автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов в каналах мобильных инфокоммуникационных систем

На правах рукописи

КОКУНИН ПЕТР АНАТОЛЬЕВИЧ

ПОЛИГАУССОВЫ АЛГОРИТМЫ СОВМЕСТНОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ-ДЕКОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В КАНАЛАХ МОБИЛЬНЫХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.12,13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2006

Работа выполнена на кафедре радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Казанского государственного технического университета

им. А.Н.Туполева

Научный руководитель

доктор физико-математических профессор Надеев Ад ель Фирадович

наук,

Научный консультант

академик АН РТ, доктор технических наук, профессор Чабдаров Шамиль Мидхатович

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Сидоров Владимир Васильевич кандидат технических наук, доцент Тахаутдинов Велер Салихович

Ведущая организация

Институт проблем информатики АН Республики Татарстан

Защита состоится " " _2006 г. в "(4° часов на заседании

диссертационного Совета Д 212.079.03 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, д.10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева.

Автореферат разослан -й»

2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук профессор

Г.И.Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Последние достижения в области микроэлектронных, коммуникационных и информационных технологий, привели к стремительному развитию мобильных инфокоммуникационных систем. Мобильные инфокоммуникационные системы - это класс систем, включающий, как гражданские системы, так и системы специального назначения, решающие задачи предоставления коммуникационных и информационных услуг подвижным пользователям с использованием различных видов интегрированных абонентских терминалов. Основными тенденциями развития перспективных мобильных инфокоммуникационных систем являются увеличение объемов передаваемой информации и требований к качеству предоставляемых услуг, передача разнородной информации через единую коммуникационную, инфраструктуру, расширение функциональных возможностей, перспективных систем. Одной из центральных проблем инфокоммуникационных систем стала проблема обеспечения качества предоставляемых услуг (QoS - Quality of Service) в условиях ограниченных системных ресурсов, в частности, радиочастотных. -

Важнейшей составляющей QoS является группа параметров, характеризующих надежность информационного обмена, в частности вероятность битовой ошибки. С этим параметром также связаны и другие важнейшие характеристики, такие, как пропускная способность системы, задержки передачи информации, В свою очередь вероятность битовой ошибки во многом определяется принципами обработки информации на нижних уровнях инфокоммуникацион-ной системы - канальном и физическом.

Поэтому одним из важнейших направлений повышения QoS и, как следствие, повышения эффективности системы в целом является совершенствование методов обработки информации на канальном и физическом уровнях.

Разработке алгоритмов и методов обработки сигналов как на физическом, так и на канальном уровнях посвящена, большое количество научных трудов, среди которых следует отметить работы отечественных ученых Ко-тельникова В.А., Варакина Л.Е., Тихонова В,И., Ширмана Я.Д., Чабдарова Ш.М., Кловского Д.Д., Николаева Б.И. и зарубежных - Феера К., Витерби А.Д, Омура Дж.К., Форни Дж, Д. и др.

При этом следует отметить, что мобильные инфокоммуникационные системы характеризуются сложной структурой сигнально-помехового комплекса, формируемого в результате воздействия таких факторов, как большое число одновременно работающих передатчиков, имеющих свободный доступ в радиоканал, многолучевая структура распространения сигналов и близость подстилающей поверхности радиолиний систем подвижной радиосвязи, что приводит к различным видам флуктуацйй сигналов и порождает поток переотраженных сигналов, недостаточное обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, а в системах специального назначения - и комплексы преднамеренных помех от средств радиоэлектронной борьбы, в том числе со Структурой полезных сигналов.

В результате воздействия этих факторов сигналы и помехи представляют собой случайные процессы, со сложными негауссовскими распределениями, что необходимо учитывать при синтезе алгоритмов обработки сигналов. В настоящее время ведутся работы, посвященные изучению проблем обработки сигналов в негауссовских каналах связи, среди них работы Сосулина Ю.Г., Ше-лухина О.И., Метлицкого В.А., Голяницкого И.А., Карпова И.Г. и др. При этом известные алгоритмы приводят к сложным нелинейным процедурам обработки, характер нелинейности которых зависит от вида негауссовских распределений.

Большие возможности как при описании сигналов и помех, так и при анализе и синтезе алгоритмов и устройств обработки сигналов представляют вероятностные смеси стандартных распределений, которые получили всестороннее развитие в работах Ш.М.Чабдарова и его учеников: Сафиуллина Н.З., Феоктистова АЛО., Надеева А.Ф., Файзуллина Р.Р., Егорова А.Е, и др. Задачи оптимального обнаружения, различения, разрешения случайных процессов с произвольными законами распределений решаются на основе использования универсальных полигауссовых, марково-смещанных, суммарно-смешанных полигауссовых моделей и соответствующих методов. В рамках этой школы были получены оптимальные и адаптивные алгоритмы разрешения сигналов на фоне комплекса негауссовских помех и шумов, на основе квазидетерминированных моделей сигналов и помех решена задача синтеза алгоритма обнаружения-различения радиоимпульсных многоэлементных сигналов на фоне комплекса шумовых и импульсных помех с использованием марково-смешанной пол и гауссовой модели, получены алгоритмы приема многоэлементных сигналов в целом с поэлементным принятием решений.

з .

Для обеспечения наибольшей эффективности системы необходимо, чтобы при разработке алгоритмов обработки информации максимально учитывались многоуровневая структура информационного обмена иифокоммуникаци-онных систем и процессы межуровневого информационного обмена. При оптимизации процессов Межуровневого информационного обмена необходимо учитывать информацию о процессах на одних уровнях при организации процедур на другах уровнях. Одним из направлений повышения эффективности инфокоммуникационных систем является совместная оптимизация процедур физического и канального уровней, направленная на обеспечение более полного информационного взаимодействия при организации процедур обработки информации, в частности, процедур демодуляции и декодирования.

В настоящее время вопросам" разработки совмещенных процедур демодуляции-декодирования посвящено большое количество работ, среди которых следует выделить работы Кловского.Д.Д. и Николаева Б.И.. Между тем, эти работы преимущественно опираются на гауссовские модели и корреляционные методы обработки сигналов.

Конструктивным направлением совершенствования алгоритмического обеспечения мобильных инфокоммуникационных систем является разработка алгоритмов совместной демодуляции-декодирования на основе вероятностных моделей после'корреляционного уровня, при ' этом учитывается объективно сложная структура сигнально-помехового комплекса и особенности межуровневого информационного обмена.

Исходя из вышеизложенного формулируется цель диссертационной работы и основные задачи ее достижения.

Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем на основе разработки полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования сигналов при воздействии комплекса негауссовских помех.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Развитие комплексного подхода к решению задачи обработки сигналов с учетом многоуровневого иерархического принципа организации информационного взаимодействия в мобильных инфокоммуникационных системах в условиях воздействия комплекса негауссовских помех.

2. Выбор и обоснование вероятностных моделей сигиально-помехового комплекса в радиоканалах мобильных инфокоммуникационных систем.

3. Решение задачи синтеза алгоритма совместной демодуляции-декодирования флуктуирующих сигналов ,на фоне комплекса негауссовских помех.

4. Имитационное моделирование и анализ вероятностных характеристик синтезированных алгоритмов.

5. Разработка устройства обработки сигналов на основе синтезированных алгоритмов.

Методы исследований

Теоретические исследования. Используются аналитические методы теории вероятности и математической статистики» теории статистических решений, теории полигауссовых случайных явлений.

Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения для задач статистического и имитационного моделирования, реализованного с помощью следующих программных средств: Borland Delphi Enterprise 7.0 (Build 5.62), MathCad 2001 Professional.

Научная новизна

В работе впервые:

1) Синтезированы полигауссовы .алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем в комплексе негауссовских помех, имеющие однородную параллельную структуру, инвариантную относительно характера сигнально-помехового комплекса;

2) Обоснован вид поликорреляционных решающих статистик в виде взвешенной суммы частных гауссовских функционалов правдоподобия, обеспечивающих адекватное представление специфики сигнально-помехового комплекса для процедур канального декодирования;

3) Проведено исследование характеристик полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования в условиях воздействия комплекса негауссовских помех, которое свидетельствует о достоверности полученных результатов и эффективности синтезированного алгоритма;

4) Разработаны рекомендации по управлению канальным кодированием по результатам оценивания статистик сигнально-помехового комплекса;

'S) Разработано оригинальное устройство демодуляции-декодирования сигналов в условиях воздействия комплекса негауссовских помех.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Получила дальнейшее развитие методика лолигауссового синтеза алгоритмов обработки сигналов с учетом принципов построения мобильных инфоком-муникационных систем в условиях воздействия комплекса негауссовских помех; '

2) Синтезированы полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования, обеспечивающие повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем вследствие учета реальных характеристик канала связи, формирования адекватных решающих статистик и их использования в процессе канального декодирования;

3) Создано программное обеспечение для проведения исследований характеристик синтезированных алгоритмов методом статистического и имитационного моделирования, являющееся удобным инструментальным средством для повышения эффективности работы разработчиков аппаратуры мобильных инфокоммуникационных систем. .

4) Разработано устройство обработки радиоимпульсных сигаалов, обеспечивающее повышение эффективности мобильных инфокоммуникационных систем в части повышения помехоустойчивости и пропускной способности при обработке радиоимпульсных сигналов в комплексе негауссовских помех.

5) Рассмотрены вопросы практической реализации полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования на современной элементной базе.

6) Разработана структура адаптивной базовой станции, при функционировании которой осуществляется адаптация к локальному сигнально-помеховому комплексу, формируемому в районе базовой станции.

• Материалы диссертации прошли апробацию на следующих научно-технических конференциях и семинарах: 7-й Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке» (Харьков, 2003), Всероссийская научно-практическая конференция «Динамика и развитие иерархических (многоуровневых) систем» (Казань, 2003), Международная научная конференция к 95-летию академика В.А.Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В,А.Котельникова» (Москва, 2003), Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004), . 1-я, 2-я и 3-я Международные научно-практические конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2003,2004,2005).

Публикации, Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 14 печатных работах и 3 научно-технических отчетах.

Диссертация выполнялась в соответствии с 1) научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Информационно-телекоммуникационные технологии» (НИР номер гос. регистрации 01.200308756), 2) конкурсными грантами по «Программе развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001 -2005г.г.»-(Гранты Академии наук республики Татарстан № 06-6.8-164 /2002 (Ф), № 066.8-164 /2003 (Ф)), 3) планом научных работ кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева.

Внедрение результатов диссертации. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в ФГУП «Ка-, занский научно-исследовательский институт радиоэлектроники», а также в учебном процессе в КГТУ им. А.Н.Туполева.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Полигауссовы вероятностные модели представления сигнально-. помехового комплекса в каналах мобильных инфокоммуникаци-

онных систем;

• Полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфо коммуникационных систем в комплексе негауссовских помех;

• Характеристики полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем при. воздействии комплекса негауссовских помех, свидетельствующие о работоспособности полученных алгоритмов, повышении помехоустойчивости и относительной пропускной способности.

• Оригинальное устройство разрешения-декодирования сигналов в комплексе негауссовских помех.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 101 наименование отечественных и

зарубежных источников, в том числе 10 работ авторами содержит 229 страниц основного машинописного текста, 70 рисунков, 3 таблицы и приложение.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы, решаемые задачи, перечислены основные положения, выносимые на защиту. Приведена структура диссертации, форма апробации и внедрения ее результатов. •

В первой главе рассмотрены направления развития, вопросы построения мобильных инфокоммуникационных систем, проведен анализ существующих методов обработки сигналов, реализации информационного обмена в рамках многоуровневого информационного взаимодействия в мобильных инфокоммуникационных системах.

Проведенный в первой главе анализ свидетельствует об актуальности поставленных цели и задач.

Во второй главе строго сформулирована и решена задача аналитического синтеза алгоритмов совместной демодуляции-декодирования (СДД) при воздействии комплекса негауссовских помех. ;

Проведено обоснование выбора вероятностной модели представления сигнально-помехового комплекса с учетом распределений в реальных каналах связи и экспериментальных данных. При этом экспериментальные данные подтверждают теоретические предположения о существенной негауссовости каналов мобильных инфокоммуникационных систем, о чем свидетельствует представленная гистограмма амплитудного распределения, построенная на основе экспериментальных данных, рис. 1.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Жх)1

ю

100

Рис.1. Амплитудное распределение, диапазон 800 МГц

С использованием феноменологически, теоретико-вероятностно и экспериментально обоснованных вероятностных моделей синтезированы ал горит-

мы совместной демодуляции-декодирования для общей пол и гауссовой модели сигнально-помехового комплекса и для марково-смешанной полигауссовой модели сигнально-помехового комплекса.

. Рассмотрим задачу демодуляции-декодирования А"-элементных сигналов, соответствующих сигналам, применяемым в мобильных инфокоммуника-ционных системах. Сигналы, применяемые в таких системах, — это дискретные многоэлементные сигналы, которые могут быть представлены выражением:

где (О ~ элементарный сигнал, который может быть как широкополосным,

так и узкополосным, форма которого определяется, в том числе, заданным методом модуляции; % — определяет тип сигнала определяется, в частности, видом расширяющей последовательности); / — тип инфбрмационного символа, для двоичного случая "0м или "Г*, / - определяется видом сверточного кода и передаваемой информацией; гг — величина, определяющая случайное время прихода сигнала #-типа; к - номер временной позиции многоэлеменггного сигнала.

Полигауссова многомерная плотность вероятности, соответствующая принимаемому сигналу, имеет вид:

н

= .....йк)= £ (2)

где присутствуют отсчеты входного колебания ик ={и1,иг.....}, соответствующие всем К — временным позициям соответствующего сигнала g = ltGt в рамках каждой из которой сформированы ¿-мерные векторы

«*=/"«/».....

Плотность распределения вероятности импульсной помехи при условии ее наложения с вероятностью Р„ на к-ю временную позицию может быть представлена в виде:

л»«/

Плотность вероятности белого гауссовского шума:.

= (4)

9 . .

На основе полигауссового метода синтеза получено выражение для ус-

♦ • * ' «

ловных отношений правдоподобия: '

которые включают частные гауссовские функционалы отношения правдоподобия:

¡'«"Г* (и) = С'*Г* х ехрГг^Т* (й)-~Э'«Г* (и)] (6)

*еХр[г1-Г'(и)~~э'пГ' +1э'*ти(«>] (7)

»

Синтез алгоритма совместной демодуляции-декодирования осуществляется в соответствии с критерием максимума правдоподобия на основе получен- . ной поликорреляционной статистики-(5). Процесс декодирования представляется как выбор оптимальной траектории, формируемой на решетке состояний. Каждая траектория характеризуется решающими статистиками, формируемыми в результате обработки входного колебания.

Для решения задачи эффективного выбора оптимальной траектории используется алгоритм Витерби, позволяющий сократить число анализируемых траекторий. В каждый момент времени 1к решетка содержит узлы (состояния) . число которых определяется видом сверточного кода. Каждому многоэле-

' к

ментному сигналу -т.) соответствует единственная тра-

ектория у, формируемая на решетке:

(8)

где ~у} — номера узлов, соответствующие /-ой траектории. С учетом полученного вектора наблюдений для каждой траектории,/ определена статистика в виде функции правдоподобия:

где ик — вектор наблюдения, соответствующий А-и позиции многоэлементного сигнала, или одному биту кодового слова; К- число битов информа-

ции, составляющих траекторию, - величина, определяющая длину задержки принятия решения, или длина траекторий, по которым принимается решение при реализации алгоритма Витерби.

^ В соответствии с алгоритмом Витерби совокупность оптимальных траекторий / находится как:

Л-в^мвх^лС). (Ю)

где множество т.н. «уцелевших» к моменту 1К траекторий для сигнала

В каждый момент времени 1к необходимо помнить только об «уцелевших» траекториях г/ (число которых не превышает число узлов решетки в момент ¡к и определяется видом применяемого сверточного кода) и характеризующих их статистиках. Для перехода к моменту времени необходимо продолжить «уцелевшие» траектории к моменту в рамках всевозможных «разрешенных» переходов 4к,к+; = {Ук>Ук+{)* число которых определяется видом сверточного кода, и, в соответствии с (5), (9), определить статистики для продолженных траекторий у* .

. На рис.2 представлена структурная схема полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования. Структура алгоритма содержит ряд параллельных каналов, соответствующих числу типов обрабатываемых сигналов. В каждом из каналов формируется поликорреляционная статистика в виде функционала отношения правдоподобия, на основе анализа которой в блоке выбора оптимальной траектории осуществляется определение типа принимаемого сигнала # и выбор оптимальной траектории соответствующей принимаемому декодируемому сигналу.

Блок корреляционной обработки

"I

У'*' п

(ик)

Блок весового суммирования

Блок выбора оптимальной траектории

Рис.2.Структурная схема ПГ- алгоритма совместной демодуляции-декодирования

Для учета объективной внутренней зависимости многоэлементных сигналов в реальных каналах при синтезе алгоритма были использованы марково-смешанные полигауссовы вероятностные модели описания сигнально-помехового комплекса. В реальных каналах связи отдельные элементы многоэлементных сигналов не являются полностью независимыми. Так при генерации на передающей стороне многоэлементного сигнала выходными каскадами передающего устройства его элементарные сигналы формируются в идентичных энергетических условиях. При этом, если скорость изменения параметров радиоканала мала относительно длительности многоэлементного сигнала (что, как правило, выполняется в реальных радиоканалах), эта взаимосвязь элементов сигнала в определенной степени сохраняется и на приемной стороне.

В. работе рассмотрена задача совместной демодуляции-декодирования для марково-смешанных вероятностных моделей сигнально-помехового комплекса.

В этом случае многоэлементные сигналы задаются марково-смешанными полигауссовыми моделями (МС-ПГ моделями):

£ Щйк,т'* .[а'? \},к-Тк,1 = и, >

(п)

где р'к* Ц* ) и Р1,* (я** ) — элементы переходных матриц и вектора начальных вероятностей.

Кроме того, в наблюдаемом колебании присутствуют белый гауссовский шум пш (/) и ординарный поток независимых импульсных помех пп (/), с вероятностью Р„ накладывающихся на к-ю временную позицию многоэлементного сигнала.

Итоговые, рекуррентно вычисляемые, функционалы отношения правдоподобия л'/= /,(?,/ = 1,1 имеют вид:

к

i ^(^[«ьИ^.к.«/-'). en)

и'* ж!

J,, -и «^К^уом

К!',."/"--^—--{-.

i í'-k-K-'Vrfe)

(14)

z (15)

L»*(ñkMi-pJ«(ükj+p„ х fe). (i6)

-i'

Начальные условия (при к-1) имеют следующий вид:

(17)

. л, , !-. (18)

±

«;«-/ • V

Таким образом, алгоритм совместного различения-декодирования:

j^argmncAMu). (19)

J*K

Входящие в выражение (19) поликорреляционные статистики Л%(и) вычисляются в соответствии с выражениями (12>(18). В структуре алгоритма содержится блок выбора оптимальной траектории, в котором на основе, рекур-рентно формуемой поликорреляционной решающей статистики (12), в соответствии с алгоритмом Витерби осуществляется построение, анализ и выбор оптимальной траектории, которой соответствует декодированная информационная последовательность.

Так же, как и все полигауссовы алгоритмы, данный алгоритм имеет многоканальную структуру, где каждый из каналов соответствует одному из частных функционалов отношения правдоподобия /«(•). При этом частные функционалы отношения правдоподобия на каждом ¿-том шаге формируются не для всего вектора наблюдения и, а только для отсчетов йк, соответствую-

щих к-и временной позиции. По данным частным функционалам отношения правдоподобия рекуррентно формируются функционалы отношения правдоподобия /1* , представляющие собой поликорреляционные решающие статистики, используемые для операции декодирования. Существенно, что в отличие от традиционных полигауссовых алгоритмов, веса ц'* гауссовских компонент сигнала не вводятся в виде постоянных коэффициентов, а также рекуррентно вычисляются по частным функционалам отношения правдоподобия. При этом на каждом А-том шаге на основе всех предшествующих наблюдений ы рекуррентно вычисляются апостериорные вероятности номеров компонент сигнала ^("ь-;]"*') и затем, с учетом переходных матриц ||ра'* ||, они экстраполируются

на к-й шаг в виде весов гауссовских компонент ц* (п* ¡и/"').

Полученные алгоритмы были обобщены для случая решения задачи разрешения-декодирования, когда одновременно выполняется демодуляция-декодирование сигналов, поступающих от нескольких передатчиков на фоне негауссовских помех. Полигауссов алгоритм совместного разрешения-декодирования имеет характерную для полигауссовых алгоритмов однородную параллельную структуру инвариантную относительно характера сигнально-помехового комплекса. -

Рассмотрены вопросы преодоления априорной неопределенности в отношении весовых коэффициентов в распределении негауссовских помех. Разработан адаптивный алгоритмов рамках которого оценка весовых коэффициентов гауссовских компонент помехи осуществляется по совокупности частных гауссовских функционалов отношения правдоподобия /" (•), формируемых для основного ствола алгоритма, в котором вырабатывается решение о сигнале, и, таким образом, ствол адаптации естественно встраивается в структуру алгоритма приема многоэлементных сигналов.

В работе рассмотрены вопросы обработки радиоимпульсных широкополосных сигналов, конкретизированы алгоритмы обработки для сигналов, представленных квазидетерм и ни рован н ой; моде л ью. Полигауссовы представления мгновенных значений случайного процесса порождают полирайсовы. модели огибающей, в настоящей работе при описании сигнально-помехового комплекса, представленного квазидетерминированной моделью, амплитудные множители сигналов и помех были представлены марково-смешанными полнрелеевы-

* 15

ми моделями, являющимися частным случаем марково-смешанных полирайсо-• выхмоделей. ' 1'. ; ■

г

Рассмотрены вопросы организации выбора, схемы кодирования, на основе анализа поликорреляционных статистик;' получаемых в ходе обработки сигналов.

В третьей главе проведено исследование характеристик синтезированных алгоритмов методом статистического компьютерного моделирования. Для этих целей было разработано соответствующее программное обеспечение.

символа от амплитуды сигнала, 1 символа от вероятности наложения поме-1 - корреляционный алгоритм СДД, хи, 1 - корреляционный алгоритм СДД, 2 - полигауссов алгоритм СДД 2 - полигауссов алгоритм СДД

Рис. 5. Зависимость относительной пропускной способности от амплитуды, а - корреляционный алгоритм СДД, б - полигауссов алгоритм СДД, У и Уь Уь У* - скорости сверточного кодирования.

На рис. 3 и 4 представлены зависимости вероятности битовой ошибки от амплитуды и от вероятности наложения помехи для полигауссового и корреляционного алгоритмов совместной демодуляции-декодирования, где Рош - ве-

роятносгь битовой ошибки, Б - амплитуда сигнала. На рис.5 представлены зависимости относительной пропускной способности Б от амплитуды сигнала.

При "моделировании рассматривалась ситуация обработки детерминированных широкополосных сигналов на фоне белого гауссовского шума и полигауссовой помехи с параметрами: N=3 (число гауссовских компонент), 41=0,4; я2=0,3; Чэ=0,3 (весовые коэффициенты); ш}=1; ш2=3; шз=5 (мат.ожидания гауссовских компонент); О|=0,2; 02=0,2; а3=0,5 (среднеквадрати-ческие отклонения гауссовских компонент).

Результаты сравнительного анализа данных статистического моделирования свидетельствуют о том, что разработанные алгоритмы являются работоспособными и позволяют увеличить эффективность системы в части повышения помехоустойчивости и пропускной способности.

Применение синтезированных полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования позволяет снизить вероятность ошибки в конкретных ситуациях более чем в 5 раз по отношению к корреляционному алгоритму.

Важной особенностью полученных алгоритмов является то, что существенный выигрыш обеспечивается в том числе и в области малых значений амплитуд полезного сигнала. Максимальный выигрыш обеспечивается при ярко выраженных многомодальных распределениях помехи с неодинаковыми весовыми коэффициентами гауссовских компонент.

Анализ зависимости вероятности ошибки от вероятности наложения помехи показал эффективность применения полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования, при этом выигрыш полигауссового алгоритма по отношению к корреляционному алгоритму увеличивается по мере возрастания вероятности наложения помехи.

Результаты моделирования показывают, что использование синтезированного полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования позволяет существенно увеличить относительную пропускную способность в конкретных ситуациях в 2 и более раз.

В четвертой главе рассмотрен вопрос практической реализации синтезированных алгоритмов на основе современной элементной базы: ПЛИС и цифровых сигнальных процессоров. Оценена вычислительная сложность синтези-

рованных алгоритмов, .

Разработаны структурная; Схема устройства разрешения-декодирования широкополосных радиоимпульсных сигналов и структурная схема адаптивной базовой станции, обеспечивающая адаптацию к параметрам локального сиг-нально-помехового комплекса, формируемого в районе территориального размещения и функционирования базовой станции,

В заключении формулируются выводы, и приводится перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе,

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В данной рабрте проаеденьГразработка и исследования новых алгоритмов обработки сигналов, направленные на повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем в условиях воздействия комплекса негауссовских помех. При этом получены следующие основные результаты:

• Получил развитие комплексный подход к решению задачи обработки сигналов мобильных инфокоммуникационных систем с реализацией процедуры сверточного декодирования в условиях воздействия комплекса негауссовских помех;

• По результатам анализа экспериментальных данных показан сложный вид распределений в реальных каналах мобильных инфокоммуникационных систем, на основе аппроксимации экспериментальных гистограмм обосновано применение вероятностных моделей представления сигнально-помехового комплекса в виде взвешенных сумм стандартных мономо-

. дальних распределений;

• Разработаны . полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования, имеющие однородную многоканальную структуру, позволяющие существенно повысить помехоустойчивость инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех;

• На основе квазидетерминированных моделей сигналов и помех решена задача синтеза алгоритма разрешение-декодирования радиоимпульсных многоэлементных сигналов с марково-смешанными полирайсовыми рас-

пределениями амплитуд на фоне комплекса шумовых и импульсных помех;

• Разработано программное обеспечение для статистического моделирования и анализа характеристик полученных алгоритмов, являющееся удобным инструментом при проектировании устройств на основе синтезированных алгоритмов. Проведено статистическое моделирование в ходе которого моделировалась обработка широкополосных сигналов со структурой соответствующей структуре сигналов применяемых в современных Мобильных инфокоммуникационных системах. Результаты моделирования свидетельствуют о работоспособности и эффективности полученных алгоритмов, и показывают, что применение синтезированных полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования позволяет в конкретных ситуациях более чем в 5 раз повысить помехоустойчивость, и более чем в 2 раза относительную пропускную способность по сравнению с алгоритмами, основанными на корреляционных методах обработки;

•. Предложены рекомендации по выбору алгоритмов обработки информации на канальном уровне на основе анализа поликорреляционных статистик, формируемых на физическом уровне;

• Разработано оригинальное устройство обработки многоэлементных широкополосных радиоимпульсных сигналов, позволяющее повысить помехоустойчивость системы в условиях воздействия негауссовских помех;

• Разработана структура адаптивной базовой станции, в которой реализуются функции адаптации к локальному сигнально-помеховому комплексу формирующемуся в районе размещения базовой станции.

Представленные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в работе решена научная задача, заключающаяся в разработке полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования, позволяющих существенно повысить помехоустойчивость и пропускную способность мобильных инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Файзуллин P.P., Надеев А.Ф., Егоров А.Е. «Новые классы моделей и методов статистической микроэлектроники послекорреляционного уровня: исследование, систематизация и анализ элементов многообразия вероятностных смесей различных явлений при разных вероятностных взаимодействиях»..Этап 2002 г. «Исследование, систематизация и анализ смешанных вероятностных моделей при разных типах смешиваемых компонент»//Отчет по НИР по гранту №06-6.8-164/2002(Ф) Академии наук Республики Татарстан. Казань, 2002,90 с.

2. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Сафонов B.J1., Файзуллин P.P., Надеев А.Ф., Егоров А.Е. Новые, классы поли гауссовых моделей в статистической теории * приема сигналов современных радиоэлектронных сис-тем/Л'Прикладная радиоэлектроника", №6,2003, 11 с.

3. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Феоктистов А.Ю., Егоров А.Е., Каримуллин Э.М. «Новые классы моделей и методов

статистической радиоэлектроники послекорреляционного уровня: исследова-

1

ние, систематизация и анализ элементов многообразия вероятностных смесей различных явлений при разных вероятностных взаимодействиях». Этап 2003 г. «Синтез алгоритмов проверки статистических гипотез в случае одновременного присутствия различных сигналов при комплексе помех и шумов с произволь-нь1ми флуктуациями»// Отчет по НИР по гранту № 06-6.8-164 /2003 (Ф) Академии наук Республики Татарстан,. Казань, 2003, 120с.

4. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Феоктистов А,Ю., Егоров А.Е., Каримуллин Э.М. «Новые классы моделей и методов статистической радиоэлеюроники послекорреляционного уровня: исследование, систематизация и анализ элементов многообразия вероятностных смесей различных явлений при разных вероятностных взаимодействиях». Этап 2004 г. «Синтез алгоритмов обработки радиоимпульсных сигналов современных систем связи с подвижными объектами при комплексе помех и шумов с, произвольно заданными флуктуациями»// Отчет по НИР по гранту № 06-6.8164/2004 (Ф) Академии наук Республики Татарстан,. Казань, 2004,46с.

5. Кокунин П.А., Егоров А.Е. Алгоритм разрешения флуктуирующих многоэлементных сигналов при априорной неопределенности относительно значений вероятностей компонент импульсной помехи. // 7-й Международный

молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке», Украина, Харьков, 21 - 23 апреля 2003г.

6. Кокунин П.А. Полигауссовы модели и методы в многоуровневой иерархической концепции построения инфокоммуникационных системМ Всероссийская научно-практическая конференция «Динамика и развитие иерархических (многоуровневых) систем», Казань, 21-22 ноября 2003г.

7. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е. Модели н алгоритмы обработки сигналов на основе вероятностных смесей в перспективных системах подвижной радиосвязи. // Международная научная конференция к 95-летию академика, В.АЛСотельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова», Москва, 29-30 октября 2003г.

8. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Файзуллин P.P., Надеев А.Ф., Егоров А.Е. Разработка и исследование алгоритмов приема при негауссовских флуктуациях сигналов и комплекса помех в перспективных системах подвижной радиосвязи. // Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии», Сочи, 19-26 сентября, 2004 года,

9. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Егоров А.Е. Обработка сигналов в негауссовских каналах перспективных систем подвижной радиосвязи. // Международная научно-практическая конференция «Инфокоммуникационные технологии Глобального Информационного Общества». Казань. 2003. С.306-310.

10. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Файзуллин P.P., Надеев А.Ф. Адаптивная обработка сигналов в негауссовских каналах перспективных систем подвижной радиосвязи. // 2-я Ежегодная международная научно-практическая конференция «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества», Казань, 2-3 сентября, 2004 года.

11. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Файзуллин P.P., Надеев А.Ф. Синтез алгоритма обработки флуктуирующих радиоимпульсных сигналов в комплексе негауссовских помех. // Всероссийская научно-практическая конференция «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2004»

12. Кокунин П.А., Чабдаррв Ш.М., Закиров З.Г., Надев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е. Поликорреляционная обработка сигналов перспективных систем подвижной радиосвязи.// Телекоммуникации. 2005, № 1.С.27-31.

13. Кокунин ПЛ., Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров' А.Е. Поли корреляционный алгоритм совместной демодуляции-декодирования сигналов перспективных систем мобильной связи. // ТРУДЫ «Российского научно технического общества радиотехники, электроники и связи имени А-С.Попова», серия: Научная сессия, посвященная дню Радио, Москва, 2005 год.

14. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е. Устройство разрешения радиоимпульсных сигналов на фоне произвольной помехи //Патент на изобретение № 2269205 от 27.01.06г. ■

15. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., . Егоров А.Е., Ефимов E.H. Устройство разрешения радиоимпульсных сигналов ■ на фоне произвольной помехи //_ Патент на полезную модель № 42373 от

27.11.04г.

\ 16. Кокунин П.А., Чабдаров Ц1.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P. Совместная оптимизация процедур физического и канального уровней на основе моделей в виде вероятностных моделей. 3-я Ежегодная международная научно, практическая конференция «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества», Казань, 8-9 сентября, 2005 года.

17. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е. ■ Поликорреляционный алгоритм совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем. Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск №2(43).-Казань: КГТУ (КАИ). 2005. С.27-32,

Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Усл.кр.-отт. 1,21. Уч.-изд.л. 1,07.

Тираж 100. Заказ И 74.

Издательство Казанского государственного технического университета Типография Издательства Казанского государственного технического

университета 420111 Казань, К.Маркса, 10

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В РАМКАХ МНОГОУРОВНЕВОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МОБИЛЬНЫХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ.

1.1. Тенденции развития мобильных инфокоммуникационных систем.

1.2. Структурная схема обобщенной инфокоммуникационной системы в соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем.

1.2.1. Многоуровневое информационное взаимодействие в инфокоммуникационных системах.

1.3. Методы повышения эффективности инфокоммуникационной системы.

1.4. Вопросы совершенствования процедур межуровневого взаимодействия.

1.4.1. Формализация задачи обеспечения качества обслуживания (QoS).

1.4.2. Совершенствование межуровневого информационного обмена в рамках многоуровневой структуры построения инфокоммуникационных систем.

1.5. Формулировка целей и задач диссертации.

ГЛАВА 2 СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ СОВМЕСТНОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ-ДЕКОДИРОВАНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КОМПЛЕКСА НЕГАУССОВСКИХ ПОМЕХ.

2.1. Постановка задачи оптимизации алгоритмического обеспечения обработки информации в рамках многоуровневого информационного взаимодействия.

2.2. Обоснование выбора модели представления сигнально-помехового комплекса.

2.3. Постановка задачи совместной демодуляции-декодирования сигналов перспективных мобильных инфокоммуникационных систем.

2.4. Синтез полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем.

2.5. Синтез алгоритма совместной демодуляции-декодирования на основе марково-смешанных вероятностных моделей.

2.6. Вопросы преодоления априорной неопределенности в отношении параметров комплекса помех.

2.7. Синтез алгоритмов для квазидетерминированной модели сигналов и помех.

2.8. Вопросы двухуровневой обработки информации.

2.9. Основные результаты и краткие выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛИГАУССОВЫХ АЛГОРИТМОВ СОВМЕСТНОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ-ДЕКОДИРОВАНИЯ

3.1. Статистическое моделирование алгоритмов совместной демодуляции-декодирования.

3.2. Анализ результатов статистического моделирования синтезированных алгоритмов.

3.3. Основные результаты и краткие выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ СОВМЕСТНОЙ ДЕМОДУЛЯЦИИ-ДЕКОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ МОБИЛЬНЫХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

4.1. Проработка путей реализации синтезированных алгоритмов

4.2. Устройство разрешения широкополосных радиоимпульсных сигналов.

4.3. Адаптивная базовая станция.

4.4. Основные результаты и краткие выводы по главе 4.

Последние достижения в области микроэлектронных, коммуникационных и информационных технологий привели к стремительному развитию мобильных инфокоммуникационных систем. Мобильные инфокоммуникацион-ные системы - это класс систем, включающий как гражданские системы, так и системы специального назначения, решающие задачи предоставления коммуникационных и информационных услуг подвижным пользователям с использованием различных видов интегрированных абонентских терминалов. Основными тенденциями развития перспективных мобильных инфокоммуникационных систем являются увеличение объемов передаваемой информации и требований к качеству предоставляемых услуг, передача разнородной информации через единую коммуникационную инфраструктуру, расширение функциональных возможностей перспективных систем. Одной из центральных проблем инфокоммуникационных систем стала проблема обеспечения качества предоставляемых услуг (QoS - Quality of Service) в условиях ограниченных системных ресурсов, в частности, радиочастотных.

Важнейшей составляющей QoS является группа параметров, характеризующих надежность информационного обмена, в частности, вероятность битовой ошибки. С этим параметром также связаны и другие важнейшие характеристики, такие как пропускная способность системы, задержки передачи информации. В свою очередь вероятность битовой ошибки во многом определяется принципами обработки информации на нижних уровнях инфокоммуникацион-ной системы - канальном и физическом.

Поэтому одним из важнейших направлений повышения QoS и, как следствие, повышения эффективности системы в целом является совершенствование методов обработки информации на канальном и физическом уровнях.

Разработке алгоритмов и методов обработки сигналов как на физическом, так и на канальном уровнях посвящено большое количество научных трудов, среди которых следует отметить работы отечественных ученых Ко-тельникова В.А., Варакина J1.E., Тихонова В.И., Ширмана Я.Д., Шинакова Ю.С., Кловского Д.Д., Карташевского В.Г., Николаева Б.И., Чабда-рова Ш.М. и зарубежных - Феера К., Витерби А.Д, Омура Дж.К., Форни Дж. Д. и др.

При этом следует отметить, что мобильные инфокоммуникационные системы характеризуются сложной структурой сигнально-помехового комплекса, формируемого в результате воздействия таких факторов, как большое число одновременно работающих передатчиков, имеющих свободный доступ в радиоканал, многолучевая структура распространения сигналов и близость подстилающей поверхности радиолиний систем подвижной радиосвязи, что приводит к различным видам флуктуаций сигналов и порождает поток переотраженных сигналов, недостаточное обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, а в системах специального назначения - и комплексы преднамеренных помех от средств радиоэлектронной борьбы, в том числе, со структурой полезных сигналов.

В результате воздействия этих факторов сигналы и помехи представляют собой случайные процессы, со сложными негауссовскими распределениями, что необходимо учитывать при синтезе алгоритмов обработки сигналов. В настоящее время ведутся работы, посвященные изучению проблем обработки сигналов в негауссовских каналах связи, среди них работы Сосулина Ю.Г., Шелухина О.И., Метлицкого В.А., Голяницкого И.А., Карпова И.Г. и др. При этом известные алгоритмы приводят к сложным нелинейным процедурам обработки, характер нелинейности которых зависит от вида негауссовских распределений.

Большие возможности как при описании сигналов и помех, так и при анализе и синтезе алгоритмов и устройств обработки сигналов представляют вероятностные смеси стандартных распределений, которые получили всестороннее развитие в работах Ш.М.Чабдарова и его учеников: Сафиуллина Н.З., Феоктистова А.Ю., Надеева А.Ф., Файзуллина P.P., Егорова А.Е. и др. Задачи оптимального обнаружения, различения, разрешения случайных процессов с произвольными законами распределений решаются на основе использования универсальных полигауссовых, марково-смешанных, суммарно-смешанных полигауссовых моделей и соответствующих методов. В рамках этой школы были получены оптимальные и адаптивные алгоритмы разрешения сигналов на фоне комплекса негауссовских помех и шумов, на основе квазидетерминиро-ванных моделей сигналов и помех решена задача синтеза алгоритма обнаружения-различения радиоимпульсных многоэлементных сигналов на фоне комплекса шумовых и импульсных помех с использованием марково-смешанной полигауссовой модели, получены алгоритмы приема многоэлементных сигналов в целом с поэлементным принятием решений.

Для обеспечения наибольшей эффективности системы необходимо, чтобы при разработке алгоритмов обработки информации максимально учитывались многоуровневая структура информационного обмена инфокоммуникаци-онных систем и процессы межуровневого информационного обмена. При оптимизации процессов межуровневого информационного обмена необходимо учитывать информацию о процессах на одних уровнях при организации процедур на других уровнях. Одним из путей повышения эффективности инфоком-муникационных систем является совместная оптимизация процедур физического и канального уровней, направленная на обеспечение более полного информационного взаимодействия при организации процедур обработки информации, в частности, процедур демодуляции и декодирования.

В настоящее время вопросам разработки совмещенных процедур демодуляции-декодирования посвящено большое количество работ, среди которых следует выделить работы Кловского Д.Д., Карташевского В.Г., Николаева Б.И. Между тем, эти работы преимущественно опираются на гауссовские модели и корреляционные методы обработки сигналов.

Конструктивным направлением совершенствования алгоритмического обеспечения мобильных инфокоммуникационных систем является разработка алгоритмов совместной демодуляции-декодирования на основе вероятностных моделей послекорреляционного уровня, при этом учитывается объективно сложная структура сигнально-помехового комплекса и особенности межуровневого информационного обмена.

Исходя из вышеизложенного формулируется цель диссертационной работы и основные задачи ее достижения.

Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем на основе разработки полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования сигналов при воздействии комплекса негауссовских помех.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Развитие комплексного подхода к решению задачи обработки сигналов с учетом многоуровневого иерархического принципа организации информационного взаимодействия в мобильных инфокоммуникационных системах в условиях воздействия комплекса негауссовских помех.

2. Выбор и обоснование вероятностных моделей сигнально-помехового комплекса в радиоканалах мобильных инфокоммуникационных систем.

3. Решение задачи синтеза алгоритма совместной демодуляции-декодирования флуктуирующих сигналов на фоне комплекса негауссовских помех.

4. Имитационное моделирование и анализ вероятностных характеристик синтезированных алгоритмов.

5. Разработка устройства обработки сигналов на основе синтезированных алгоритмов.

Методы исследований

Теоретические исследования. Используются аналитические методы теории вероятности и математической статистики, теории статистических решений, теории полигауссовых случайных явлений.

Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения для задач статистического и имитационного моделирования, реализованного с помощью следующих программных средств: Borland Delphi Enterprise 7.0 (Build 5.62), MathCad 2001 Professional.

Научная новизна

В работе впервые:

1) Синтезированы полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем в комплексе негауссовских помех, имеющие однородную параллельную структуру, инвариантную относительно характера сигнально-помехового комплекса;

2) Обоснован вид поликорреляционных решающих статистик в виде взвешенной суммы частных гауссовских функционалов правдоподобия, обеспечивающих адекватное представление специфики сигнально-помехового комплекса для процедур канального декодирования;

3) Проведено исследование характеристик полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования в условиях воздействия комплекса негауссовских помех, которое свидетельствует о достоверности полученных результатов и эффективности синтезированного алгоритма;

4) Разработаны рекомендации по управлению канальным кодированием по результатам оценивания статистик сигнально-помехового комплекса;

5) Разработано оригинальное устройство демодуляции-декодирования сигналов в условиях воздействия комплекса негауссовских помех. Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Получила дальнейшее развитие методика полигауссового синтеза алгоритмов обработки сигналов с учетом принципов построения мобильных инфокоммуникационных систем в условиях воздействия комплекса негауссовских помех;

2) Синтезированы полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования, обеспечивающие повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем вследствие учета реальных характеристик канала связи, формирования адекватных решающих статистик и их использования в процессе канального декодирования;

3) Создано программное обеспечение для проведения исследований характеристик синтезированных алгоритмов методом статистического и имитационного моделирования, являющееся удобным инструментальным средством для повышения эффективности работы разработчиков аппаратуры мобильных инфокоммуникационных систем.

4) Разработано устройство обработки радиоимпульсных сигналов, обеспечивающее повышение эффективности мобильных инфокоммуникационных систем в части повышения помехоустойчивости и пропускной способности при обработке радиоимпульсных сигналов в комплексе негауссовских помех.

5) Рассмотрены вопросы практической реализации полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования на современной элементной базе.

6) Разработана структура адаптивной базовой станции, при функционировании которой осуществляется адаптация к локальному сигнально-помеховому комплексу, формируемому в районе базовой станции.

Материалы диссертации прошли апробацию на следующих научно-технических конференциях и семинарах: 7-й Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке» (Харьков, 2003), Всероссийская научно-практическая конференция «Динамика и развитие иерархических (многоуровневых) систем» (Казань, 2003), Международная научная конференция к 95-летию академика В.А.Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова» (Москва, 2003), Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004), 1-я, 2-я и 3-я Международные научно-практические конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2003, 2004, 2005).

Публикации. Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 14 печатных работах и 3 научно-технических отчетах.

Диссертация выполнялась в соответствии с 1) научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Информационно-телекоммуникационные технологии» (НИР номер гос. регистрации 01.200308756), 2) конкурсными грантами по «Программе развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001-2005г.г.» (Гранты Академии наук республики Татарстан № 06-6.8-164 /2002 (Ф), № 066.8-164 /2003 (Ф)), 3) планом научных работ кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева.

Внедрение результатов диссертации. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в ФГУП «Казанский научно-исследовательский институт радиоэлектроники», а также в учебном процессе в КГТУ им. А.Н.Туполева.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Полигауссовы вероятностные модели представления сигнально-помехового комплекса в каналах мобильных инфокоммуникационных систем;

• Полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем в комплексе негауссовских помех;

• Характеристики полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех, свидетельствующие о работоспособности полученных алгоритмов, повышении помехоустойчивости и относительной пропускной способности.

• Оригинальное устройство разрешения-декодирования сигналов в комплексе негауссовских помех.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 101 наименование отечественных и зарубежных источников, в том числе 10 работ автора, и содержит 229 страниц основного машинописного текста, 70 рисунков, 3 таблицы и приложение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе проведены исследования новых алгоритмов обработки сигналов, направленные на повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем в условиях воздействия комплекса негауссовских помех. При этом получены следующие основные результаты:

• Получил развитие комплексный подход к решению задачи обработки сигналов мобильных инфокоммуникационных систем с реализацией процедуры сверточного декодирования в условиях воздействия комплекса негауссовских помех;

• По результатам анализа экспериментальных данных показан сложный вид распределений в реальных каналах мобильных инфокоммуникационных систем, на основе аппроксимации экспериментальных гистограмм обосновано применение вероятностных моделей представления сигнально-помехового комплекса в виде взвешенных сумм стандартных мономодальных распределений;

• Разработаны полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования, имеющие однородную многоканальную структуру, позволяющие существенно повысить помехоустойчивость инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех;

• На основе квазидетерминированных моделей сигналов и помех решена задача синтеза алгоритма разрешения-декодирования радиоимпульсных многоэлементных сигналов с марково-смешанными полирайсовыми распределениями амплитуд на фоне комплекса шумовых и импульсных помех;

• Разработано программное обеспечение для статистического моделирования и анализа характеристик полученных алгоритмов, являющееся удобным инструментом при проектировании устройств на основе синтезированных алгоритмов. Проведено статистическое моделирование, в ходе которого моделировалась обработка широкополосных сигналов со структурой, соответствующей структуре сигналов, применяемых в современных мобильных инфокоммуникационных системах. Результаты моделирования свидетельствуют о работоспособности и эффективности полученных алгоритмов и показывают, что применение синтезированных полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования позволяет в конкретных ситуациях более чем в два раза повысить помехоустойчивость, а также относительную пропускную способность по сравнению с алгоритмами, основанными на корреляционных методах обработки;

• Предложены рекомендации по выбору алгоритмов обработки информации на канальном уровне, на основе анализа поликорреляционных статистик, формируемых на физическом уровне;

• Разработано оригинальное устройство обработки многоэлементных широкополосных радиоимпульсных сигналов, позволяющее повысить помехоустойчивость системы в условиях воздействия негауссовских помех;

• Разработана структура адаптивной базовой станции, в которой реализуются функции адаптации к локальному сигнально-помеховому комплексу, формирующемуся в районе размещения базовой станции.

Диссертация выполнялась в соответствии с 1) планом научных работ кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева, 2) Научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Информационно-телекоммуникационные технологии» (НИР номер гос. регистрации 01.200308756), 3) конкурсными грантами по «Программе развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001-2005г.г.» (Гранты Академии наук республики Татарстан № 06-6.8-164 /2002 (Ф),№ 06-6.8-164/2003 (Ф)).

Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены и использованы в ряде плановых работ ФГУП «КНИИ-РЭ», Академии наук Республики Татарстан, в ряде плановых бюджетных и хоздоговорных работ Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева, а также использованы в учебном процессе по специальностям (210402) 2012, (210402) 2010 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева. Использование результатов диссертационной работы подтверждается актами о внедрении и использовании.

Представленные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в работе решена научная задача, заключающаяся в разработке полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования, позволяющих существенно повысить помехоустойчивость мобильных инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех.

1. Перспективы развития 3G сетей http://kunegin.narod.ru/ref6/cdrna/12.htm

2. Файзуллин P.P., Надеев А.Ф., Рахимов Р.Х., Феоктистов А.Ю. Статистические модели и методы обработки сигналов в системах радиосвязи / учебное пособие КГТУ им.А.Н.Туполева, Казань, 1996, 94С.

3. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. М.: Радио и связь, 2000. 520с.4. "Cell Planning For Wireless Communications" Manuel F. Catedra, Jesiis Perez-Arriaga

4. Файзуллин P.P. Полигауссовы алгоритмы и мультипроцессоры разрешения сигналов систем активного запроса и ответа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 1990. 170 с.

5. ISPACS-98, Melbourne, Australia (November 1998), рр.432-436 "Joint Map Detection And Channel Estimation For CDMA Over Frequency-Selective Fading Channels" Linda Davis and Iain Collings

6. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 45, NO. 5, MAY 1997 "A Linear Receiver for Coded Multiuser CDMA" Paul D. Alexander, Lars K. Rasmussen and Christian B. Schlegel

7. Department of Electrical and Computer Endineering "Iterative Multiuser Detection and Decoding" by Suman Das, Elza Erkip, Joseph R. Cavallaro and Behnaam Aazhang

8. PIMRC'94, The Hague, The Netherlands, Sep. 1994

9. A Comparison of CDMA, TDMA and Slotted Aloha Multiple Access Schemes in Cellular Mobile Radio Systems" Michele Zorzi and Luciano Tomba

10. Helsinki University of Technology Laboratory of Telecommunications Technology "ITERATIVE MULTIUSER RECEIVERS IN CODED CDMA SYSTEMS" Kimmo Kettunen

11. IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 40, NO. 2, MAY 1991 "On the Capacity of a Cellular CDMA System" Klein S. Gilhousen, Irwin M. Jacobs, Roberto Padovani, Andrew J. Viterbi, Lindsay A. Weaver, Jr., and Charles E. Wheatley III

12. Proceedings of the 1998 Winter Simulation Conference D.J. Medeiros, E.F. Watson, J.S. Carson and Manivannan, eds. "ESTIMATES OF MULTICARRIER CDMA SYSTEM CAPACITY" Tony Dean, Phil Fleming, Alexander Stolyar

13. Groupe d'Etude des Systemes de Telecommunications Ecole Nationale Superieure d'Ingenieurs de Limoges "Multiuser Detectioh for DS-CDMA transmission Systems using Neural Network Techniques" J.P. CANCES and V. MEGHDADI

14. Кокунин П.А., Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е. Поликорреляционная обработка сигналов перспективных систем подвижной радиосвязи// Телекоммуникации. 2005. № 1.С.27-31

15. Markku Juntti "Multiuser Demodulation For DS-CDMA Systems In Fading Channels", OULU UNIVERSITY LIBRARY, OULU 199816. "Multiuser Detection for CDMA Systems", Prepared by Peter Ang for Professor Teresa Meng

16. Guoqiang Xue, Jianfeng Weng, Tho Le-Ngoe, and Sofiene Tarah, "Multiuser Detection Techniques: An Overview", Engineering Concordia University, October, 1998.

17. He Ping, T.T. Tjhung, Lars K. Rasmussen "Multiuser Detection Based On Maximum Signal-Interference and Noise Ratio for Synchronous CDMA System", National University of Singapore.

18. Гончаров E.B. Многопользовательское детектирование как метод улучшения характеристик системы CDMA// «Электросвязь», №12, 1998

19. Гармонов А.В., Гончаров Е.В., Манелис В.Б. Статистический анализ алгоритмов многопользовательского детектирования. V международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 1999.

20. Крейнделин В.Б., Панкратов Д.Ю. Линейные алгоритмы многопользовательского детектирования// «Электросвязь», №11, 2002.

21. Невдяев JI. CDMA: многопользовательское детектирование.// «Сети», №8,2000.

22. ITU-T Recommendation X.200 (1994) | ISO/IEC 7498-1:1994, Information Technology Open Systems Interconnection - Basic Reference Model: The Basic Model.

23. Шварц M. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. Пер. с англ./Под ред.В.И.Неймана.-М.:Наука, 1992,-Часть I. 336с.

24. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. Пер. с англ./Под ред. В.И.Неймана.-М.:Наука, 1992,-Часть II. 272с.

25. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. Пер. с англ./Под ред. Н.Б.Лиханова, В.А.Михайлова, С.П.Федорцова, Б.С.Цыблакова. М.:Мир, 1989. 544с.

26. Закиров З.Г., Файзуллин P.P., Надеев А.Ф. Сотовая связь стандарта GSM. М.: Эко-Трендз, 2004. 264с.28. Сети UMTS/ www.syrus.ru

27. Иванов П. QoS в глобальном измерении // Сети, №7,2003.

28. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения. М.: Связь и Бизнес, 2000. 208с.

29. Кловский Д. Д. Обработка сигналов при совместной демодуляции -декодировании в каналах с межсимвольной интерференцией // Электросвязь, № 4,1999.

30. Алышев Ю.В., Борисенков А.В., Кловский Д.Д., Николаев Б.И. Цифровая обработка сигналов при мягком декодировании в каналах с многолучёво-стью и перемежением кодовых символов // Доклады 4-й международной конференции DSPA-2002 (Санкт-Петербург).

31. Венцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969, 576с.

32. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985, 384 с.

33. Чабдаров Ш.М. Полигауссовы приемники произвольно флуктуирующих сигналов. Изв. Вузов. Радиоэлектроника, 1977, Т.20, №9, с.32-38.

34. Форни Г.Д. Алгоритм Витерби//ТИИЭР, 1973. Т.61. №3. С.12-25.

35. Карташевский В.Г. Обработка пространственно-временных сигналов в каналах с памятью. М.: Радио и связь, 2000. - 272с.

36. Бобков В.Ю., Вознюк М.А., Петраков В.А., Рыжков А.Е., Сивере М.А. Передача информации в системах подвижной связи. СПб.:СПбГУТ, 1999, 152с.

37. Кульбак С. Теория информации и статистика. М.:Наука, 1967,408с.

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

39. Большаков И.А., Туткин Л.С., Левин Б.Р., Стратонович Р.Л. Математические основы современной радиоэлектроники. М.: Сов.радио, 1968,208 с.

40. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1,2. М.:Сов.радио, 1968.

41. Николаев Б.И. Последовательная передача дискретных сообщений по непрерывным каналам с памятью. М.: Радио и Связь, 1988, 264С.

42. Архипкин В.Я., Голяницкий И.А. B-CDMA: Синтез и анализ систем фиксированной радиосвязи. М.: Эко-Тренз, 2002, 200С.

43. Голяницкий И.А. Оптимальная пространственно-временная обработка негауссовых полей и процессов. М.: МАИ, 1994.

44. Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования. М.: Радио и Связь, 1982, 534С.

45. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. М.: Связь, 1969,376С.

46. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. М.: Сов. радио, 1978, 320С.

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

48. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: Справочник / Коржик В.И., Финк J1.M., Щелкунов К.Н.; Под. ред. J1.M. Финка. М.: Радио и связь, 1981. 232С.

49. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Рахимов Р.Х., Феоктистов А.Ю. Статистические модели и методы обработки сигналов в системах радиосвязи: Учебное пособие./Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 1997. 90 с.

50. Чабдаров Ш.М., Сафиуллин Н.З., Феоктистов А.Ю. Основы статистической теории радиосвязи: Полигауссовы модели и методы: Учеб. пособ. Казань: КАИ, 1983. 87С.

51. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Феоктистов А.Ю., Файзуллин P.P. Оптимальный прием многопозиционных сигналов при комплексе шумовых и импульсных помех с произвольными флуктуациями// Радиотехника, 1990. №12. С.32-35.

52. Чабдаров Ш.М. Многомерное распределение огибающей при произвольных распределениях радиосигналов и помех// Радиотехника. 1981. Т.36. №7. С.24-32.

53. Джефф Томас В ожидании QoS// Computerworld, 2003. №30.

54. Абрамов А., Быков И. Обеспечение QoS в сетях cdma2000 //Мобильные телекоммуникации. 2003. №2.

55. Кульгин М. Введение в систему управления трафиком // LAN 1998.11.

56. Блейхут Р. Теория и практика кодов контролирующих ошибки. Пер.с англ. М.: Мир, 1986. - 576с.

57. Полляк Ю.Г., Филимонов В.А. Статистическое машинное моделирование средств связи. М.: Радио и связь, 1988,175 с.

58. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез в условиях априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Советское радио, 1977, 432 с.

59. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности: Справ, изд./ Под ред. проф. С.А.Айвазяна, М.: Финансы и статистика, 1989, 607 с.

60. Чабдаров Ш.М. Оптимальность линейной обработки для обнаружения сигнала при некоторых помехах// Радиоэлектроника, 1975. Т.18. №4. С.123-125 (Изв.высш.учебн.заведений).

61. Чабдаров Ш.М. Многопороговый прием при произвольных флуктуа-циях импульсных помех и сигналов // Повышение помехоустойчивости и эффективности радиоэлектронных систем и устройств. Вып.2. Горький: Изд-во Горьк. ун-та, 1977. С.3-8.

62. Хворостенко Н.П. О статистических характеристиках интегральной «обратной связи по решению» // Радиотехника. 1979. - №5. - С. 12-16.

63. Макаров С.Б., Цикин И.А. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания. М.: Радио и связь, 1988. -304с.

64. Чабдаров Ш.М., Феоктистов А.Ю. Помехоустойчивость многопорогового приема при комплексе шумовых и импульсных помех// Сб. научн. тр./ Рязанский радиотехнический ин-т, 1981. С.3-9.

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

66. Сафиуллин Н.З. Анализ стохастических систем и его приложения. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 1998. 168 с.

67. Чабдаров Ш.М., Сафиуллин Н.З., Галеева Р.З. Функциональное преобразование негауссовских сигналов в динамических системах// Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах. Межвузовский сборник. Горький, 1988. С.6-11.

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

69. Чабдаров Ш.М., Насыров И.З., Файзуллин P.P., Хасанов Р.И. Полигауссов алгоритм оценки состояния сигнально-помеховой обстановки/ Казань, 1988. Деп. В ВИНИТИ 11.08.88 №6814-В88.18 с.

70. Кловский Д.Д., Николаев Б.И. Инженерная реализация радиотехнических схем. М.: Связь, 1975. - 2000 с.

71. Кловский Д.Д., Сойфер В.А. Обработка пространственно-временных сигналов. М.: Связь, 1976. - 207с.

72. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Хасанов Р.И. Синтез и анализ мультипроцессорной системы полного разрешения произвольно флуктуирующих сигналов и полей: Тез.докл. Всес. Науч.-техн. конф. Харьков-Туапсе, 1989. С.36.

73. Брюно С.А., Субботин А.П. Микропроцессорный генератор негауссовских случайных сигналов// В межвуз. сб. научн. трудов. «Микропроцессорные средства в РЭА и технологии ее производства». М.: 1986.

74. Фалькович С.Е., Пономарев В.И., Шкварко Ю.В. Оптимальный прием пространственно-временных сигналов в радиоканалах с рассеянием. М.: Советское радио, 1989.-296с.

75. Надеев А.Ф. Метод синтеза оптимальных алгоритмов классификации сигналов на основе марково-смешанных полигауссовых вероятностных моделей. // Телекоммуникации. 2002. №2. С. 2-5.

76. Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е. Синтез обобщенного алгоритма разрешения флуктуирующих многоэлементных сигналов на основе марково-смешанных вероятностных моделей. // Телекоммуникации. 2003. № 10. С. 11-15.

77. Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е. Адаптивный алгоритм разрешения многоэлементных сигналов. //Телекоммуникации. 2003. №11. С. 2-5.

78. Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) // http://www.tt.ru

79. Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P., Егоров А.Е., Дараган М.А. Обобщенный алгоритм разрешения флуктуирующих многоэлементных сигналов/Науч. практ. сб. Электронное приборостроение. Выпуск № 5 (33). Казань, КГТУ/КАИ. 2003г.

80. Лабунько О.С., Данилов В.А., Касымов Д.И. Адаптивное подавление внутрисистемных помех. // Радиотехника. 2005. № 5.С.35-40.

81. Перов А.И., Харисов В.Н. Квазигауссовский алгоритм дискретной фильтрации. // Радиотехника. 2000. № 12.С.41-47.

82. Карпов И.Г., Галкин Е.А. Амплитудно-фазовое обнаружение сигналов на фоне узкополосных некоррелированных негуссовских помех. // Радиотехника. 2000. № 12.С.35-40.

83. Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин P.P. Сотовая связь стандарта GSM. М.:ЭКОТРЕНЗ, 2004, стр. 95.

84. Шипулин С., Губанов Д., Стешенко В., Храпов В. ПЛИС элементная база систем управления и обработки сигналов XXI века // Электронные Компоненты //http://www.elcp.ru/index.php?state=izd&iizd=elcomp&i num=2001 01&i art=02

85. Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС (Занятие 1. Обзор элементной базы) // Chip News // http://www.chip-news.rU/archive/chipnews/199908/2.html.

86. Стешенко В.Б., Петров А.В. Аппаратная реализация декодера Витерби // Доклады 6-й международной конференции DSPA-2004 (Том 1) // http://www.autex.spb.ru/dspa/dspa2004/partl.htm

87. Viterbi Compiler. User Guide. Altera Corporation. Document Version: 4.2.1 rev 1, Document Date: February 2005.

88. DSP SELECTION GUIDE (Digital Signal Processors • System Solutions • Development Tools) Copyright 2003, Texas Instruments Incorporated.