТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2011, секция «Простанст-венно-временные методы обработки сигналов и полей в локации и радиосвязи», г. Таганрог- г.Дивноморск, 2011. - С.495-498.

21. Нечаев Ю.Б. Моделирование работы системы связи с MIMO / Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, И.О.Дворжакова, П.Н.Радько // 21th International Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo'2011) Conference Prociedings. September 12-17, 2011. - Sevastopol: Weber Publishing, 2011. - V.l. - P.

22. Нечаев Ю.Б. Манипуляционные коды для систем связи с MIMO / Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, И.О.Дворжакова, П.Н.Радько // 21th International Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo'2011) Conference Prociedings. September 12-17, 2011. - Sevastopol: Weber Publishing, 2011. - V. 1. - P.

23. Нечаев Ю.Б. Манипуляционное кодирование для сетей KB связи / Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, И.О.Дворжакова, П.Н.Радько // МНТК «Компьютерные науки и технологии», Белгород, 2011.

24. Нечаев Ю.Б. Моделирование работы сетей KB связи / Ю.Б.Нечаев, А.А.Малютин, И.О.Дворжакова, П.Н.Радько // МНТК «Компьютерные науки и технологии», Белгород, 2011.

Патенты на изобретения и полезные модели:

25. Плоская антенна: пат. на изобретение № 2435260 Рос. Федерация / Нечаев Ю.Б.(РФ), Климов А.И. (РФ), Хохлов Н.С. (РФ), Юдин В.И. (РФ,) Радько П.Н. (РФ; заявитель и патентообладатель: ОАО «Концерн «Созвездие»; опубл. 27.11.2011.

26. Имитатор KB канала с ППРЧ: пат. на полезную модель №101298 РФ/ А.А.Малютин, Ю.Б.Нечаев, Д.В.Меркулов, П.Н.Радько; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «Созвездие»,- №2010123578/09(033560); заявл. 11.01.2010.

27. Имитатор спутниковой системы связи: пат. на полезную модель №106011/ А.А.Малютин, Ю.Б.Нечаев, Д.В.Меркулов, П.Н.Радько; заявители и патентообладатели А.А.Малютин, Ю.Б.Нечаев, Д.В.Меркулов, П.Н.Радько. -№2011104199108; опубл. 04.03.2011.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

28. Имитатор спутникового канала связи: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ /А.А.Малютин, Ю.Б.Нечаев, Д.В.Меркулов, П.Н.Радько. - №2011610701; заявл. 07.02.2011; внесена в Реестр программ для ЭВМ 31.03.2011; per. №2011612649.

29. Имитатор КВ-УКВ каналов: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А.А.Малютин, Ю.Б.Нечаев, Д.В.Меркулов, П.Н.Радько. - №2011610737; заявл. 07.02.2011; внесена в Реестр программ для ЭВМ 27.05.2011; per. №2011614166.

Подписано в печать 23.01.12. Формат 60*84 '/|б. Усл. псч. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 53.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ МНОГОЛУЧЕВУЮ СРЕДУ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ

«Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Нечаев Юрий Борисович

61 12-1/591

На правах рукописи

Радько Павел Николаевич

Специальность 05.13.18

Диссертация

Воронеж, 2011

Оглавление

Введение 4 Глава 1 Моделирование многолучевых каналов связи. Общие подходы и особенности их реализации с учётом современных требований......................................................................... 19

1.1 Модели и методы математического описания каналов KB связи 19

1.1.1 Цели и задачи имитационного моделирования коротковолновых каналов связи.............................................. 19

1.1.2 Математическое описание многолучевых каналов связи и основные определения.......................................................... 21

1.1.3 Модели каналов связи KB диапазона: их достоинства и недостатки......................................................................... 26

1.2 Принципы построения имитаторов каналов KB связи............... 39

1.2.10собенности технической реализации имитаторов KB каналов 39

1.2.2 Влияние методов реализации математической модели на исследуемые характеристики аппаратуры связи........................... 46

1.2.3 Влияние методов реализации преобразования Гильберта......... 47

1.3 Особенности учёта современных методов обработки сигналов при построении имитаторов каналов связи................................. 51

1.4 Методы построения многоканальных имитаторов каналов KB связи для исследования дуплексных и сетевых режимов, а также

методов разнесённого приёма и передачи.................................. 58

Выводы по главе 1............................................................. 66

Глава 2 Методы моделирования работы устройств итеративной обработки сигналов.............................................................. 69

2.1 Полуаналитический метод оценки BER по диаграммам EXIT charts................................................................................. 82

2.2 Метод оценки взаимной информации по неизвестному сигналу 84

Выводы по главе 2 98 Глава 3 Особенности современных методов обработки в КВ модемах. Итеративный алгоритм линейного выравнивания-декодирования, робастный по отношению к ошибкам оценок характеристик канала связи.................................................... 100

3.1 Постановка и формальное математическое описание рассматриваемой задачи........................................................ 100

3.2 Расчёт условной плотности вероятности распределения компонент вектора ИХ канала и корреляционной функции отсчётных значений шума при известных величинах их оценок....... 110

3.3 Оценка вычислительной сложности алгоритма и методы её уменьшения........................................................................ 112

3.4 Упрощенные робастные алгоритмы...................................... 113

Выводы по главе 3.............................................................. 118

Глава 4 Моделирование сетей КВ связи, включая сети, использующие принципы «кооперативного» MIMO..................... 119

4.1 Введение и постановка задач............................................. 119

4.2 Манипуляционные коды для систем КВ связи, использующих методы кооперативного MIMO............................................... 125

4.3 Моделирование сетей связи с кооперативным MIMO. Анализ

характеристик помехоустойчивости.......................................... 137

Выводы по главе 4.............................................................. 153

Заключение....................................................................... 155

Библиографический список................................................. 157

Введение

В недавнем прошлом, благодаря возможности дальнего распространения сигнала, KB связь являлась основным видом магистральной радиосвязи. Впоследствии она уступила свои позиции системам связи более высокочастотных диапазонов, в первую очередь, из-за невозможности значительного повышения скорости передачи данных, и стала переходить в разряд резервных видов связи.

В настоящее время в мире наблюдается возрождение KB связи, что связано, в основном, с прогрессом в области реализации сложных алгоритмов обработки сигнала при помощи DSP и ПЛИС.

Это, в свою очередь, привело к востребованности новых алгоритмов обработки сигналов, видов модуляции и кодирования. Известно, что в системах KB связи оказываются реализуемыми самые современные методы, которые ещё только ждут своей очереди для использования в системах связи других частотных диапазонов. Это связано с относительно небольшой полосой частот используемых сигналов, невысокой скоростью передачи данных, а также тем, что условия распространения сигналов в данном диапазоне являются одними из самых сложных, характеризуются значительной многолучёвостью, сложным характером замираний и разнообразием помеховой обстановки.

В настоящее время в системах связи KB диапазона происходит переход от систем связи с частотной и относительной фазовой модуляцией к системам связи, использующим амплитудно-фазовые методы модуляции и сложные сигнально-кодовые конструкции в сочетании с современными итеративными методами обработки сигналов как последовательными (с использованием турбо эквалайзеров), так и параллельными (OFDM) модемами.

Очевидно, что достижение новых рубежей в области KB связи (будь то радикальное повышение скорости передачи данных и/или повышение помехоустойчивости) невозможно без использования каких-либо новых особенностей канала распространения, неучтённых или недостаточно точно

отражённых в прежних моделях канала. Следовательно, построение модели KB канала должно быть первым этапом работ по разработке аппаратуры KB связи, если в ней (разрабатываемой аппаратуре) предполагается использование каких-либо новых принципов или планируется достичь лучших, чем у прежней аппаратуры, характеристик. Причём, построение модели должно проводиться с учётом требований разработчика системы связи, так как обязательно должно отражать именно те особенности канала, которые он планирует использовать при проектировании новой аппаратуры.

Существующие в настоящее время модели KB канала хорошо приспособлены для использования с традиционно применяемыми в KB системах связи методами формирования и обработки сигналов, но не всегда отражают те особенности реального канала, которые важны при использовании новейших методов. Вот почему актуальна задача модификации известных или разработки новых моделей канала KB связи, удовлетворяющих современным требованиям.

Исследованию вышеназванных вопросов посвящено достаточно большое количество работ. Среди отечественных авторов можно выделить труды по методам моделирования KB каналов Иванова В.А. Иванова Д.В., Рябовой Н.В. Исследованиям по построению имитаторов каналов связи и использованию итеративных методов обработки посвящены недавние работы Нечаева Ю.Б., Малютина А. А. и др. Большой вклад внесли следующие зарубежные авторы M.Patzold, M.Tuchler, S. ten Brink, J. Hagenauer, J.Nieto, R.Otnes, F. S chreckenbach.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи -исследованию и совершенствованию методов моделирования многолучевых каналов связи, принципов построения программно-аппаратных имитаторов каналов связи и совершенствованию с их помощью алгоритмов и устройств формирования и обработки сигналов, в первую очередь, модемов передачи данных.

Целью работы является разработка методов моделирования многолучевых каналов связи, алгоритмов обработки сигналов в программно-аппаратных имитаторах каналов, включая многоканальные, и использование полученных результатов для совершенствования устройств и систем связи, предназначенных для передачи информации по многолучевым каналам, включая многоантенные (MIMO).

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка моделей и численных методов моделирования многолучевых каналов КВ связи, пригодных для анализа характеристик многоканальных и многоантенных (MIMO) сетей и систем связи, использующих современные методы модуляции (включая амплитудно-фазовые) и кодирования (включая итеративные методы, основанные на «турбо» принципах), когерентный приём, пространственно-временное кодирование, рассчитанное на применение многоантенных режимов приёма и/или передачи.

2. Исследование влияния методов реализации математических операций цифровой обработки сигналов в имитаторе канала связи на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры, оптимизация структуры и параметров функциональных блоков при программно-аппаратной реализации имитатора.

3. Разработка численных методов моделирования устройств итеративной обработки сигналов для КВ модемов передачи данных.

4. Разработка математических алгоритмов обработки сигналов турбо эквалайзером последовательного модема, обладающих приемлемой вычислительной сложностью реализации, устойчивых к погрешностям из-за конечной точности выполнения вычислений, учитывающих неточность оценок характеристик канала.

5. Разработка методов манипуляционного кодирования для многоантенных систем с кооперативным MIMO.

6. Создание программно-аппаратного комплекса по моделированию работы систем и сетей КВ связи и проведение численных экспериментов с целью оптимизации их параметров.

Объект исследования - многолучевые каналы связи и их программно-аппаратные имитаторы; предмет исследования - модели, численные методы моделирования многолучевых каналов связи, алгоритмы обработки сигнала в программно-аппаратных комплексах, их реализующих.

Методы исследования. При проведении работы использовались методы: теории вероятностей, математической статистики, статистической теории связи, теории информации, эволюционных вычислений, компьютерное моделирование, математическое моделирование, теория алгоритмов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель, численный метод моделирования многолучевого многомерного канала связи для исследования режимов разнесенного приёма, дуплексного режима, ретрансляции и MIMO, а также алгоритмы функционирования многоканального программно-аппаратного имитатора канала связи, обладающие невысокой сложностью, реализующие с их помощью предложенную модель.

2. Результаты анализа влияния методов реализации численных математических операций цифровой обработки сигналов в имитаторе канала связи на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры. Методика выбора структуры и оптимизации параметров функциональных элементов построения имитатора на основе вышеназванных результатов.

3. Модифицированный вариант численного метода полуаналитического моделирования устройств итеративной обработки сигналов на основе технологии EXIT-chart, не требующий предварительного знания передаваемой информационной последовательности.

4. Результаты анализа влияния погрешностей оценок канала связи на характеристики помехоустойчивости модемов передачи данных по многолучевым каналам и итеративный алгоритм работы эквалайзера последовательного модема, робастный по отношению к ошибкам оценок параметров канала связи. Два варианта реализации данного алгоритма, обладающие невысокой вычислительной сложностью.

5. Численный метод оптимизации вида манипуляционного кодирования для КВ систем связи с кооперативным MIMO и трансмодуляцией, основанный на использовании алгоритмов эволюционно-генетического поиска.

6. Программно-аппаратный комплекс и результаты вычислительных экспериментов по оценке характеристик помехоустойчивости систем и сетей КВ связи, включая сети связи с «кооперативным» MIMO, ретрансляцией и трансмодуляцией и методика оптимизации территориального размещения узлов ретрансляции на основе данных результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложенная модель каналов КВ связи и способы её аппаратной и программной реализации, в отличие от известных, учитывают особенности канала связи, вытекающие из необходимости использования спектрально-эффективных методов модуляции, когерентного приёма и необходимости корректного исследования так называемых «медленных» алгоритмов многопараметрической адаптации (по виду и скорости кодирования, типу модуляции): 1) наличие «медленных» замираний сигнала неинерференционной природы; 2) влияние помех по соседнему каналу, не попадающих в полосу частот полезного сигнала, но лежащих в полосе частот преселектора приёмника; 3) влияние АРУ приёмника.

2. Проведённый анализ влияния методов реализации операций цифровой обработки сигналов в имитаторе канала связи на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры, в отличие от известных, позволяет оптимальным образом производить выбор структуры имитатора и оптимизацию параметров составляющих её элементов.

3. Предложенный вариант модификации численного полуаналитического метода моделирования устройств итеративной обработки отличается обобщением известного метода на случай неточного знания принимаемой информационной последовательности.

4. Предложенный итеративный алгоритм обработки сигнала приёмным устройством модема обладает лучшими характеристиками помехоустойчивости

при неточной оценке импульсной характеристики многолучевого канала связи и включает в себя как частные случаи ранее известные варианты решения задачи.

5. Предложенный численный метод оптимизации вида манипуляционного кодирования для систем связи с кооперативным MIMO и трансмодуляцией, в отличие от ранее известных, позволяет проводить оптимизацию манипуляционного кода для сигнальных созвездий большого размера и сложной непрямоугольной формы.

6. Разработанный программно-аппаратный комплекс и результаты вычислительных экспериментов по оценке характеристик помехоустойчивости систем и сетей КВ связи, включая сети связи с «кооперативным» MIMO, ретрансляцией и трансмодуляцией и методика оптимизации территориального размещения узлов ретрансляции на основе данных результатов позволили установить закономерности по оптимальному размещению промежуточных узлов ретрансляции в КВ сети.

Практическая ценность заключается в том, что:

1. Предложенные модифицированная модель каналов КВ связи, численный метод моделирования многомерных многолучевых каналов КВ связи с использованием результатов анализа влияния методов реализации операций цифровой обработки сигналов в имитаторе на точность измерения характеристик тестируемой аппаратуры позволили практически разработать многоканальный имитатор канала, пригодный для моделирования работы сети корреспондентов, дуплексных режимов связи, а также разнесённых приёма и передачи.

2. Анализ влияния методов реализации преобразователя Гильберта высокочастотного входного сигнала на показатели измерений показал, что наилучшей с точки зрения минимизации искажений является структура в виде цифрового КИХ фильтра 3 или 4 типа, спроектированного методом Мак-Келлана. Применение БИХ фильтров оправдано лишь для дуплексных режимов систем связи с целью минимизации задержек сигнала в имитаторе.

3. Предложенный вариант модификации численного полуаналитического метода моделирования устройств итеративной обработки на основе технологии EXIT-chart, не требующий предварительного знания передаваемого информационного сигнала, может быть использован не только на этапе проектирования вышеназванных устройств с целью выбора их наилучшей структуры и оптимизации параметров, но и применён в устройстве управления выбором параметров в процессе многопараметрической адаптации системы связи непосредственно в процессе её эксплуатации.

4. Предложены практические алгоритмы обработки сигнала, обладающие меньшей чувствительностью к погрешностям оценок характеристик канала связи, которые могут быть использованы в высокоскоростных КВ модемах передачи данных следующего поколения систем КВ связи.

5. При помощи предложенного численного метода оптимизации вида манипуляционного кодирования разработаны манипуляционные коды для стандартно используемых в КВ системах связи сигнальных созвездий в случае применения методов кооперативного MIMO и трансмодуляции.

6. Разработанный метод моделирования многоканальных режимов работы позволил исследовать влияние характеристик отдельных каналов связи, образующих систему связи с кооперативным MIMO, на показатели её качества в целом и разработать методику оптимизации территориального расположения узлов ретрансляции.

Область исследования. Область исследования и содержание диссертации соответствует формуле специальности 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» (физико-математические науки), область исследований соответствует п.4 «Разработка, обоснование и тестирование эффективности численных методов с применением ЭВМ», п.5 «Реализа