автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Обработка сигналов на фоне негауссовых помех в информационно-телекоммуникационных системах и сетях

На правах рукописи

ШЕВЦОВ Вячеслав Алексеевич

ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ НАФОНЕ НЕГАУССОВЫХ ПОМЕХ В ИНФОРМАЦИОННО - ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете)

Научный консультант:

доктор технических наук Громаков Юрий Алексеевич Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Чабдаров Шимль Мидхатович Доктор технических наук Слока Виктор Карлович . Доктор технических наук Перов Александр Иванович Ведущая организация: НИИ Радио, г. Москва

Защита состоится «17» июня 2004 г. в 15.30 в ауд. А-402 на заседании диссертационного совета Д212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета). Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250 Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан « 14_2> мая 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совет

Д212.157.05

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ НА ФОНЕ НЕГАУССОВЫХ ПОМЕХ В ИНФОРМАЦИОННО-

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ и направлена на решение актуальной научно-технической задачи — повышения эффективности выделения полезных сигналов на фоне мешающих сигналов и помех, обладающих как гауссовым, так и негауссовым нестационарным и не изотропным многомерным распределением вероятностей.

Актуальность проблемы.

Одной из важнейших проблем развития современных радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных систем является загруженность частотного диапазона. Частотный ресурс в современном информационном обществе становится не менее важным природным ресурсом, чем ресурс энергоносителей. Это связано с бурным развитием систем радиосвязи как фиксированной, так и мобильной, развитием спутниковых, наземных и интегрированных телекоммуникационных технологий, развитием многофункциональных радиоэлектронных систем радиомониторинга и позиционирования. На повестку дня встают проекты увеличения скорости и объемов обмена информацией в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и, как следствие, расширение полосы передаваемых сигналов. В области мобильной радиосвязи разрабатываются проекты создания систем поколения «IMT - 2000 and beyond» со скоростями передачи данных от 144 кбит/с для высокомобильных абонентов до 2,048 Мбит/с - для стационарных, увеличения объема передаваемой мультимедийной информации. Развиваются беспроводные локальные, а также мобильные мультимедийные сети связи ММАС использующие OFDM -модуляцию, поддерживающие скорость передачи данных до 54 Мбит/с на несущих, близких к 5 ГТц. Среди кандидатов для создания будущей интегрированной системы связи рассматриваются: сети мобильной связи (Mobile Networks); сети fiirnrmnmnfi -Фиггпрптпнппи р^илгия™ (Fixed

I Рос. национальная/

3| EHEJIHOTEM^^I

Wireless Networks); беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Networks); сети цифрового радио (DAB), а также телевизионного наземного и спутникового вещания (DVB-T, DVB-S). Одним из важнейших направлений, как в радиосвязи, так и в радиолокации, является создание сверхширокополосных радиосистем: В радиолокации это направление связано с созданием принципиально новых высокоинформативных систем радиомониторинга, а в радиосвязи с созданием высокоинформативных систем передачи данных, речи и мультимедиа, работающих в совместных полосах частот с другими радиотехническими; системами. Остаются на повестке дня проблемы присущие всем радиоэлектронным информационно-телекоммуникационным системам, - это проблемы борьбы с замираниями сигналов, проблемы многолучевого распространения, наличия вне-полосных излучений и внутрисистемных шумов и помех в радиосвязи (последнее особенно актуально для систем связи с кодовым разделением каналов - CDMA), проблемы борьбы с шумами и помехами в радиолокации и радионавигации.

Успешное решение задач по созданию и внедрению новых радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных систем не возможно без применения высокоэффективных методов обработки сигналов на фоне шумов и помех, описание которых, зачастую, не поддается традиционно применяемому гауссовому закону распределения вероятностей. Диссертационная работа направлена на решение актуальной научно-технической задачи - развитие методов обработки сигналов на фоне помех в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Состояние исследований по проблеме Исследованию проблем помехоустойчивости радиотехнических систем и, в частности, теории и методам обработки сигналов на фоне шумов и помех, посвящено большое количество публикаций. Исследованию моделей негауссовых помех посвящены работы: Ф.Е. Фальковича, Э. Сэй-

джа, Г. Уилкинсона, Б.Р. Левина (прямые вероятностные модели); П.Л. Бакута, В. Шварца, Я.Д. Ширмана, В.И. Тихонова (локально-вероятностные модели); А.Н. Малахова, Ю.П. Кунченко, Дж. Менделя (моментно-кумулянтные модели); Р.Л. Стратоновича, Ю.Г. Сосулина, (марковские модели); А.А. Колосова, Ш.М. Чабдарова, Н.З. Сафиуллина,

A.Ю. Феоктистова (полигауссовы модели); Д. Хьюбера, В.И. Мудрова и

B.Л. Кушко (родственные полигауссовым модели). Большое внимание исследователей посвящено методам оптимизации радиосистем, работающих в условиях шумов и помех. Я.Д. Ширманом предложены и исследованы высокоэффективные методы сжатия сигналов и квадратурной автокомпенсации помех в радиолокации.

В качестве наиболее всеобъемлющего обобщения полученных к настоящему времени результатов в этой области следует отметь справочник «Радиоэлектронные системы» под редакцией профессора Я.Д,. Шир-мана и учебное пособие «Информационные технологии в радиотехнических системах» под редакцией профессора И.Б. Федорова. В этих книгах приведена подробная классификация и оценка состояния исследований в области теории и методов построения радиотехнических информационных и телекоммуникационных систем, приведена классификация моделей и шумов, действующих в радиоканале, рассмотрены основные критерии оптимизации систем, приведена классификация методов приема сигналов на фоне негауссовых помех, описаны методы компенсации помех, используемые в радиолокации. Дальнейшее развитие описанных проблем нашли в трудах И.А. Голяницкого, которым получены многомерные распределения вероятностей совокупности модулированных сигналов на фоне помех и их нелинейно-инерционной фильтрации, получены оптимальные адаптивные многопозиционные пространственно-временные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех с их компенсацией, развиты методы анализа эффективности радиолокационных систем. Кроме того, все перечисленные результаты в основном направлены на оптимизацию радиолокаци-

онных систем. В настоящее время, в связи с бурным развитием систем телекоммуникаций, радиосвязи, интеграцией их в многофункциональные информационно-телекоммуникационные системы, актуальным является развитие исследований в области эффективной обработки сигналов на фоне негауссовых нестационарных и неизотропных в пространстве шумов и помех и мешающих сигналов. Цель диссертации

Цель диссертационной работы заключается в развитии теории и разработке методов оптимальной обработки сигналов на фоне гауссовых и негауссовых помех в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и сетях. Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены следующие научные задачи: Задачи диссертации

• Исследование свойств нелинейных метрических пространств сигналов, существенно влияющих на эффективность процедур их обработки;

• Исследование многомерных распределений вероятностей совокупности сигналов и помех с учетом многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиггера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;

• Развитие методов компенсации мешающих сигналов и помех в системах радиосвязи, действующих в условиях многолучевого распространения радиоволн;

• Разработка эффективных пространственно--временных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с FDMA, FDMA и CDMA;

• Разработка эффективных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с учетом действия негауссовых помех, насыщенной электромагнитной ситуации и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;

• Оценка эффективности разработанных алгоритмов и адекватности предложенных моделей сигналов и помех.

Научная новизна заключается в развитии теории и методов оптимальной обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях, в вопросах технического и прикладного характера применительно к сетям мобильной радиосвязи стандартов «IMT-2000 and beyond», радиолокации и радиопротиводействию. К новым полученным результатам относятся:

1. Исследования свойства метрических пространств при аналоговой и цифровой обработке сигналов на фоне негауссовых помех и исследования особенностей границ областей принятия решений.

2. Разработка алгоритмов оптимальной обработки сигналов в больших информационно - телекоммуникационных системах и сетях при обнаружении сигналов, оценке их параметров и идентификации (различении и разрешении) при использовании процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

3. Исследования области практической применимости критериев оптимальности больших систем с оценкой их преимуществ и недостатков при оптимизации информационно-телекоммуникационных систем и сетей.

4. Исследования пространственно-временных адаптивных алгоритмов оптимальной обработки сигналов на фоне негауссовых нестационарных и не изотропных в пространстве помех с учетом проблемы электромагнитной совместимости радиосистем, многолучевости распространения сигналов, а также эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций.

5. Синтез систем синхронизации информационно-телекоммуникационных сетей с учетом помех и мешающих сигналов, и статистический анализ эффективности процедур синхронизации, используемых в сетях радиосвязи и радиолокационных системах, при отсутствии и наличии процедуры компенсации помех и мешающих сигналов.

6. Выводы о том, что компенсация помех и мешающих сигналов позволяет увеличить соотношение сигнал/помеха не менее чем на 25 - 30 дБ, не-

линейная обработка, наряду с согласованной фильтрацией - на 20 -25 дБ, адаптация - на 15 -20 дБ, с указанием технических ограничений и возможных перспективных решений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методы описания функций разграничения в пространстве сигналов информационно-телекоммуникационных систем, функционирующих в условиях действия негауссовых помех, на основе евклидовой метрики.

2. Области применимости критериев оптимизации информационно -телекоммуникационных систем.

3. Методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно -телекоммуникационных системах в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

4. Методы синхронизации информационно--телекоммуникационных сетей на основе компенсации рассогласования частотно-временных параметров узлов.

5. Статистические характеристики смеси сигналов и негауссовых нестационарных помех, используемые при оптимизации характеристик обнаружения сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в совершенствовании устройств и методов обработки сигналов на фоне помех в информационно-телекоммуникационных системах и сетях. В силу общности использованных в работе математических моделей ее результаты применимы при анализе и синтезе технических решений в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, в телекоммуникационных и вещательных сетях.

Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно - телекоммуникационных системах при идентификации сигналов

и синхронизации сетей с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

Исследованы области практической применимости критериев оптимальности в теории больших информационно - телекоммуникационных систем на базе обобщенной теории статистических решений.

Предложены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех в активно-пассивных радиолокационных системах и сетях радиосвязи в условиях электромагнитной совместимости радиосистем, в условиях многолучевости распространения сигналов в радиоканале и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем.

Найдены показатели эффективности реально используемых систем синхронизации в радиосвязи и радиолокации с применением процедур компенсации мешающих сигналов и помех в радиоканале.

Предложены новые, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ, устройства и способы обработки сигналов в многофункциональных информационно-телекоммуникационных системах.

Реализация результатов Результаты диссертационной работы использованы при проведении хоздоговорных научно-исследовательских работ, выполняемых по заказам предприятий НПО «Алмаз», ОАО «Корпорация «Фазотрон - НИИР», ФГУП НИИ Точных Приборов и др., а также госбюджетных работ в рамках проектов по инновационным и научно-техническим программам и Единого заказ-наряда Министерства образования РФ, где автор является научным руководителем и ответственным исполнителем НИР. Результаты работы внедрены на предприятиях ФГУП НИИ ТП, НПО «Алмаз», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ОАО «Корпорация «Фазотрон — НИИР». Результаты работы внедрены в учебный процесс на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ при подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника».

Достоверность практических и научных результатов Достоверность теоретических результатов в области исследования методов обработки сигналов на фоне помех в информационно-телекоммуникационных системах и сетях обоснована корректным использованием теории статистических • решений, теории матриц и случайных процессов, методов динамического программирования и нелинейной многокритериальной оптимизации, обоснованностью и корректностью необходимых преобразований, а также сопоставлением результатов решения задач с известными методами и результатами. Основные теоретические и практические результаты подтверждены имитационным моделированием, экспериментами и внедрением при проведении научно-исследовательских работ и разработок на предприятиях связи и Российского агентства по системам управления.

Апробация работы Материалы диссертационной работы обсуждались на Всесоюзной конференции «Информационно-телеметрическое обеспечение АСУ КА» (Ленинград, ВИКИ им. А.Ф: Можайского, 1982 г.), на конференции «Совершенствование средств связи на основе внедрения световолоконной и микропроцессорной техники» (Кишинев - 1986 г.), на научно-технических конференциях Московского авиационного института (Москва с 1982 по 2003 г.г.), на Всесоюзной конференции «Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов» (Рига, -1983г.), на 8-ой Международной конференции «Информационные технологии в образовании» (Москва 1996 г.), на 4-ой Международной конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды» (Москва 1998г.), на Третьей Международной конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж 1999г.), на Второй научно-технической конференции «Развитие теории и техники сложных сигналов» (Москва - 1983г.), на 8 Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы информа-

ционной безопасности в системе высшей школы» (Москва 2001г.), обсуждались на научно-технических совещаниях в ОАО «Мобильные ТелеСис-темы»в2001 -2004г.г.

Публикации

По результатам исследований и разработок, представленных в диссертации, опубликовано 35 печатные работы (6 без соавторов), в том числе 2 монографии, 7 статей, 2 депонированные рукописи, 1 учебно-методическая работа, 13 патентов и авторских свидетельств 10 тезисов и материалов конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Объем диссертации составляет 306 страниц основного текста, 72 рисунка, 16 таблиц и списка цитируемой литературы из 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются ее цели, кратко излагаются основные решаемые задачи и полученные результаты, включая новизну, практическую ценность выполненных исследований и разработок, приводятся выносимые на защиту научные положения.

В главе 1 с общих позиций функционального анализа и теории обобщённых функций рассмотрены вопросы метрических пространств и теории проектирования (аппроксимации). Показано, что для пространства непрерывных функций области Дирихле (рис. 1, 2) являются квадратами со сторонами, параллельными осям координат, для дискретно-непрерывных функций области Дирихле - есть круги и соответствующая метрика является энергетической. В пространстве цифровых сигналов и кодов области Дирихле - также квадраты, но с диагоналями, расположенными по осям координат. В трехмерном пространстве соответствующие области есть октаэдр, шар и куб. В любом случае пространства разбиваются на подпространства 1раницами, трудно поддающимися аналитиче-

скому описанию, что в свою очередь приводит к проблемам выбора пороговых функций при оценке качества обработки сигналов и при вычислении ошибок приема.

Рис. 1 ПространстваХэммин- Рис.2 Области Дирихле для то-

гя(р = 1), чекА,В,С,вметрикеЭвкли-

Эвклидово (р = 2), да (р = 2) обобщенно шаровое (р = оо)

Упрощение задачи дается теорией многомерной аппроксимации сигналов,

являющейся базой для построения процедуры компенсации мешающих

сигналов и помех, как аналоговых, так и цифровых.

Найдены ошибки аппроксимации по критерию минимума средне-

квадратической ошибки (МСКО), которые описываются выражением:

Ошибка 5 = 0 при модуле коэффициента корреляции р = 1, откуда получаем два уравнения связи для модулей и фаз коэффициентов аппроксимации:

Таким образом, получены ограничения на коэффициенты аппроксимации, т.е. условия эффективной компенсации:

ап=МТГ' У" =Фп±271к' n = 1'N, к = 0,1, 2,...,

(3)

•!сш

В целом показано, что как для аналоговых, так и для цифровых сигналов наиболее адекватной задачам обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях является квадратичная метрика энергетического типа, в точности сопрягаемая с физическим существом задачи приема только при наличии помех с многомерными совместными гауссовыми распределениями вероятностей. Для негауссовых помех квадратичная метрика не является наилучшей, но позволяет значительно упростить квазиоптимальные алгоритмы обработки сигналов и уменьшить вычислительные проблемы.

В главе 2 проведена классификация информационно-телекоммуникационных систем. Показано, что с точки зрения обработки сигналов к большим информационно-телекоммуникационным системам могут быть отнесены сети и системы радиосвязи с временным (TDMA), частотным (FDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов, сети мобильной радиосвязи систем поколения «IMT - 2000 and beyond». После обзора известных методов экстремизации (теории игр, условной оптимизации Понтрягина и др.) с позиции обобщенной теории среднего риска разработаны процедуры эффективной идентификации и управления

структурой среднего риска. Минимизация риска R проводится по множеству решений Л с использованием условных рисков р:

Эта задача сводится к стандартной задаче выпуклого линейного программирования для поиска П2 неизвестных ау

Мах(-R), Lk(ä)-rk>0, -Lk(ä)+rk<0, k = bN, (5)

а

где равенства rk расщепились на 2N неравенств.

На основе результатов главы 1 исследованы процедуры оптимизации обобщенной теории среднего риска и показана эффективность методов безусловной оптимизации для разнообразных условий приема.

Приведена геометрическая интерпретация полученным результатам. Вместо классической рабочей характеристики приемника (РХП) использована зависимость вероятности пропуска Рпр от вероятности ложной тревоги

Рлт (рис. 3 я), которая в отличие от РХП имеет положительную вторую производную при S Ф 0. Тогда средний риск:

i \ [рлт» Po

* = РлтРо+РпрР| =ibPo+ri(l-Po)> MaxR=< , (6)

1/пр> Po

где Р| — априорная вероятность наличия сигнала, а Tj =0,1,2 — условные риски, которые при простой функции потерь в двухальтернативном случае дают (6). Показано, что при отсутствии (или очень малых сигналах) многомерный риск:

и имеет область определения в виде правильного выпуклого многогранника — симплекса с вершиной в начале координат, отсекающего на координатных

осях отрезки —, I = (рис. 3 б).

Рис.3

а) Функциональная связь Рпр = ф(Рлт) б) Многомерный риск есть

симплекс

Показано, что в общем случае стратегии minR являются рандомизированными, ибо не принадлежат вершинам симплекса. Показано также, что многократное применение оператора (mM)2R = P^T приводит систему в точку С (рис.3 а). Таким образом, ответ на стратегию S*0 сводится к увеличению мощности шума до тех пор, пока не исчерпаются ресурсы, т.е. пока не установится игровая ситуация, что, как было установлено, наблюдается крайне редко. В N-альтернативном случае анализ усложняется, но минимаксные стратегии лежат на главной биссектрисе Б пространства условных рисков (см. рис. 3

б), которая пересекает гиперплоскость ошибок в точке F. Таким образом, доказано, что стратегия минимакса, (тем более многократного) приводит к значительному увеличению условных и среднего рисков по сравнению со случаем оптимизации по критерию минимума условного среднего риска min R = h.

Кроме того, в главе 2 исследована эффективность методов компенсации с помощью метода коллокаций. Вычислены ошибки компенсации

помех по критерию минимума среднеквадратичной ошибки (МСКО) с экстремизацией процедуры компенсации при выделении сложных сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Проведены расчеты коэффициентов подавления помех при оптимальных (не менее 25 дБ) и неоптимальных модуле и фазе весового коэффициента.

На рис. 4 приведены кривые характеристик обнаружения с компенсацией при различном . числе N сигналов в пачке CDMA. Показано, что применение процедур компенсации позволяет существенно повысить эффективность сетей

Рис. 4 Характеристики обнаружения с

мобильной радиосвязи стандартов «IMT-2000 and beyond». компенсацией помех

В главе 3 с позиции классической теории статистических решений, исследована проблема обнаружения различных видов сигналов (известного, с неизвестной начальной фазой и флуктуирующей амплитудой) связанная со сложностью аналитического описания вероятностей ошибок и аналитического описания границ областей принятия решений при использовании условных распределений вероятностей. Применение критерия минимума среднего риска А. Вальда приводит к известному отношению правдоподобия:

_ f,(Y) _ f(Y„...YK/S„..^K) f(Y/S) % _Р2_ П^ f2(Y)_ f(Y„...YK/0,...0) ~ f(Y/0) < ~ P[ n2i'

(7)

которое резко упрощает процедуру вычисления ошибок первого и второго

рода по причине редукции многомерных пространств к одномерным: =0 00

Р.1Т= /Г0(л)с1А, Рпо= /^(л)ёл, (8)

здесь ГП(Л) - плотности вероятностей реализации на входе (в отсутствии сигнала - п =0 и при его наличии - п=1).

Исследованы области применимости критериев Неймана-Пирсона, Зигерта-Котельникова и минимаксных критериев в задачах радиосвязи и радиолокации. Показано, что в больших информационно-телекоммуникационных системах возникает большое количество ситуаций, когда критерии классической теории статистических решений недостаточны по причине многокритериальности показателей качества. Рассмотрены преимущества и недостатки известных критериев оптимальности: минимаксного Сэвиджа, Вальда, Дж. Фон Неймана, взвешенного критерия Гурвица, принципа доминирования Парето. Сделан вывод о том, что в силу априорной неопределенности условных и безусловных распределений вероятностей, а также величин функций потерь (штрафов) в теории больших информационно-телекоммуникационных систем наиболее эффективно применять минимаксные критерии Дж. Фон Неймана, а также принцип гарантированного результата Гермейера.

Показано, что применение обобщенного критерия минимума среднего риска в задачах позиционирования абонентов систем мобильной связи, действующих в условиях многолучевого распространения радиоволн, позволяет избежать потерь абонентов.

В главе 4 введено определение активных, пассивных и активно -пассивных систем в радиосвязи и радиолокации, описываемой блочной матрицей авто- и взаимно корреляционных функций (АКФ) и (ВКФ):

Сформулирован основной принцип использования совместных многомерных распределений вероятностей гауссовых случайных процессов:

(где Шу и гпх есть векторы средних значений (У) и (X)) с многоступенчатой процедурой расщепления общей блочной матрицы на подматрицы (клетки) меньшей размерности:

где Е и I - единичные матрицы (по главной диагонали единицы, все остальные элементы нули), а 0 - нулевые матрицы.

Исследована проблема обнаружения совокупности сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн на фоне негауссовых нестационарных во времени и неизотропных в пространстве помех, многомерные законы распределения вероятностей которых определены выражением:

где Ть (х) есть полиномы Чебышева первого рода, или выражениями:

Ок-ОкР-'^ехр!/,) ХЧ(ЬЧ), д = 2%Ок = П<^л(0Че = Р^ (14)

4=1

°° /р.ы / А N ск =<Г'я"Ц П МАяа")) Хв(а1.....а^ПехРНапУп)<Ч,(15)

-оо у.П=1 / д П=1

Индекс Т обозначает транспонирование, косые скобки — усреднение по соответствующему случайному параметру, к - мультииндекс, С и G -столбцы с Ъ\ элементами, М^ - усеченные бесконечные пределы соответствующих сумм (усечение всегда возможно в силу быстрого убывания членов). Хё и Х^ есть многомерные характеристические функции аддитивного шума и векторного процесса т}^), модулирующего случайным образом фазы полей во времени. Одностолбцовая матрица L имеет с строк и элементы /ч. Матрицы Ф и т] также одностолбцовые с ет р о к а -

ми и элементами Ф ^ = Ф =Г|Д1П), причем под Х„ подра-

зумевается разность а наличие каких-либо временных за-

паздываний учитывается тем же образом. Аргумент характеристической функции имеет размерность с и равен элементам матрицы Н = Кт], где числовая матрица К с аргументами ± К^ имеет е столбцов и 9 строк. Выражения (12) - (16) в диссертации конкретизированы для частных случаев.

Исследованы случаи воздействия широкополосных, по сравнению с сигналом, помех. При условии комплексности помех многомерное отношение условных функций правдоподобия распадается на произведение условных функций типа оптимальный алгоритм определен выра-

жениями:

Найдены пути, позволяющие сократить вычислительные сложности и упростить реализацию алгоритмов обработки сигналов. Наибольшую эффективность процедуры компенсации помех имеют при их реализации в высокочастотном тракте, например, при компенсации мешающих сигналов в радиосвязи при многолучевости.. Эту операцию возможно осуществлять и в тракте промежуточной частоты, если выполняются условия разделимости лучей, а также в тракте цифровой обработки, но с потерями эффективности компенсации на 3 - 5 дБ.

Далее исследованы статистические характеристики помех в цепях синхронизации информационно-телекоммуникационных сетей, связанные с эффектами джиттера (дрожания фронтов) и вандера (проскальзывания символов). Для их анализа рассмотрена модель сигнала, модулированного помехами по амплитуде и фазе (АФМП):

х(1) = А0[1 + !&)+м/(01соб(«1+т1(1)+у(0)+8(1). (18)

Показано, что многомерная плотность вероятности этого процесса описывается формулой аналогичной (12).

Вычислена автокорреляционная функция сигнала, подверженного искажениями типа джиттера - вандера, которая в силу крайней узкопо-лосности процесса медленно убывает. Это позволяет путем компенсации рассогласований повысить точность синхронизации сетей ценою увеличения времени вхождения в синхронизм (рис. 5). Алгоритм реализуется подбором амплитудно-фазового распределения токов в антеннах А1 и А2 и расположением элементов (приемных вибраторов), а также аттенюаторов

и фазовращателей. Подобную обработку называют пространственной, причем главная особенность заключается в том, что во всех алгоритмах корреляционный массив К определяется электромагнитными полями.

Рис. 5Оптимальныйматричный обнаружитель с компенсацией помехи

согласованной фильтрацией Если же антенны выбраны заранее и используются лишь как преобразователи электромагнитного поля в электрические сигналы, причем с помощью некоторых из них удается выделить опорные мешающие сигналы, то целесообразно компенсацию помех реализовать средствами антенной техники, а затем преобразовать все процессы на промежуточную частоту для осуществления весовой компенсационной матричной обработки с последующей согласованной фильтрации сигналов. Такой является пространственно-временная обработка, в которой матричный массив К зависит как от пространственных (заранее фиксированных), так и от временных (или частотных) параметров. Например, в частном случае, когда опорная помеха отсутствует, сигнал принимается антенной решеткой (АР) на фоне изотропного по пространству и стационарного по времени белого шума со спектральной плотностью получен алгоритм, изображенный на рис. 6. В нем используется согласованный с сигналом фильтр (СФ) и детектор огибающей (ДО), если сигнал обладает неизвестными параметрами, то осуществляется типично временная (частотная) обработка. Видно, что синфазное сложение сигналов увеличивает выходную мощность в N раз, некогерентное суммирование шумов — в N раз, поэтому отношение сигнал/шум вырастает в N раз по сравнению с входным.

Рис.6 Оптимальная пространственно-временная обработка при отсутствии опорной помехи Таким образом, в главе 4 разработаны алгоритмы оптимального приема сигналов с компенсацией мешающих сигналов и помех для информационно-телекоммуникационных систем и сетей, в частности сетей мобильной связи второго и третьего поколений.

В главе 5 предложена классификация методов синхронизации информационно-телекоммуникационных сетей и исследованы показатели эффективности подсистем синхронизации. Показано, что проблема синхронизации связана, по существу, с устранением расхождений параметров элементов сети (узлов), т.е. схожа с задачей компенсации расхождений как по фазе, так и по частоте, и сводится к задаче экстермизации квадратичных форм, исследованной в главе 4.

Проведен статистический анализ известных способов синхронизации сетей: - с выравнивающим хронированием (рис. 7), с обменным хронированием (рис. 8) и с компенсацией задержек (рис. 9). Для этих-сетей вычислены ошибки и найдены выражения для расчета установившихся во времени величин ошибок, найдены дисперсии ошибок.

Установившаяся временная ошибка в сети с выравнивающим хронированием равна:

еу|=-

N-1

N.

NN NN

Х2>л-12>н

.¡*1 1=1 Г*|

(19)

где N - количество узлов в сети, £ - средняя частота задающего генератора в ьом узле, ГУ| - установившаяся частота, Дт0 - некомпенсированная составляющая задержки, Ь - коэффициент.

А А,

Рис. 7 Сеть с выравнивающим взаимнымхронированием Дисперсия оценки временных интервалов равна:

где Гук| - коэффициент корреляции временных задержек. Установившаяся ошибка хронирования временных интервалов в сети с обменным хронированием равна:

Дисперсия оценки также определяется формулой (20), только во всех случаях увеличивается в 4 раза по сравнению с сетью с выравнивающим хронированием. В сети с компенсацией задержек при точной компенсации имеем установившуюся ошибку, определяемую формулой (19) при

Дту = О . При этом дисперсия оценки в четыре раза меньше, чем дается формулой (20), но оценка является смещенной.

Рис. 8 Сеть с обменным взаимнымхронированием

А, А,

Рис. 9 Сеть без компенсации задержки и компенсацией налинии задержки. Аналогичная задача решена для многоузловой сети с задающим генератором. Приведены оценки временных интервалов для систем с выравнивающим хронированием:

где есть номинальная частота задающего генератора, означает

ближайший к >му Ы задающий генератор; для сетей с обменным хронированием:

как с компенсацией 53 = 5| / 2, так и без компенсации задержек. 84 = 51у + ^ X = §1у + Гэг Е (то]к + )>

к-»|<=М, к

(24)

где т^ есть среднее значение задержек, Дт^ - ошибки, 8|у определено в

формуле (22). Найдены дисперсии ошибок синхронизации для всех исследуемых сетей.

Предложен частотный метод анализа систем синхронизации многоузловых сетей на базе теории колебаний путем сведения сети к эквивалентной цепи низкочастотных фильтров второго порядка.

Исследованы вопросы когерентности и коррелированности синхросигналов, сводящиеся к поиску решений фазовых уравнений:

для неизвестных целых чисел При неодинаковости (но равновероятности) парциальных распределений фаз неизвестные Ку Ф О определяются

I ГЧАТТТЛТТТТП > *ОФ1ЛТТТТТТАГА Л

Кф =

к,

... К|п

... кп

N э- : •• Фп"

/ ,Фт

= ±2тф, р = 0,1,2,..., 1<,(п,ф<т (26)

при р=0 распадающегося на систему (т • п) однородных уравнений. Доказаны следующие утверждения: - только при конечности моментов (в частности, дисперсий) можно судить о когерентности сигналов; - из когерентности вытекает коррелированность, обратное верно только для нормальных процессов; - для негауссовых процессов и сигналов связь между когерентностью и коррелированность может отсутствовать.

Проведена оптимизация по критерию минимума среднеквадратиче-ской ошибки вероятностей пропуска и ложного обнаружения всех известных структур сетей (рис. 10 - рис. 15).

Рис.10 Рис.11

Граф авто и взаимно Граф связей сетей с об-корреляционных связей менпымхронированием тично иерархических сетей

Рис. 12 Граф связей час-

1

I

2*

ИЧ

4 В 6

.2 ■3 •4

.5

'4

Рис. 13 Рис. 14 Рис. 15

Граф связей Граф связей сети с Плезиохронная

иерархической сети опорным генератором сеть

Для простоты здесь рассмотрены сети с пятью-шестью узлами, однако, свойства соответствующих матриц легко обобщить для сетей с произвольным числом узлов. Можно утверждать, что развитый в диссертации подход к синтезу оптимальных систем синхронизации адекватен .любым известным сетям связи, так как для полного описания гауссовых помех необходимо и достаточно знание всех матричных корреляционных связей. Основные моменты синтеза оптимальных систем изложены в главе 4, с их использованием получен алгоритм оптимального приема синхросигнала, изображенный на рис. 16:

Рис. 16 Оптимальный алгоритм приема синхросигнала Вычислены средние значения и дисперсии, определяющие вероятности ошибок Р| первого (Рлт) и второго родов:

где ф(х) есть интеграл вероятностей. В самом общем виде оптимальные алгоритмы синхронизации (рис.17) определены следующими формулами:

Рис. 17 Пространственно-временной адаптивный алгоритм синхронизации с компенсацией произвольных помех

Оптимальный алгоритм изображен на рис. 17, и содержит на входе компенсатор помех, блок матричной весовой обработки два согласованных с сигналами S, и 2BS2 фильтра (СФ), выходные сигналы с которых

вычитаются, и сравниваются с порогом = 1пЛп + q2, где Яг есть отношение сигнал/помеха на входе для данной системы обработки.

Таким образом, в главе 5 диссертации синтезировано семейство оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов синхронизации с компенсацией и без компенсации как гауссовых, так и негауссовых помех и мешающих сигналов, для различных структур информационно -телекоммуникационных сетей.

В главе 6 исследованы ограничения технического характера, возникающие в реальных сетях радиосвязи при приеме и преобразовании смесей сигналов и помех в линейных и нелинейных цепях при наличии и отсутствии компенсации помех в оптимальных и квазиоптимальных алгоритмах обнаружения, влияющих на конечную эффективность всех этапов обработки.

Развита теория информационно-телекоммуникационных систем и сетей, функционирующих в условиях действия негауссовых и нестационарных мешающих сигналов и помех. Исследованы статистические характеристики процессов на выходе линейных узкополосных фильтров в отсутствии нормализации. В качестве типичной для пачки сигналов CDMA (при числе сигналов в пачке не превышающем 5) была взята модель негауссовых нестационарных процессов типа амплитудно-частотно модулированного шумом колебания (АЧМП), рассчитана его автокорреляционная функция:

Предполагалась статистическая независимость шумов и г]^), моду-

лирующих амплитуду и фазу, предполагалось также, что £ = ат), т.е. с точностью до коэффициента а < 1 шумы одинаковые.

Изучена модель процесса на выходе узкополосного фильтра (с гауссовой АЧХ и в виде одиночного колебательного контура) при подаче на вход ЛЧМП. Найдены законы распределения вероятностей выходных процессов, например, одномерная плотность равна:

Полученные теоретические результаты проверены имитационным моделированием на различных моделях узкополосных фильтров, подтвердившем негауссовость и нестационарность законов распределения вероятностей в условиях модуляции частоты входного ЧМП. Нормализация выходного сигнала имеет место гораздо реже, чем обычно предполагается. Поэтому далее исследуется нелинейная обработка (наряду с линейно-фильтровой), вызванная негауссовостью плотностей вероятностей выходного АЧМП. Нестационарность выходного АФМП заставляет использовать адаптивные устройства обработки, использующие подстройку обнаружителя по закону детерминированного изменения частоты и, в соответствие с АЧХ узкополосных фильтров, от которой зависит закон изменения огибающей АЧМП на выходе.

Негауссовость и нестационарность распределений вероятностей помех и мешающих сигналов в радиосвязи и радиолокации заставляет вернуться к задачам влияния моделей полезных сигналов на алгоритмы оптимальных обнаружителей.

Рассмотрены известные модели сигналов: - сигнал с полностью известными параметрами (ИС); - сигнал с флуктуирующей начальной фазой

(31)

(ФС); - сигнал с флуктуирующей амплитудой (АС); - сигнал с флуктуирующей амплитудой и начальной фазой (АФС); - полностью случайный сигнал (СС). Для всех моделей сигналов последовательно найдены оптимальные алгоритмы обнаружения и вычислены показатели качества обнаружения. В связи с тем, что при построении оптимальных алгоритмов и при вычислении показателей качества большинство интегралов не являлись табличными, пришлось использовать приближения с вычислением якобианов для квадратур огибающих Y и фаз ф сигналов с негауссовым законом распределения вероятностей типа:

и негауссова плотность вероятностей фазы:

отличающихся от известных законов Релея (при отсутствии сигнала) и Раиса (при наличии сигнала), что резко усложняет процедуру осреднения алгоритмов обнаружения с использованием отношения правдоподобия:

где Wo - спектральная плотность белого гауссового шума, Wp эквивалентный «добавок» за счет негауссовости параметров сигналов. Показано, что при предположении о большом времени накопления (сигналы с большой базой) выходная реакция обнаружителей нормализуется, и вычисление вероятностей ошибок первого и второго родов упрощается:

Задача разрешения - различения сигналов решена для всех перечисленных моделей сигналов. Показано, что при использовании моделей сигналов ИС и АС для сохранения показателей качества обнаружения требуется увеличения отношения сигнал/помеха на 6 - 8,5 дБ, а для остальных моделей -наЗ-5дБ.

Исследованы оптимальные и квазиоптимальные адаптивные линейные и нелинейные обнаружители комплексных сигналов на радиочастоте на фоне комплексных же помех с использованием процедур компенсации, актуальные для задач позиционирования абонентов в сетях радиосвязи. Алгоритм оптимального обнаружителя в общем случае описывается выражением:

а характеристики обнаружения:

гпо

^поп ^ ® / \ » /

Исследованы процедуры обнаружения по классическому критерию Немана-Пирсона и по практически часто используемому «мягкому» его варианту (хендовер в сотовой радиосвязи), когда вероятность ложной тревоги заранее не фиксирована, но не должна превышать некоторой заранее заданной величины. Графики вероятностей ложной тревоги и правильного обнаружения представлены на рис. 18.

Рассмотрен также критерий Неймана-Пирсона с меняющимся адаптивным порогом решения:

применяемый в задачах сотовой радиосвязи при решении задач хендовера для исключения явления «пинг-понга» на границе зон. График вероятности ошибки приема представлен на рис. 19 при порогах решения отличающихся на 6 дБ.

Рис. 18 Вероятности правильного Рис. 19 Вероятности Рош взависи-обнаружения иложной тревоги в мости от отношения

зависимостиот отношения сиг- сигнал/помеха q в системахрадио-нал/помеха q связи

В главе 7 сформулированы задачи имитационного моделирования и обсуждены особенности приема простых и сложных сигналов в радиосвязи и радиолокации. Исследованы описанные в главах 1 - 6 оптимальные и

квазиоптимальные, линейные и нелинейные, с компенсацией и без компенсации мешающих сигналов и помех алгоритмы обнаружения простых (с базой Б = 1) и сложных (с базами Б = 31 - 128) сигналов, как при наличии РЭЙК - приемника с суммированием лучей, так и в отсутствии суммирования лучей. При различных моделях сигналов тот или иной обнаружитель дополнялся на выходе детектором огибающей, снижающим отношение С/П на входе на 3 дБ при флуктуирующей начальной фазе сигнала, и на 5 дБ при флуктуирующей амплитуде и фазе сигнала на входе. По итогам имитационного моделирования получены следующие результаты:

При малом числе сигналов в пачке CDMA эффективна аппроксимация негауссовым распределением вероятностей типа сигнала частотно модулированного помехой (ЧМП), прием осуществляется с помощью нелинейности. Пи большом числе сигналов в пачке (более семи) пригодна гауссова аппроксимация плотностей вероятностей, применяется схема линейного корреляционного приемника или СФ.

Исследована обобщенная схема квазиоптимальных обнаружителей (для случая многолучевого распространения радиоволн) с нелинейностя-ми при обработке первого приходящего луча, либо луча с набольшей интенсивностью.

Особое внимание уделено моделированию обнаружителей с компенсацией мешающих сигналов и помех, в частности в матричном варианте реализации. Показано, что оптимальная когерентная система без нелинейности, как и некогерентная без нелинейности, при различных условиях приема для достижения прежних показателей качества обнаружения допускает уменьшение отношения С/П на 10 -12 дБ по сравнению системами - когерентной без нелинейности и детектора огибающей (ДО) и когерентной без нелинейности и с детектором огибающей. Отсутствие когерентности при приеме требует введения детектора огибающей и повышения уровня отношения С/П на 3 -5 дБ для сохранения прежних характеристик обнаружения. Наличие N м е ш iniijj ............. ГПМА ~ У -

] РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ i I библиотека I 33 J cnrnj^r I * °Э *» »" Г

тштЛ

ет эквивалентного повышения отношения С/П в среднем на 10 к^ дБ. Наоборот, оптимальное суммирование К лучей с известными или измеренными параметрами, снижает требуемое отношение С/П на величину 10 к^КдБ.

Результаты моделирования подтверждают основные теоретические положения диссертации применительно к сетям мобильной радиосвязи стандартов второго и третьего поколений.

Заключение

В целом в диссертации развит нетрадиционный подход к оптимальному синтезу и статистическому анализу эффективности современных и перспективных информационно-телекоммуникационных систем и сетей, что позволило развить теорию приема сигналов и устойчивого функционирования многофункциональных информационно-телекоммуникационных систем в условиях действия негауссовых, нестационарных во времени и неизотропных в пространстве помех и мешающих сигналов. Получены следующие основные результаты:

• Исследованы свойства метрических пространств и границ областей принятия решений в теории, информационно - телекоммуникационных систем при обработке аналоговых и цифровых сигналов.

• Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно - телекоммуникационных системах при идентификации сигналов и синхронизации сетей с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

• Развиты методы и критерии оптимальности в теории информационно - телекоммуникационных систем на базе принципа гарантированного результата Гермейера и обобщенного среднего риска.

• Предложены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех в активно-пассивных радиолокационных системах и сетях радиосвязи в условиях электромагнитной совместимости радиосистем, в условиях многолучевости распростра-

нения сигналов в радиоканале и эффектов джиггера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем.

• Найдены показатели эффективности реально используемых систем синхронизации в радиосвязи и радиолокации с применением процедур компенсации мешающих сигналов и помех в радиоканале.

• Проведен анализ статистических характеристик сигналов и помех на выходе узкополосных аналоговых и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров с учетом негауссовости и не стационарности распределения вероятностей входных помех для различных моделей сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и для возможных квазиоптимальных схем обнаружителей.

• Проведено имитационное моделирование всех основных рассмотренных в диссертации оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и мешающих сигналов.

• Основные результаты диссертации нашли применение в работе ФГУП НИИ ТП «Создание унифицированного ряда модификаций высоконадежной бортовой аппаратуры радиотехнических командно-измерительных систем управления космическими аппаратами оборонного и гражданского назначения с высокой; помехозащищенностью «Куб-Контур» и «Компарус», удостоенной Премии Правительства РФ в области науки и техники за 2002 г.; внедрены на предприятиях НПО «Алмаз», ОАО «Корпорация «Фазотрон - НИИР», ОАО «Мобильные ТелеСистемы» и других предприятиях связи, внедрены в учебный процесс на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ по подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника», нашли отражение в научно исследовательских отчетах, выполненных в рамках Единого заказ-наряда и проектов по инновационным и научно-техническим программам Минобразования РФ, неоднократно докладывались на научно-технических конференциях и семинарах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Громаков ЮА, Голяницкий ИА, Шевцов В.А Оптимальная обработка радиосигналов большими системами. - М.: Эко-Трендз, 2004. - 260 с.

2. Шевцов ВА. Информационное противоборство как крайнее проявление конфликта в информационной сфере // Общесистемные вопросы защиты информации. Коллективная монография / Под ред. Е.М. Сухарева. Кн. 1. - М.: Радиотехника, 2003. - С. 102 - 113.

3. Куприянов А.И., Шевцов ВА Микросхемотехника радиоустройств комплексов ЛА7 Учебное пособие. М.:МАИ, 2001. - 48 с.

4. Шевцов В.А Оптимальные алгоритмы синхронизации сетей с обменным и взаимным хронированием // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2004. - № 2. - С. 65 - 71.

5. Шевцов ВА. Алгоритмы оптимальной синхронизации сигналов с компенсацией помех // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2004. - № 3. - С. 66 - 75.

6. Шевцов В .А. Оптимальные алгоритмы обнаружения сигналов на фоне шумов в системах связи с TDMA и CDMA // Радиотехника. - 2004. -№4.-С. 31-34.

7. Шевцов ВА Оптимальные линейные и нелинейные алгоритмы обнаружения сигналов с компенсацией гауссовых и негауссовых помех // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2004. - Т.9 № 5.-С. 54-60.

8. Шевцов ВА. Информационное противоборство как крайнее проявление конфликта в информационном пространстве // Радиотехника. -2001.-№3.-С. 87-93.

9. Шевцов ВА. Скрытое информационное воздействие в информационной сфере / Бортовые радиотехнические устройства и защита информации // Сборник статей ученых МАИ. - М.: МАИ, 2002. - С. 23 -30.

10. Грома ков Ю.А., Голяницкий И.А., Попов В.И., Швецов В.П., Шевцов ВА. Способы оценки эффективности функционирования информационно-измерительных и управляющих систем // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2003, т.1, № 5 - 6. -С. 61-63.

11. Устройство для приема многоканальной информации: А.с. № 1574148 СССР, МКИ3 Н 04 I 11/00 / Шевцов ВА, Федотов В.А (СССР). - 4 с: ил.

12. Устройство кодирования дискретных сообщений: Патент №2024196 РФ, МКИ3 Н 04 I 11/00 /Шевцов В.А. и др. - 4 с: ил.

13. А.с. № 237801 (СССР) МКИ3 Н 04 I 11/00 / Калашников ИД, Рощин Б.В., Шевцов В.А. (СССР). - 4 с: ил.

14. Приемник мажоритарно уплотненных сигналов: А.с. № 1062874 СССР, МКИ3 Н 04 О 11/00 / Шевцов ВА, Рощин Б.В. (СССР). - 4 с: ил.

15. Многоканальная система передачи и приема информации: А.с. № 1274599 (СССР) МКИ3 Н 04 I 11/00 / Калашников И.Д., Рощин Б.В., Шевцов В .А. (СССР). - 4 с: ил.

16. Телеметрическая система: А.с. № 1229790(СССР) МКИ3 О 08 С 19/28/ Крылов В.В., Калашников И.Д., Шевцов В.А (СССР). - 4 с: ил.

17. Устройство для уплотнения и разделения с каскадным мажоритарным уплотнением каналов: А.с. № 1246865 (СССР) МКИ3 Н 04 I 11/00 / Калашников И. Д., Сухарев ДА, Федотов В.А., Шевцов В А (СССР). - 4 с: ил.

18. Устройство для приема дискретных сообщений: А.с. №1485417 (СССР) МКИ3 Н 03 М, 13/02 / Рощин Б.В., Шевцов ВА. и др. (СССР). - 4 с: ил.

19. А.с. № 262508 (СССР) МКИ3 Н 03 М 13/02 / Дятлов А.Н., Кантор А.В., Шевцов В.А и др. (СССР). - 4 с: ил.

20. Ас. № 267194 (СССР) МКИ3 Н 04 J 11/00 / Кантор А.В., Волков С.С., Шевцов В.Л. и др. (СССР). - 4 с: ил.

21. Разговорная часть схемы телефонного аппарата: Решение о выдачи свидетельства на полезную модель по заявке № 94-007019/09 МКИ3 Н 03 М 13/02 / Шевцов В.А., Неудобное Н.А (РФ). - 4 с: ил.

22. Способ сбора общественного мнения, система для его реализации и абонентское устройство для ввода данных: Патент № 2144655 ^^ МКИ4 G 07 С 13/00 / Шевцов ВА, Неудобное Н.А., Терехин А.Г. (РФ). - 16 с: ил.

23. Способ сотовой связи: Патент № 2227373 МПК7 Н 04 В 7/26 / Громаков Ю.А., Шевцов ВА (РФ). - 24 с: ил.

24. Шевцов ВА. Повышение эффективности систем ИТО путем использования мажоритарного уплотнения каналов // Информационно-телеметрическое обеспечение АСУ КА Тез. докл. Всесоюз. конф. -Ленинград.: - ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1982 г. - С. 89 - 92.

25. Любезный В.М., Ситников В.Н., Шевцов ВА Повышение эффективности световолоконной системы связи путем применения мажоритарного уплотнения сигналов // Совершенствование средств связи на основе внедрения световолоконной и микропроцессорной техники: Тез. докл. Всесоюзного науч.-техн. совещания. - :М. Радио и связь. 1986.-С.35-38.

26. Шевцов ВА, Рощин Б.В.' Метод уплотнения каналов, реализуемый на средствах микроэлектронной техники // Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Рига: РИЭВТ, 1983. - С. 27 - 30.

27. Шевцов ВА, Терехин А.Г., Румянцев ГА, Шарнин ВА Опыт разработки и создания распределенного информационного центра // Информационные технологии в образовании: Тез. докл. 8 Между нар. конф.-М.: 1996.-С. 77-78.

28. Шевцов В.А., Терехин А.Г., Румянцев ГА, Шарнин В.А. Защита информации в распределенном информационном центре // Информационные технологии в образовании: Тез. докл. 8 Междунар. конф. -М: 1996.-С. 78-80.

29. Демин В.П., Матвеем ко А.М., Шевцов В.А. Система всемирного голосования // Методы дистанционного зондирования и ГИС технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды: Тез докл. 4 Междунар. конф. - М., 1998. - С 43 - 44.

30. Шевцов ВА, Большое О.А. Пороговые сигналы в технических каналах утечки информации при вокодерной связи // Радиолокация, навигация и связь: Тез. докл. 3 Междунар. конф. - Воронеж, 1999. - С. 92 - 98.

31. Рощин Б.В., Шевцов ВА Синхронизирующие свойства мажоритарных кодов // Развитие теории и техники сложных сигналов: Тез. докл. 2 науч.-техн. конф. - М.: Радио и Связь, 1983. - С. 56 - 58.

32. Куприянов А.И., Шевцов ВА Основания теории технической дезинформации // Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы: Тез. докл. 8 Всерос. научно-практическая конф. - М., 2001.-С. 53-55.

33. Куприянов А.И., Шевцов ВА Противоборство в информационном

пространстве // Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы: Тез. докл. 8 Всерос. научно-практическая конф. - М., 2001.-С. 52-53.

34. Шевцов В.А., Федотов ВА Исследование помехоустойчивости СПИ с мажоритарным каскадным уплотнением каналов методом имитационного моделирования // Отраслевой ФАП систем автоматизированного проектирования. - Москва, 1985 , - инв. № 489. - 24 с.

35. Шевцов ВА, Федотов В.А. Многоканальная система передачи информации с мажоритарным уплотнением каналов. - М. 1984. - 20 с. Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 1984, № 2464 пр. - 84 Деп..

Подписано в печать<*&¿^Зак.Тир./¿V1 Пл. £,.6 Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение

1 Метрические пространства и теория аппроксимации

1.1 Нормированные метрические пространства сигналов

1.2 Теория аппроксимации сигналов

1.3 Процедуры и последовательность обработки информации

1.4 Выводы

2 Обработка информации большими системами

2.1 Проблемы интеграции и взаимодействия больших систем

2.2 Теория игр и взаимодействие больших систем

2.3 Принцип максимума в теории больших систем

2.4 Идентификация и управление структурой риска

2.5 Методы оптимизации

2.6 Синхронизация больших систем

2.7 Эффективность алгоритмов компенсации помех

2.8 Выводы '

3 Теория статистических решений

3.1 Исходные предпосылки

3.2 Классическая теория статистических решений

3.3 Критерии оптимальности

3.4 Принцип гарантированного результата

3.5 Выводы

4 Оптимальное выделение сигналов на фоне негауссовых и нормальных 97 помех много-позиционными адаптивными системами

4.1 Пространственно-временная обработка сигналов активно-пассивными 97 системами обнаружения

4.2 Оптимальная обработка в гауссовых помехах

4.3 Примеры активно-пассивных систем

4.4 Оптимальные алгоритмы обработки и электро- магнитная совместимость

4.5 Пространственно-временные статистические характеристики негауссовых 111 процессов

4.6 Оптимальная обработка негауссовых процессов

4.7 Активно-пассивные системы обнаружения сигналов в негауссовых помехах

4.8 Выделение комплексных нормальных процессов

4.9 Анализ эффектов джиттера и вандера

4.10 Выводы

5 Статистический анализ эффективности синхронизации сетей связи

5.1 Сети синхронизации и анализ эффективности

5.2 Частотный метод анализа эффективности синхронизации

5.3 Когерентность и коррелированность синхросигналов

5.4 Оптимизация сетей'синхронизации с обменным и взаимным хронированием

5.5 Оптимальные алгоритмы синхронизации с компенсацией гауссовых помех

5.6 Выводы

6 Фильтрация случайных помех и сигналов

6.1 Корреляционная теория трансверсально-рекурсивных фильтров

6.2 Спектрально-корреляционные связи

6.3 Негауссовы распределения вероятностей и нестационарные свойства 199 угловой модуляции

6.4 Распределения вероятностей негауссовых процессов на выходе фильтров

6.5 Согласованные фильтры

6.6 Модели радиосигналов и алгоритмы обработки

6.7 Реализация оптимальных и эвристических обнаружителей

6.8 Выводы

7 Моделирование оптимальных и реально используемых алгоритмов 265 обработки

7.1 Исходные предпосылки

7.2 Моделирование оптимальных матричных алгоритмов обработки

7.3 Результаты моделирования реальных систем

7.4 Моделирование оптимальных линейных и нелинейных обнаружителей

7.5 Обсуждение результатов

7.6 Выводы 290 Заключение 294 Литература

В перечне приоритетных направлений развития науки и техники, утвержденных Правительством Российской Федерации, направление «информационно-телекоммуникационные технологии» занимает одно из главенствующих мест. Действительно, переход цивилизации в начале этого века к постиндустриальному, информационному обществу ставит во главу угла проблемы связанные с обеспечением высококачественной, высокоинформативной и вседоступной связью, вещанием, доступом к информационным ресурсам. Без внедрения современных информационно-телекоммуникационных технологий в государственные структуры не мыслимо эффективное управление государством, экономикой, обеспечение безопасности и обороны страны.

Одной из важнейших проблем развития современных радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных систем и сетей является загруженность частотного диапазона. Частотный ресурс в современном информационном обществе становится не менее важным природным ресурсом, чем ресурс энергоносителей. Это связано с бурным развитием систем радиосвязи как фиксированной, так и мобильной, развитием спутниковых, наземных и интегрированных - телекоммуникационных технологий, развитием многофункциональных радиоэлектронных систем радиомониторинга и позиционирования. Усиливается актуальность противодействия конфликтам в информационной сфере [1, 54, 55]. На повестку дня встают проекты увеличения скорости и объемов обмена информацией в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и, как следствие, расширение полосы передаваемых сигналов.

В области мобильной радиосвязи разрабатываются проекты создания систем поколения «1МТ - 2000 and beyond» со скоростями передачи данных от 144 кбит/с для высокомобильных абонентов до 2,048 Мбит/с - для стационарных, увеличения объема передаваемой мультимедийной информации [2]. Развиваются беспроводные локальные сети, а также мобильные мультимедийные сети связи ММАС (Multimedia Mobile Access Communication) использующие OFDM - модуляцию, поддерживающие скорость передачи данных до 54 Мбит/с на несущих, близких к 5 ГГц. Среди кандидатов для создания будущей интегрированной системы связи рассматриваются: сети мобильной связи (Mobile Networks); сети беспроводной фиксированной радиосвязи (Fixed Wireless Networks); беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Networks); сети цифрового радио (DAB), а также телевизионного наземного и спутникового вещания (DVB-T, DVB-S) [3,4]. Одним из важнейших направлений, как в радиосвязи, так и в радиолокации, является создание сверхширокополосных радиосистем. В радиолокации это направление связано с созданием принципиально новых высокоинформативных систем радиомониторинга, а в радиосвязи с созданием высокоинформативных систем передачи данных, речи и мультимедиа, работающих в совместных полосах частот с другими радиотехническими системами. Происходит интеграция информационно-телекоммуникационных систем, так, например, неотъемлемой составляющей технологий мобильной связи становятся технологии местоопределения абонентов как в режиме «хендовер», так и в качестве отдельной услуги [5]. Остаются на повестке дня проблемы присущие всем радиоэлектронным информационно-телекоммуникационным системам - это проблемы устойчивой синхронизации сетей, борьбы с замираниями сигналов, проблемы многолучевого распространения, наличия внеполосных излучений и внутрисистемных шумов и помех в радиосвязи (последнее особенно актуально для систем связи с кодовым разделением каналов - CDMA), проблемы борьбы с шумами и помехами в радиолокации и радионавигации. В подавляющем большинстве случаев обработка полезных сигналов в информационно-телекоммуникационных системах ведется на фоне негауссовых, нестационарных во времени и не изотропных в пространстве шумов, помех и мешающих сигналов.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной научно-технической задачи - развития теории и разработки методов оптимальной обработки сигналов на фоне гауссовых и негауссовых помех в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Целесообразность и расширение спектра применения естественно-математических и инструментальных методов в области обработки сигналов на фоне шумов и помех в телекоммуникациях и радиотехнике является мотивированной, что, в частности, подтверждается нарастанием интенсивности потока научных публикаций по этой проблематике в настоящее время практически для всех научных сообществ в мире. Исследованию проблем радиоэлектронных и телекоммуникационных систем и, в частности, теории и методам обработки сигналов на фоне шумов и помех, посвящено большое количество публикаций. Исследованию моделей негауссовых помех посвящены работы: Ф.Е. Фальковича [6], Э. Сэйджа [7], Г. Уилкинсона [8], Б.Р. Левина [9] (прямые вероятностные модели); П.А. Бакута [10], В. Шварца [11], Я.Д. Ширмана [12], В.И. Тихонова [13] (локально-вероятностные модели); А.Н. Малахова [14], Ю.П. Кунченко [15], Дж. Менделя [16] (моментно-кумулянтные модели); P.JI. Стратоновича [17], Ю.Г. Сосулина [18], (марковские модели); А.А. Колосова [19], Ш.М. Чабдарова, Н.З. Сафиуллина, А.Ю. Феоктистова [20] (полигауссовы модели); Д. Хьюбера [21], В.И.

Мудрова и B.JI. Кушко [22] (родственные полигауссовым модели). Большое внимание исследователей посвящено методам оптимизации информационно-телекоммуникационных систем, работающих в условиях шумов и помех. Я.Д. Ширманом предложены и исследованы высокоэффективные методы сжатия сигналов и квадратурной автокомпенсации помех в радиолокации [23].

В качестве наиболее всеобъемлющего обобщения полученных к настоящему времени результатов в этой области следует отметь справочник [24] и учебное пособие[25]. В этих книгах приведена подробная классификация и оценка состояния исследований в области теории и методов построения радиотехнических информационных и телекоммуникационных систем, приведена классификация моделей и шумов, действующих в радиоканале, рассмотрены основные критерии оптимизации систем, приведена классификация методов приема сигналов на фоне негауссовых помех, описаны методы компенсации помех, используемые в радиолокации. Дальнейшее развитие описанных проблем нашли в трудах И.А. Голяницкого [26, 27, 28], которым получены многомерные распределения вероятностей совокупности модулированных сигналов на фоне помех и их нелинейно-инерционной фильтрации, получены оптимальные адаптивные многопозиционные пространственно-временные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех с их компенсацией, развиты методы анализа эффективности радиолокационных систем.

Все перечисленные результаты в основном направлены на оптимизацию радиолокационных систем. В настоящее время, в связи с бурным развитием систем телекоммуникаций, радиосвязи, интеграцией их в многофункциональные информационно-телекоммуникационные системы, актуальным является развитие теории методов оптимальной обработки сигналов на фоне негауссовых помех в близкой по задачам предметной области - радиосвязи, обладающей, однако, своей спецификой и требующей разработки присущих ей моделей шумов и помех.

Цель диссертационной работы заключается в развитии теории и разработке методов оптимальной обработки сигналов на фоне гауссовых и негауссовых помех в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и сетях. Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены следующие научные задачи:

• Исследование нелинейных метрических пространств сигналов, существенно влияющих на эффективность процедур их обработки;

• Исследование многомерных распределений вероятностей совокупности сигналов и помех с учетом многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;

• Развитие методов компенсации мешающих сигналов и помех в системах радиосвязи, действующих в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных цифровых трактах;

• Разработка эффективных пространственно-временных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с FDMA, FDMA и CDMA;

• Разработка эффективных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с учетом действия мощных активных помех, насыщенной электромагнитной ситуации и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;

• Оценка эффективности разработанных алгоритмов и адекватности предложенных моделей сигналов и помех.

Интегрально научные результаты, полученные автором в рамках диссертационного исследования, имеют характер вновь созданных объектов интеллектуальной собственности научно-прикладного характера, в диссертации развит нетрадиционный подход к оптимальному синтезу и статистическому анализу эффективности современных и перспективных информационно-телекоммуникационных систем и сетей, что позволило развить теорию приема сигналов и устойчивого функционирования многофункциональных информационно-телекоммуникационных систем в условиях действия негауссовых, нестационарных во времени и неизотропных в пространстве помех и мешающих сигналов. Результаты диссертационного исследования представляют собой: систему методологических принципов оптимизации обработки сигналов на фоне негауссовых помех в современных и перспективных информационно-телекоммуникационных системах и сетях; базовый математический инструментарий, описывающий свойства метрических пространств, влияющие на формирование правил принятия решений при обнаружении сигналов на фоне помех и применимости критериев оптимизации информационно-телекоммуникационных систем и сетей; методы синтеза и анализа алгоритмов обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных цифровых трактах с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех; математический инструментарий для исследования статистических характеристик смеси сигналов и негауссовых и нестационарных помех, используемый при оптимизации характеристик обнаружения сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Диссертация отличается высокой степенью научной новизны как в вопросах теории оптимальных методов обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях, так и в вопросах технического и прикладного характера применительно к сетям мобильной радиосвязи стандартов «1МТ-2000 and beyond», радиолокации и радиопротиводействию. Получены следующие новые результаты:

1. Исследованы свойства метрических пространств при аналоговой и цифровой обработке сигналов на фоне негауссовых помех и исследованы особенности границ областей принятия решений [29].

2. Получены оптимальные алгоритмы обработки сигналов в больших информационно - телекоммуникационных системах и сетях при обнаружении сигналов, оценке их параметров и идентификации (различении и разрешении) при использовании процедур компенсации мешающих сигналов и помех [29, 30, 36].

3. Исследованы области практической применимости критериев оптимальности больших систем, их связь с известными из теории статистических решений критериями с оценкой их преимуществ и недостатков при оптимизации информационно-телекоммуникационных систем и сетей [29].

4. Исследованы оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне негауссовых нестационарных и не изотропных в пространстве помех (как частный случай - на фоне гауссовых помех) с учетом проблемы электромагнитной совместимости радиосистем, многолучевости распространения сигналов, а также эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций [29,31].

5. Синтезированы оптимальные системы синхронизации с учетом помех и мешающих сигналов, и проведен статистический анализ эффективности процедур синхронизации в реально используемых радиолокационных системах и сетях радиосвязи, при отсутствии и наличии процедуры компенсации помех и мешающих сигналов [29, 32, 33, 34].

6. Исследованы многомерные статистические характеристики смесей сигналов и негауссовых помех на выходе узкополосных цепей аналогового типа и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров, изучены нелинейные приемники обнаружения-измерения. Показана необходимость адаптации структуры приемника в зависимости от вида нестационарности помех [29, 35].

7. Приведены результаты имитационного моделирования всех основных теоретических выводов диссертационной работы и показано совпадение результатов экспериментов с теоретическими выводами. Показано, что применение процедуры компенсации помех позволяет увеличить соотношение сигнал/помеха до 25 - 30 дБ - в сочетании с нелинейной обработкой; в сочетании с согласованной фильтрацией - на 20 -25 дБ, в сочетании с адаптацией - на 15 -20 дБ с указанием технических ограничений и возможных перспективных решений [29].

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в совершенствовании устройств и методов обработки сигналов на фоне помех в больших информационно-телекоммуникационных системах и сетях. В силу общности использованных в работе математических моделей ее результаты применимы при анализе и синтезе технических решений в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, в телекоммуникационных и вещательных сетях.

Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов в больших информационно - телекоммуникационных системах при идентификации сигналов и синхронизации сетей с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

Исследованы области практической применимости критериев оптимальности в теории больших информационно - телекоммуникационных систем на базе обобщенной теории статистических решений.

Предложены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех в активно-пассивных радиолокационных системах и сетях радиосвязи в условиях электромагнитной совместимости радиосистем, в условиях многолучевости распространения сигналов в радиоканале и эффектов джиггера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем.

Найдены показатели эффективности реально используемых систем синхронизации в радиолокации и радиосвязи с применением процедур компенсации мешающих сигналов и помех в радиоканале.

Проведен анализ статистических характеристик сигналов и помех на выходе узкополосных аналоговых и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров с учетом негауссовости и нестационарности распределения вероятностей входных помех для различных моделей сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и для возможных эвристических схем обнаружителей.

Проведено имитационное моделирование всех основных рассмотренных в диссертации оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и мешающих сигналов.

Предложены новые, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ [5, 37 - 49] устройства и способы обработки сигналов в многофункциональных информационно-телекоммуникационных системах.

Основные результаты диссертации нашли применение в работе ФГУП НИИ ТП «Создание унифицированного ряда модификаций высоконадежной бортовой аппаратуры радиотехнических командно-измерительных систем управления космическими аппаратами с высокой помехозащищенностью «Куб-Контур» и «Компарус», удостоенной Премии Правительства РФ в области науки и техники за 2002 г.; на предприятиях ОАО ЦКБ «Алмаз», ОАО «Корпорация «Фазотрон - НИИР», ОАО «Мобильные Теле Системы»; внедрены в учебный процесс [64] на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ по подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника»; нашли отражение в научно исследовательских отчетах, выполненных в рамках Единого заказ-наряда и проектов по инновационным и научно-техническим программам Минобразования РФ; неоднократно докладывались на научно-технических конференциях и семинарах. [32, 35, 50, 51, 56 - 64].

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методы описания функций разграничения в пространстве сигналов информационно-телекоммуникационных систем, функционирующих в условиях действия негауссовых помех, на основе евклидовой метрики.

2. Области применимости критериев оптимизации информационно-телекоммуникационных систем.

3. Методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

4. Методы синхронизации информационно-телекоммуникационных сетей на основе компенсации рассогласования частотно-временных параметров узлов.

5. Статистические характеристики смеси сигналов и негауссовых нестационарных помех, используемые при оптимизации характеристик обнаружения сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Основные результаты диссертационной работы нашли применение в работе ФГУП НИИ ТП «Создание унифицированного ряда модификаций высоконадежной бортовой аппаратуры радиотехнических командно-измерительных систем управления космическими аппаратами оборонного и гражданского назначения с высокой помехозащищенностью «Куб-Контур» и «Компарус», удостоенной Премии Правительства РФ в области науки и техники за 2002 г.; на предприятиях ОАО ЦКБ «Алмаз», ОАО «Корпорация «Фазотрон -НИИР», ОАО «Мобильные Теле Системы», внедрены в учебный процесс на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ при подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника», нашли отражение в научно исследовательских отчетах, выполненных в рамках Единого заказ-наряда и проектов по инновационным и научно-техническим программам Минобразования РФ, неоднократно докладывались на научно-технических конференциях и семинарах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

С общих позиций функционального анализа и теории обобщённых функций рассмотрены вопросы метрических пространств и теории проектирования (аппроксимации). Показано, что наиболее «естественной» для анализируемых задач является квадратичная (энергетическая) метрика при параметре р=2 в неравенстве Гельдера-Минковского. Пространства с и р=1 и р=оо появляются в задачах кодирования и цифровой обработки сигналов, но требуют аккуратности при классификации дискретных пространств при расчетах вероятностей ошибок с многмерным распределением вероятностей. Рассмотрены также проблемы теории аппроксимации, используемые ниже в задачах компенсации помех и мешающих сигналов, см. главы 2-4.

Исследованы проблемы взаимодействия (в частности, противодействия) больших систем (БС) типа многопозиционных РЛС или совокупности базовых станций мобильных сетей радиосвязи, и не менее большой совокупности целей, т.е. объектов радиолокации или множества абонентов в радиосвязи. Получены следующие основные результаты:

- показано, что классическая теория игр (в том числе и кооперативных) не адекватна проблемам взаимодействия БС, и вообще вероятности «игровых» ситуаций крайне малы;

- показано, что принцип максимума Понтрягина-Валлентайна практически мало эффективен в некоторых, даже конечномерных фазовых пространствах с переменными типа среднего риска и его производными;

- показано, что принцип динамического программирования Беллмана позволяет построить теорию обработки сигналов с компенсацией помех и мешающих сигналов в пространстве дифференцируемых функций, что реализовано в работе с помощью методов Галёркина и коллокаций;

- исследованы методы оптимизации взаимодействия БС: функциональный, безусловный и геометрический, адекватные проблеме взаимодействия БС на разных этапах (в развёртке по времени);

- исследованы БС с переменным риском, и вопросы синхронизации БС методами нелинейных дифференциальных уравнений.

Рассмотрена классическая теория статистических решений (TCP), дополненная затем (помимо критериев минимума среднего риска, Неймана-Пирсона, Вальда и

Зигерта-Котельникова) критериями неклассической нелинейной оптимизации Дж. фон Неймана, абсолютной оптимальности Сэвиджа, доминирования по Парето, взвешенного по Гурвицу, гарантированного результата Гермейера и др. Показано, что проблемам взаимодействия БС наиболее адекватен критерий гарантированного результата Гермейера по причине не противоположности интересов «игроков». Возможны ситуации, когда эффективными могут оказаться критерии гарантированного результата по Нейману, Сэвиджу или Парето. Однако, если перейти от рассмотрения проблемы взаимодействия больших систем к менее общим задачам, например, к отысканию оптимальных алгоритмов обработки информации многопозиционными системами типа совокупности PJ1C или связанных между собой базовых станций сетей радиосвязи, то наиболее адекватным критерием является минимум обобщённого среднего риска, с помощью которого и получены все основные результаты следующего раздела.

На базе исследований глав 1 - 3, по критерию минимума обобщённого среднего риска получены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки совокупности сигналов на фоне помех и мешающих сигналов активно-пассивными системами обнаружения и оценки параметров, принципиально отличающиеся от известных (классических) появлением эффективной процедуры компенсации помех и мешающих сигналов как в радиолокации, так и в системах радиосвязи FDMA, TDMA и CDMA поколений 2G, 3G и «после 1МТ-2000». Доказано, что процедура компенсации приводит к увеличению (до 30-40 дБ) отношений С/П на выходе оптимального обнаружителя, достаточно просто реализуема в широкополосных помехах с совместно гауссовым многомерным распределением вероятностей, и может быть использована в любом месте системы обработки: в антенне или радио тракте, т.к. достаточно первого, или хотя бы одного «мощного луча» при многолучевом распространении сигнала; все остальные подлежат компенсации. Этот результат противоречит общепринятой в литературе концепции весового суммирования лучей, тем не менее является «единственно верным» с позиций теории статистических решений. Результаты экспериментов главы 7, и результаты имитационного моделирования, приведенные в [6-10, 40-42] свидетельствуют о правильности сформулированных выводов. Процедура компенсации может быть осуществлена и. на промежуточной частоте после УПЧ, или после АЦП в цифровом тракте приёмника для сетей радиосвязи с FDMA, TDMA или CDMA; возможны и смешанные варианты компенсации. Но в любом случае при применении процедуры компенсации эффективность приёма и обработки сигналов значительно увеличивается, за что приходится платить, в общем, усложнением приёмной аппаратуры и процессоров, выполняющих процедуру вычислений из-за необходимости обращения матриц большого объёма, элементами которых, в свою очередь, являются матричные массивы авто- и взаимно корреляционных функций сигналов и помех. В связи с этим, в диссертации проблеме упрощения алгоритмов обращения матриц и процессорных вычислений уделено особое внимание. В случае, если массивы помех и мешающих сигналов обладают негауссовыми многомерными распределениями вероятностей, оптимальная обработка, сохраняя процедуры компенсации и линейной матричной согласованной фильтрации, дополняется блоками нелинейной обработки, параметры которых зависят от типа негауссовости и нестационарности помех и мешающих сигналов (последние всегда и неизбежно присутствуют в сетях радиосвязи с CDMA, а в сетях с FDMA и TDMA порождаются многолучевым распространением радиоволн). Показано, что полученные оптимальные алгоритмы обработки сигналов весьма эффективны, и в сложной электромагнитной обстановке, и при решении целого ряда актуальных проблем в радиолокации и радиосвязи (как фиксированной, так и мобильной поколений 2G, 3G и «после IMT-2000»). В работе впервые строго выполнен статистический анализ эффектов джиттера и вандера, проявляющихся в цифровых информационно-телекоммуникационных сетях.

Проведен статистический анализ эффективности сетей синхронизации с плезиохронным, выравнивающим и обменным хронированием с учётом воздействия помех и мешающих сигналов различной природы и мощности, что весьма актуально для сетей связи «после 1МТ-2000», в высшей степени когерентных и синхронизированных на всех уровнях. Впервые выполнен синтез оптимальных алгоритмов синхронизации сетей с обменным и выравнивающим хронированием с учётом воздействия совокупности помех с многомерным совместно-гауссовым распределением вероятностей. Показано, что при наличии опорных (помеховых) каналов оптимальные алгоритмы являются компенсационными. Однако, поскольку процедура синхронизации по определению есть процесс минимизации расхождений между сигналами ведущих и ведомых станций по всем параметрам, то и при отсутствии опорных помеховых каналов оптимальные алгоритмы также являются компенсационными, и содержат на выходе фильтры сжатия сигналов, являющихся предметом особых исследований в следующем разделе.

Исследованы вопросы эффективности фильтрации сигналов на фоне нестационарных гауссовых и негауссовых помех; при этом рассмотрены как аналоговые, так и дискретные трансверсально-рекурсивные фильтры с расчётом динамики и спектрально-корреляционных связей входных и выходных процессов. Доказано, что негауссовость помех на входе фильтров сохраняется и на выходе, т.е. общепринятая гипотеза о нормализации выходных процессов, даже при узкополосности фильтров, зачастую не имеет места по причине нестационарности и негауссовости помех на входе, что показано на примере частотно-модулированной помехи, частота которой модулируется смесью случайных и детерминированных (типа гармонических или «пилообразных») функций, и проверено путём имитационного моделирования. Исследована эффективность согласованных фильтров сжатия, рассчитаны характеристики обнаружения и вероятности ошибок первого и второго родов для всех распространённых моделей сигналов с флуктуирующими параметрами. Приведены пояснения полученным результатам, полностью используемым в следующем разделе.

Проведено имитационное моделирование всех основных оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки с использованием пакетов программ MATLAB 5х. Исследованы простые и сложные сигналы с большими базами, рассчитаны статистические характеристики нормальных и негауссовых, стационарных и нестационарных помех и мешающих сигналов. Экспериментально проверена эффективность линейной и нелинейной процедуры компенсации помех в самых разнообразных, реально наблюдаемых ситуациях (с учетом многолучевости и электромагнитной совместимости), а также алгоритмы линейной и нелинейной обработки сигналов при отсутствии и наличии процедуры компенсации для сигналов с флуктуирующими параметрами при различных моделях каналов радиосвязи. Даны физически наглядные пояснения полученным результатам. Доказано, что, если опорный канал можно сформировать без особых затруднений, то в первую очередь надо использовать процедуру оптимальной компенсации помех и мешающих сигналов, позволяющую реально увеличить отношения С/П на выходе до 25 дБ в большом диапазоне изменения параметров помех, особенно при их гауссовости, стационарности и широкополосности спектра. Если помехи негауссовы, стационарные и широкополосные, то необходимо использовать оптимальную нелинейную обработку наряду с согласованной фильтрацией, что позволяет увеличить отношения С/П до 10 дБ; нестационарность помех при квазиоптимальном адаптивном построении приёмника снижает выигрыши на 2+3 дБ. Оптимальная обработка в целом, как доказано в разделе 4, в условиях широкополосных помех осуществляется параллельными нелинейным и линейно-компенсационным каналами, выходы которых суммируются, и результат поступает на вход согласованного с сигналом фильтра, что позволяет гарантировать увеличение отношения С/П более чем на 10 дБ, иногда до 17+20 дБ. Интуитивно ожидаемых 10+20=30 дБ получить в широкой полосе частот пока не удалось, необходимо переходить к более сложно реализуемым нелинейно-матричным компенсаторам с последующей многомерной цифровой согласованной фильтрацией.

В целом в диссертации развит нетрадиционный подход к оптимальному синтезу и статистическому анализу эффективности современных и перспективных информационно-телекоммуникационных систем и сетей, что позволило развить теорию приема сигналов и устойчивого функционирования многофункциональных информационно-телекоммуникационных систем в условиях действия негауссовых, нестационарных во времени и неизотропных в пространстве помех и мешающих сигналов. В том числе получены следующие основные результаты:

• Исследованы свойства метрических пространств и границ областей принятия решений в теории информационно - телекоммуникационных систем при обработке аналоговых и цифровых сигналов.

• Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно -телекоммуникационных системах при идентификации сигналов и синхронизации сетей с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

• Развиты методы и критерии оптимальности в теории информационно -телекоммуникационных систем на базе принципа гарантированного результата Гермейера и обобщенного среднего риска.

• Предложены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех в активно-пассивных радиолокационных системах и сетях радиосвязи в условиях электромагнитной совместимости радиосистем, в условиях многолучевости распространения сигналов в радиоканале и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем.

Найдены показатели эффективности реально используемых систем синхронизации в радиосвязи и радиолокации с применением процедур компенсации мешающих сигналов и помех в радиоканале.

Проведен анализ статистических характеристик сигналов и помех на выходе узкополосных аналоговых и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров с учетом негауссовости и не стационарности распределения вероятностей входных помех для различных моделей сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и для возможных эвристических схем обнаружителей.

Проведено имитационное моделирование всех основных рассмотренных в диссертации оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и мешающих сигналов.

1. Общесистемные вопросы защиты информации. Коллективная монография./ Под ред. Е.М. Сухарева. Кн. 1. - М.: Радиотехника, 2003.

2. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Экотрендз, 1996.-239с.

3. Громаков Ю.А. Концептуальные аспекты развития сотовой связи. //Электросвязь. -2003, №11.

4. Громаков Ю.А. Аспекты внедрения систем сотовой связи третьего поколения. //М.:МАС. 2002, №4.

5. Способ сотовой связи/ Громаков Ю.А., Шевцов В.А. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003124755 от 12.08.2003.

6. Фалькович С.Е., Хомяков В.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. — М.: Радио и связь, 1981.

7. Сэйдж Э., Уайт Ч. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь, 1982.

8. Устойчивые статистические методы оценки данных /Под ред. Р. Лорнера и Г. Уилкинсона. М.: Машиностроение, 1984.

9. Левин Б.Р. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1989.

10. Теория обнаружения сигналов /Под ред. П.А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984.

11. Левин Б.Р., Шварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. М.: Радио и связь, 1985.

12. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.

13. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982.

14. Малахов А.Н. Кумулянтный анализ случайных негауссовых процессов и их преобразований. М.: Сов. радио, 1978.

15. Кунченко Ю.П. Нелинейная оценка параметров радиофизических сигналов. — Киев: Вища школа, 1987.

16. Mendel J. Tutorial on Higher-order Statistics (Spectra) in Signal Processing and System Theory. Proc. IEEE, 1991, № 3.

17. Стратонович. Л.P. Условные Марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. М: Изд-во Моск. ун-та., 1966.

18. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. М.: Сов. радио, 1978.19.