автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Повышение помехоустойчивости и емкости систем радиосвязи с кодовым разделением каналов методами совместной пространственно-частотной селекции

Содержание.

Список обозначений и сокращений.

Введение.

1 Обзор существующих методов подавления узкополосных пространственно - сосредоточенных помех.

1.1 Классификация помех.

1.1.1 Классификация помех по свойствам электромагнитных полей.

1.1.2 Классификация помех по происхождению.

1.1.3 Свойства наиболее значимых для систем сухопутной подвижной радиосвязи помех.

1.2 Частотная селекция.

1.3 Пространственная селекция.

1.4 Методы совместной пространственно-частотной селекции.

1.5 Выводы.

2 Синтез алгоритмов вычисления весовых коэффициентов устройства пространственно-частотной селекции.

2.1 Математическая модель полезного сигнала и помех.

2.2 Структура устройства совместной пространственно - частотной селекции (ГТЧС).

2.3 Синтез алгоритма вычисления значений весовых коэффициентов устройства ПЧС.

2.3.1 Квазиоптимальный алгоритм вычисления весовых коэффициентов устройства ПЧС.

2.3.1.1 Вычисление коэффициентов

2.3.1.1.1 Двухкритериальный алгоритм вычисления весовых коэффициентов

2.3.1.1.1.1 Алгоритм вычисления весовых коэффициентов ^ минимизирующих мощность сигнала на выходе частотного канала.

2.3.1.1.1.2 Алгоритм вычисления весовых коэффициентов ^ . , максимизирующих мощность полезного сигнала на выходе частотного канала

2.3.1.1.1.3 Решающее правило для выбора между wx^j и

2.3.1.2 Вычисление коэффициентов м>2.

2.4 Использование компактной антенной решетки.

2.4.1 Коэффициент корреляции сигналов, принимаемых пространственно-разнесенными антеннами, в зависимости от расстояния между ними.

2.4.2 Вычисление коэффициентов устройства ПЧС в случае использования компактной антенной решетки.

2.4.2.1 Вычисление коэффициентов

2.4.2.1.1 Оптимальный алгоритм вычисления коэффициентов wl.

2.4.2.1.2 Двухкритериальный алгоритм вычисления wl.

2.4.2.2 Вычисление коэффициентов w2.

2.4.3 Оценка относительного фазового сдвига в случае компактной антенной решетки.

2.5 Режим установления связи.

2.6 Выводы.

3 Минимизация вычислительных затрат, требуемых для реализации устройства ПЧС.

3.1 Устройство определения фазового сдвига A<pt.

3.2 Реализация устройства ПЧС в частотной области.

3.2.1 Вычисление комплексных весовых коэффициентов устройства ПЧС в частотной области.

3.2.1.1 Вычисление коэффициентов wx.

3.2.1.1.1 Оптимальный алгоритм вычисления коэффициентов wx

3.2.1.1.2 Двухкритериальный алгоритм вычисления коэффициентов wl

3.2.1.2 Вычисление коэффициентов w2.

3.2.2 Выбор передаточной характеристики фильтров.

3.2.3 Оценка вычислительных затрат для реализации устройства ПЧС в частотной области.ВО

3.2.3.1 Оценка аппаратных затрат, необходимых для реализации устройства ПЧС на базовой станции системы IS-95.

3.2.3.2 Оценка аппаратных затрат, необходимых для реализации устройства ПЧС на базовой станции системы UMTS.

3.3 Выводы.

4 Моделирование устройства ПЧС.

4.1 Структура программной модели.

4.2 Методика оценки величины подавления помех и увеличения емкости системы связи.

4.2.1 Методика оценки величины подавления узкополосных пространственно-сосредоточенных помех.

4.2.2 Методика оценки увеличения емкости системы связи с кодовым разделением каналов.

4.3 Условия моделирования.

4.4 Обоснование требуемого объема статистики.

4.5 Результаты статистического моделирования.

4.6 Проверка диаграмм направленности, формируемых устройством ПЧС для каждого из частотных каналов.

4.7 Проверка спектра сигнала на выходе устройства ПЧС.

4.8 Выводы.

Мобильная связь является наиболее динамичным и быстрорастущим сектором телекоммуникационного рынка. Первые системы двусторонней радиотелефонной связи между подвижными объектами появились более 50 лет назад. Связь осуществлялась на фиксированных частотах, а передаваемые сигналы занимали широкую полосу частот. С течением времени и с ростом числа абонентов выявились проблемы, связанные с недостатком частотного ресурса и ограниченной пропускной способностью подобных систем. Это привело к идее создания сотовых систем радиосвязи [1], [2] основанной на разбиении всей обслуживаемой территории на небольшие зоны (соты или ячейки), обслуживаемые отдельной базовой станцией. При этом появилась возможность повторного использования частотного ресурса в удаленных сотах. Однако состояние техники позволило реализовать сотовые системы радиосвязи на практике только на рубеже 70-х и 80-х годов. Первая общедоступная сотовая сеть радиосвязи была развернута в Японии в 1979 году. В Европе первой сотовой системой стала система по стандарту NMT-450, развернутая в 1981 году в ряде скандинавских стран. Однако системы сотовой и транкинговой радиосвязи стали по-настоящему массовыми только после освоения диапазона 800 . 900 МГц и появления систем связи по стандартам AMPS (США, Канада), NMT-900, TACS и ETACS (Англия), HCMTS, J-TACS (Япония). Все перечисленные стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой радиосвязи.

Первый опыт эксплуатации систем сотовой радиосвязи первого поколения выявил присущие им недостатки: возможность прослушивания переговоров, наличие двойников, неэффективное использование частотного диапазона, резкое ухудшение качества связи в районах с плотной застройкой из-за замираний.

Несмотря на проявившиеся недостатки, системы сотовой радиосвязи первого поколения продолжали активно эксплуатироваться и используются до настоящего времени. Доступность услуг, компактность аппаратуры и удобство использования привели к резкому росту числа абонентов сотовых сетей, начавшемуся с середины 80-х годов. Темпы роста превысили все самые смелые прогнозы, и в настоящее время составляют до 100% в год для цифровых сетей. Общее число абонентов различных систем подвижной радиосвязи (не только сотовых) превысило 200 миллионов абонентов [3], а к 2010 году, по прогнозам, общее число абонентов мобильных сетей всех стандартов превысит 1.7 миллиарда. Резкое увеличение количества абонентов выдвинуло проблему увеличения емкости систем подвижной радиосвязи на первое место.

Емкость систем сотовой радиосвязи удалось увеличить в 3 ч- 5 раз при переходе к цифровым методам передачи сигналов и адаптивным методам обработки [5], [6] за счет использования спектрально-эффективных методов модуляции. Примером таких систем сотовой радиосвязи могут служить системы D-AMPS [7] и GSM [8], использующие временное разделение каналов, IS-95 [14], использующая кодовое разделение каналов. Все упомянутые системы принято относить ко второму поколению систем сотовой радиосвязи.

Несмотря на существенную прибавку в емкости, сегодня уже ясно, что системы сотовой радиосвязи 2-го поколения не способны полностью удовлетворить все требования, предъявляемые к современным системам мобильной радиосвязи. Развитие рынка мультимедийных услуг диктует необходимость обеспечения не только голосовой связи, но и организации видеоконференций, доступа в Интернет, передачи телевизионного сигнала, передачи больших объемов данных с высоким качеством (крайне низкой вероятностью ошибки). Однако опыт практической эксплуатации систем сотовой радиосвязи второго поколения показал существенное преимущество технологии кодового разделения каналов перед временным и частотным разделением каналов, прежде всего с точки зрения емкости системы связи. В [4] емкость системы GSM, одной из наиболее совершенных систем сотовой радиосвязи с временным разделением каналов, при передаче голоса оценивается как 10 каналов на 1 МГц полосы сигнала, а емкость системы IS-95, первой коммерческой системы сотовой радиосвязи с кодовым разделением каналов - 29.6 канала на 1 МГц полосы сигнала при одинаковом качестве речи (скорость вокодера 13 Кбит).

Помимо выигрыша в емкости, технология кодового разделения каналов обеспечивает еще целый ряд преимуществ. Основные из них следующие [4]:

S Благодаря использованию принципа «разрыв лишь после установления нового соединения» исключаются скачки качества при переходе из зоны обслуживания одной базовой станции в зону обслуживания соседней базовой станции;

S Широкий спектр сигнала и использование многолучевого приема позволяют эффективно бороться с замираниями сигнала;

S Использование корреляционной обработки делает сигнал менее чувствительным к искажениям в канале распространения;

Обеспечивается полная конфиденциальность переговоров;

S Проведенные исследования показали, что алгоритм управления ресурсами сотовой сети наиболее просто реализуется при использовании кодового разделения каналов в радиоинтерфейсе сотовой сети.

Благодаря этому технология кодового разделения каналов стала основной в системах сотовой связи третьего поколения, переход к которым должен начаться с 2000 года.

Кодовое разделение каналов [9], [10] широко применялось в системах радиосвязи специального назначения начиная с 50-х годов благодаря высокой помехоустойчивости, скрытности передачи и криптостойкости. Применение же кодового разделения каналов для систем радиосвязи общего пользования длительное время сдерживалось из-за высокой сложности алгоритмов, применяемых для обработки сигналов. Однако, революционные изменения в технологии цифровых устройств обработки сигнала, начавшиеся в конце 80-х годов и продолжающееся по настоящее время, позволили перейти к применению кодового разделения каналов в сотовых системах связи общего пользования. Первой коммерческой системой сотовой радиосвязи, использующей кодовое разделение каналов, стала система стандарта IS-95 [14], к настоящему времени получившая широкое распространение во многих странах мира, включая Россию. Первая коммерческая система по стандарту IS-95 была развернута в Гонконге в 1995 году [4]. Возможности радиоинтерфейсов систем сотовой связи 3-го поколения значительно шире, чем в системе IS-95. В частности, предусмотрено динамическое изменение полосы частот, занимаемой сигналом, скорости следования элементов ПСП, алгоритма кодирования. Обеспечивается быстрая регулировка мощности как в обратном, так и в прямом каналах. Поддерживается высокая, вплоть до 2-х Мбит/сек, скорость передачи данных, обеспечивается полная поддержка требований ISDN. Использование новейших методов обеспечения помехоустойчивого кодирования (Турбо код [11], [12], [13]) позволяет снизить требование к отношению сигнал-помеха при приеме, что равносильно увеличению емкости. Актуальность темы

Широкая полоса частот, занимаемая сигналом системы связи с кодовым разделением каналов (до 20 МГц в системах 3-го поколения) делает весьма вероятным поражение спектра сигнала случайными помехами, несмотря на частотное планирование, выполняемое при развертывании системы. Анализ характеристик помех и наиболее вероятных причин их происхождения, выполненный в разделе 1.1 на основании литературных источников, показал, что наиболее вероятные помехи будут узкополосными пространственно-сосредоточенными помехами. В разделе 1.1 также показана возможность возникновения узкополосных внутрисистемных помех в системах сотовой радиосвязи 3-го поколения. Наличие узкополосных помех может существенно снизить емкость системы связи с кодовым разделением каналов, даже в большей степени, чем систем с частотным или частотно-временным разделением каналов. Этот факт объясняется тем, что все кодовые каналы передачи данных разделяют общий частотный диапазон, при поражении которого помехой блокируются сразу все кодовые каналы. В системах связи с частотным или частотно-временным разделением каналов поражение одного из доступных частотных каналов не затрагивает функционирование остальных.

Высокая конфиденциальность переговоров, обеспечиваемая системами связи с кодовым разделением каналов, позволяет строить системы связи двойного назначения. Т.е. системы связи, одновременно предоставляющие коммерческие услуги и используемые государственными структурами для служебной связи. Особенно существенной может оказаться потеря емкости системы связи двойного назначения при ее работе во время стихийных бедствий, крупных промышленных аварий или других чрезвычайных ситуаций. В подобной ситуации одновременно с системой связи двойного назначения, будет работать большое количество других средств связи, прежде всего узкополосных, координировать действия которых и осуществлять планирование частот невозможно, в силу чрезвычайности ситуации.

Таким образом, актуальность задачи обеспечения помехозащищенности систем связи с кодовым разделением каналов, особенно систем связи двойного назначения, от узкополосных пространственно-сосредоточенных помех не вызывает сомнений.

Разработанные методы борьбы с узкополосными пространственно сосредоточенными помехами, такие как режекция спектра сигнала (частотная селекция) и пространственная селекция с использованием многоэлементных антенных решеток достаточно эффективны, но имеют существенные недостатки при их практической реализации.

Так, частотная селекция приводит к потере части энергии полезного сигнала и искажениям его автокорреляционной функции, что в условиях многолучевого распространения приводит к дополнительному ухудшению качества приема.

Использование методов пространственной селекции приводит к необходимости применения сложных антенных решеток, увеличению количества приемных трактов и требует сложных алгоритмов адаптации. Кроме того, известные устройства пространственной селекции требуют длительного времени адаптации, что снижает их эффективность в нестационарных каналах. Тем не менее, методы пространственной селекции не искажают автокорреляционную функцию сигнала, что особенно важно при многолучевом приеме.

Известны методы осуществления совместной пространственно - частотной селекции, в которых предприняты попытки устранить недостатки, присущие методам частотной и пространственной селекции в отдельности и объединить их достоинства. Но в известных методах либо осуществляют частотную селекцию в каждом из пространственно разнесенных каналов приема независимо, либо используют направленные антенны для каждого частотного канала устройства частотной селекции. Использование же фазированных антенных решеток для осуществления пространственной селекции в частотных каналах устройства частотной селекции затруднено, так как это неизбежно разрушит фазовую структуру полезного сигнала. В то же время, использование фазированных антенных решеток позволило бы полностью реализовать достоинства пространственной селекции и обеспечило бы гибкое динамическое изменение диаграммы направленности антенной системы каждого частотного канала в зависимости от конкретной помеховой обстановки. При этом возможно подавить большее, чем количество элементов антенной решетки, количество пространственно - сосредоточенных помех, если они различаются между собой также и по частоте.

Таким образом, задача подавления пространственно-сосредоточенных и/или узкополосных помех до настоящего времени не решена полностью и разработка устройства подавления таких помех, способного обеспечить повышение емкости и помехозащищенности систем связи с кодовым разделением каналов (систем двойного назначения особенно), в том числе сотовых, представляется актуальной.

Целью диссертации является: Повышение емкости и помехозащищенности систем связи с кодовым разделением каналов в условиях действия пространственно-сосредоточенных и/или узкополосных помех за счет использования совместной пространственно-частотной селекции на основе адаптивных антенных решеток.

Для достижения поставленной цели необходимо решить пять задач, из которых следующие 3 вполне очевидны:

1. Обоснование структуры устройства пространственно-частотной селекции узкополосных и пространственно-сосредоточенных помех, использующего адаптивную антенную решетку для осуществления пространственной селекции, и способного осуществить подавление большего, чем количество элементов антенной решетки, количества помех с минимальными искажениями полезного сигнала.

2. Минимизация необходимых вычислительных затрат при практической реализации устройства пространственно-частотной селекции без снижения эффективности его работы.

3. Анализ характеристик предложенного устройства пространственно -частотной селекции на основании статистического моделирования.

Решение этих трех задач должно опираться на эффективные алгоритмы вычисления весовых коэффициентов устройства совместной пространственно - частотной селекции и алгоритмы восстановления фазовой структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания при объединении сигналов частотных каналов устройства совместной пространственно-частотной селекции.

Так как известные к настоящему времени алгоритмы вычисления весовых коэффициентов приспосабливались либо к раздельно осуществляемой пространственной и частотной селекции, либо к прямому или обратному чередованию этих процессов селекции, они не являются оптимальными для предложенных с участием автора новых и поэтому недостаточно исследованных метода и устройства совместной пространственно-частотной селекции на основе адаптивной антенной решетки. Кроме того, большинство известных алгоритмов пространственной селекции требуют для своей работы обучающего или опорного сигнала и не обладают достаточным быстродействием для работы в реальных каналах распространения при высокой скорости движения мобильных станций. Этим определяются еще две задачи, которые нужно решить для достижения цели диссертации.

4. Синтез быстродействующего алгоритма вычисления весовых коэффициентов устройства совместной пространственно-частотной селекции, не требующего использования для вычисления весовых коэффициентов пилот сигнала, обучающего сигнала или какой либо априорной информации о полезном сигнале или помехах, отсутствующей в обычном приемнике системы связи с кодовым разделением каналов.

5. Синтез алгоритма восстановления фазовой структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания. Методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы методы спектрального анализа, адаптивной фильтрации, математической статистики, статистического моделирования и математические методы оптимизации. Научная новизна полученных результатов

Предложен способ осуществления совместной пространственно-частотной селекции в котором, в отличие от известных, используется произвольная адаптивная антенная решетка для осуществления пространственной селекции в каждом из частотных каналов и восстанавливается фазово-частотная структура полезного сигнала.

Синтезирован оптимальный, по критерию отношения сигнал-помеха, алгоритм вычисления комплексных весовых коэффициентов антенной решетки, не требующий априорной информации о помехах, который, в отличие от известных, не требует использования обучающего или опорного сигнала.

На основании анализа оптимального алгоритма впервые предложен способ двухкритериального формирования набора комплексных весовых коэффициентов антенной решетки.

Синтезирован квазиоптимальный двухкритериальный алгоритм вычисления весовых коэффициентов антенной решетки, реализующий предложенный способ, и существенно упрощающий вычисления, относительно синтезированного оптимального алгоритма, с минимальными потерями эффективности работы.

Предложен способ восстановления фазово-частотной структуры полезного сигнала, искаженной в результате совместной пространственно - частотной селекции, основанный на весовом суммировании компонентов полезного сигнала каждого из частотных каналов с комплексными весовыми коэффициентами, вычисляемыми на основе комплексных весовых коэффициентов антенной решетки каждого частотного канала и оценки азимутального угла прихода полезного сигнала, в отличие от известных, использующий не только фазовые, но и амплитудные соотношения весовых коэффициентов антенной решетки.

Синтезирован алгоритм восстановления фазово-частотной структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания, реализующий предложенный способ, и одновременно максимизирующий отношение сигнал-помеха на выходе согласованного фильтра (коррелятора) за счет оптимизации амплитуд комплексных весовых коэффициентов. Практическая ценность полученных результатов

Синтезированные алгоритмы позволяют разрабатывать устройства подавления помех для систем связи с кодовым разделением каналов, способные осуществлять подавление большего, чем известные устройства, количества помех при использовании простых, в том числе и двухэлементных, антенных решеток.

Разработана практически реализуемая структура устройства подавления помех, с использованием предложенного способа совместной пространственно-частотной селекции.

Использование при реализации устройства совместной пространственно-частотной селекции предложенного способа обработки сигнала в частотной области позволяет снизить требуемые вычислительные затраты при практической реализации устройства пространственно-частотной селекции.

Использование разработанного устройства подавления узкополосных пространственно-сосредоточенных помех на базовых станциях сотовых систем связи с кодовым разделением каналов позволит повысить реальную емкость систем связи за счет подавления помех, кроме того, для систем связи двойного назначения обеспечит необходимую помехозащищенность системы в условиях чрезвычайных ситуаций.

На основе статистического моделирования в условиях, максимально приближенных к реальным условиям, выполнен анализ рабочих характеристик устройства совместной пространственно-частотной селекции. Внедрение результатов

Результаты диссертации использованы при выполнении НИР «Канада» и ОКР «Кодокан» с целью увеличения пропускной способности сотовых систем связи CDMA стандарта IS-95, а также при выполнении ОКР «Акведук-К» с целью увеличения помехоустойчивости сети CDMA, о чем имеется соответствующий акт.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способ двухкритериального формирования набора комплексных весовых коэффициентов антенной решетки.

2. Двухкритериальный квазиоптимальный алгоритм вычисления комплексных весовых коэффициентов антенной решетки.

3. Способ восстановления фазово-частотной структуры сигнала, основанный на вычислении корректирующих коэффициентов с использованием оценки азимутального угла прихода полезного сигнала и комплексных коэффициентов антенной решетки каждого частотного канала.

4. Алгоритм вычисления корректирующих коэффициентов для восстановления фазово-частотной структуры полезного сигнала с одновременной максимизацией отношения сигнал помеха на выходе согласованного фильтра (коррелятора).

5. Способ реализации устройства совместной пространственно-частотной селекции в частотной области.

6. Результаты имитационного статистического моделирования обратного канала системы связи с кодовым разделением каналов с использованием на базовой станции разработанного устройства совместной пространственно-частотной селекции.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Направления развития систем и средств радиосвязи», (Воронеж, 1995), всероссийской научно-технической конференции «Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация», (Воронеж, 1997), 6-ой межрегиональной конференции Московского и Псковского обл. НТО РЭС им. A.C. Попова, (Пушкинские горы, 1996). 5-й международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», (Воронеж, 1999). Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ:

1. Пат. 2118053 RU, МПК6 CI 6Н04В 7/08. Способ приема широкополосного сигнала и устройство для его реализации (варианты) / A.B. Гармонов, А.Ю. Савинков, А.Г. Филатов. Заявлено 18.12.96; Опубл. 20.08.98, Бюл. № 23.

2. Гармонов А.В, Савинков А.Ю, Филатов А.Г. Применение пространственной селекции с целью повышения емкости систем связи с кодовым разделением каналов // Направления развития систем и средств радиосвязи: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Воронеж, 1995.

3. Щукин Н.И., Савинков А.Ю. Оптимизация временного дискриминатора широкополосного сигнала при частотной режекции спектра // Теория и техника радиосвязи. 1995. Вып. 1.

4. Щукин Н.И., Савинков А.Ю. Оптимизация выделения несущей в широкополосных системах с частотной режекцией спектра сигнала // Теория и техника радиосвязи. 1995. Вып. 2.

5. Щукин Н.И., Савинков А.Ю. Обработка ШПС в многолучевых каналах // 6-я межрегиональная конференция, Московское и Псковское обл. НТО РЭС им. A.C. Попова: Тез. докл., Пушкинские горы, 1996 г.

6. Савинков А.Ю., Усачев В.М., Щукин Н.И. Оценивание фазы несущей режектированных широкополосных сигналов // Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., Воронеж, 1997.

7. Спектральная обработка режектированного многолучевого широкополосного сигнала / A.B. Гармонов, А.Ю. Савинков, В.М. Усачев, Н.И. Щукин. // Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., Воронеж, 1997.

8. Савинков А.Ю. Алгоритм квазиоптимального приема ШПС сигнала в условиях пространственно-сосредоточенных помех // Теория и Техника Радиосвязи. 1998. Вып. 2

9. Савинков А.Ю. Применение совместной пространственно-частотной селекции для защиты от узкополосных пространственно-сосредоточенных помех в системах связи с кодовым разделением каналов // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 5 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1999.

10. Гармонов A.B., Савинков А.Ю., Карпитский Ю.Е. Итеративный квазикогерентный многолучевой прием с линейной регрессией // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 5 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1999.

11. Жданов А.Э., Савинков А.Ю. Анализ построения схемы турбокодиро-вания. // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 5 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1999.

Пример реализации устройства пространственно - частотного подавления помех, базирующегося на результатах диссертации, включая результаты статистического моделирования, применительно к стандарту IS-95 [14] приведен в [59].

4.8 Выводы

1. Проверка диаграмм направленности, формируемых антенной решеткой для каждого из частотных каналов устройства ПЧС, показала, что квазиоптимальный алгоритм вычисления весовых коэффициентов \\?х позволяет формировать близкие к оптимальным диаграммы направленности. Таким образом, проверка диаграмм направленности, выполненная в ходе моделирования устройства ПЧС, подтвердила справедливость предположения о возможности двухкритериального вычисления весовых коэффициентов которое легло в основу синтеза квазиоптимального алгоритма вычисления комплексных весовых коэффициентов .

2. Проведенное статистическое моделирование позволило количественно определить величину подавления узкополосных пространственно-сосредоточенных помех и увеличение емкости системы связи с кодовым разделением каналов в условиях воздействия на приемное устройство системы связи узкополосных пространственно-сосредоточенных помех. Величина подавления помех составила «40 дБ, что существенно повышает помехоустойчивость системы связи. Емкость системы связи в условиях воздействия на приемное устройство системы узкополосных пространственно-сосредоточенных помех возрастает в «3.5 раза.

3. Параметры устройства ПЧС при использовании квазиоптимального алгоритма вычисления комплексных весовых коэффициентов близки к параметрам устройства ПЧС, достигаемым при использовании оптимального алгоритма вычисления комплексных весовых коэффициентов м>х. Таким образом, применение квазиоптимального двухкритериального алгоритма вычисления комплексных весовых коэффициентов и^ позволяет существенно сократить вычислительные затраты практически без ухудшения качества работы устройства ПЧС.

Заключение

Выполненное исследование подтвердило правильность выбора цели диссертации. Действительно помехозащищенность систем радиосвязи с кодовым разделением каналов за счет реализации новых алгоритмов удается повысить на «40 дБ и при этом за счет подавления узкополосных простран-ствено-сосредоточенных помех можно повысить емкость системы связи с кодовым разделением каналов примерно в 3.5 раза.

Обоснована предложенная с участием автора и защищенная патентом России [57] структура устройства совместной пространственно-частотной селекции, отличающаяся от известных использованием адаптивной антенной решетки с произвольным количеством элементов для осуществления пространственной селекции в каждом из частотных каналов, а также наличием коррекции фазово-частотной структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания.

Минимизированы вычислительные затраты на реализацию устройства совместной пространственно-частотной селекции за счет отказа от использования полосовых фильтров и обработки сигнала непосредственно в частотной области, что позволило на один - два порядка сократить необходимые вычислительные затраты.

На основе имитационного статистического моделирования с использованием языка С++ и объектно-ориентированной парадигмы программирования выполнен анализ характеристик устройства совместной пространственно-частотной селекции и получены количественные оценки его параметров при работе устройства совместной пространственно-частотной селекции в составе приемного устройства базовой станции системы связи с кодовым разделением каналов. Моделирование выполнено в условиях близких к реальным, с учетом параметров канала распространения сигнала в городских условиях, помех многостанционного доступа и узкополосных пространственно-сосредоточенных помех.

Выполнен синтез оптимального, по критерию отношения сигнал-помеха, алгоритма вычисления комплексных весовых коэффициентов адаптивной антенной решетки устройства совместной пространственно-частотной селекции. В ходе синтеза было сделано обоснованное допущение о неизменности параметров канала распространения сигнала в течение всего времени наблюдения, составляющего 0.1 . 1 мс. Синтезированный алгоритм позволяет максимизировать отношение сигнал-помеха на выходе частотного канала устройства совместной пространственно-частотной селекции без использования априорной информации о параметрах помех и без использования опорного или обучающего сигнала.

Синтезирован алгоритм восстановления фазово-частотной структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания, позволяющий основываясь на оценке мощности сигнала каждого частотного канала устройства совместной пространственно-частотной селекции, оценке азимутального угла прихода полезного сигнала и с использованием известных комплексных весовых коэффициентов адаптивной антенной решетки вычислять значения корректирующих комплексных весовых коэффициентов для восстановления фазово-частотной структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания.

В ходе решения необходимых для достижения цели диссертации задач, сформулированных во введении, обнаружилось следующее непредвиденное затруднение: оптимальный, по критерию максимума отношения сигнал/помеха, алгоритм вычисления комплексных весовых коэффициентов для пространственной селекции требует решения системы нелинейных уравнений, что на практике удается осуществить только с использованием итеративных численных методов. При этом вычислительные затраты, необходимые для решения системы уравнений, нельзя предсказать заранее, так как объем вычислений существенно зависит от начальных условий. Для преодоления возникшего осложнения пришлось дополнительно сформулировать и решить следующую задачу, ставшую шестой задачей диссертации.

Синтезировать на основе оптимального алгоритма квазиоптимальный алгоритм вычисления комплексных весовых коэффициентов для пространственной селекции, не требующий сложных вычислений и при этом сохраняющий высокую эффективность.

Обсуждение промежуточных результатов работы на следующих конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция «Направления развития систем и средств радиосвязи». Воронеж, 1995

2. 6-я межрегиональная конференция, Московское и Псковское обл. НТО РЭС им. A.C. Попова: тезисы доклада, Пушкинские горы, 8-14 июля 1996

3. Всероссийская научно-техническая конференция «Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация». Воронеж, 1997

4. 5-я международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 20 - 22 апреля 1999 позволило своевременно корректировать постановку задач и точнее определять направление дальнейших исследований.

По необходимости в ходе синтеза алгоритмов вычисления комплексных весовых коэффициентов устройства ПЧС были сделаны обоснованные допущения о стационарности канала распространения в течение времени оценки и о прямоугольности спектра мощности полезного сигнала. Сделанные допущения позволили синтезировать практически реализуемые алгоритмы, а выполненное статистическое моделирование показало высокую эффективность синтезированных алгоритмов, что подтверждает правомерность сделанных допущений.

Выполненное исследование показало, что и сегодня еще сохраняется возможность улучшения метода и устройства совместной пространственно-частотной селекции за счет совершенствования структуры устройства и синтеза новых алгоритмов вычисления весовых коэффициентов адаптивной антенной решетки, алгоритмов восстановления фазово-частотной структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания. Так, при реализации устройства совместной пространственно-частотной селекции в частотной области, как это предложено в диссертации, появляется возможность адаптивного изменения полосы каждого из частотных каналов в зависимости от сложившейся помеховой обстановки. Но для реализации такой возможности потребуется, во-первых, найти алгоритм вычисления оптимальной полосы частот каждого из частотных каналов, а во-вторых, усовершенствовать синтезированные в диссертации или синтезировать новые алгоритмы вычисления весовых коэффициентов адаптивной антенной решетки, алгоритмов восстановления фазово-частотной структуры полезного сигнала и оптимального частотного взвешивания, приспособив их к работе с динамически изменяющимися частотными каналами.

1. Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. Пер. с англ. В.Н. Талызина / Под ред. И.М. Пышкина. М.: Радио и Связь, 1985.

2. Ю.А. Громаков. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. / М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998.

3. Ю. М. Горностаев. Мобильные системы 3-го поколения. / М.: Связь и бизнес, 1998.

4. Ю. М. Горностаев, JI. М. Невдяев. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA. / М.: Международный центр научной и технической информации, 1999.

5. Е. Abreu, S.K. Mitra and R. Marchesani. Nonminimum Phase Channel Equalization Using Noncausal Filters // IEEE Transaction on Signal Processing, 1997, January. Vol. 45.

6. Bernard Mulgrew, Colin F.N. Cowan. Adaptive Filters and Equalizers. / Boston/Dordrecht/London, 1988. KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS.

7. Cellular System Dual-Mode Mobile Station Base Station Compatibility Standard IS-54-B / EIA/TIA INTERIM STANDARD, April, 1992.

8. Мое Rahnema. Overview of the GSM system and protocol architecture // IEEE Communications Magazine, 1993, April.

9. Andrew J. Viterbi. CDMA. Principles of Spread Spectrum Communication. / ADDISON-WESLEY PUBLISHING COMPANY, April 1995.

10. William C. Y. Lee. Overview of Cellular CDMA // IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1991, №2, May, vol. 40.

11. C. Berrou, A. Glavieux and P. Thitimajshima. Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes // IEEE, 1993. May.

12. J. Hagenauer, P. Robertson and L. Papke. Iterative (Turbo) Decoding of Systematic Convolutional Codes with the MAP and SOVA Algorithm // In ITG-Fachbericht 130, 1994, October.

13. Bandwidth Efficient Parallel Concatenated coding Schemes / S. Benedetto, D. Divsalar, G. Montorsi and F. Pollara. // Electronics Letters, 1995, №24, vol.31.

14. TR-45. Mobile Station Base Station Compatibility Standard for Dual -Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System (published as IS-95).

15. The cdma2000 ITU-R RTT Candidate Submission.

16. Submission of Proposed Radio Transmission Technologies (ETSI-SMG2).

17. А. А. Харкевич. Борьба с помехами / М.: Наука, 1965.

18. Радиотехнические системы. / Под ред. проф. Ю. М. Казарина. // М., Высшая школа, 1990.

19. Системы подвижной радиосвязи. / Под ред. И.М. Пышкина. // М., Радио и Связь, 1986.

20. Сухопутная подвижная радиосвязь. / Под общ. Ред. B.C. Семенихи-на и И.М. Пышкина. // М., Радио и Связь, 1990.

21. Мао Zeng and Qiang Wang. On the Probability Distribution of Differential Phase Perturbed by Tone Interference and Gaussian Noise. // IEEE Transactions on Communications, 1999, № 4, April, vol. 47.

22. Khalid Hamied and Gerald Labedz. AMPS Cell Transmitter Interference to CDMA Mobile Receiver // IEEE 1996.

23. Дж. Возенкрафт, И. Джекобе. Теоретические основы техники связи. / Пер. с англ. под ред. P.JL Добрушина. М., Мир, 1969.

24. Мобильные системы 3-го поколения // Материалы семинара Siemens, M., 1999, 11 февраля, гостиница «Редиссон-Славянская».

25. О. Ф. Бокк. О быстродействии блока защиты от сосредоточенных помех. // Техника средств связи. Сер. ТРС, 1983, вып. 7.

26. О. Ф. Бокк, В. М. Грибко. Анализ работы блока защиты при воздействии на его вход белого шума // Техника средств связи. Сер. ТРС, 1985, вып. 7.

27. О.Ф. Бокк, А.Г. Луговской, A.B. Гармонов. Особенности проектирования и основные параметры блока защиты от узкополосных помех // Широкополосные системы связи. 4.2.-М.: ВИМИ. 1978.

28. О.Ф. Бокк. Анализ изменений корреляционной функции широкополосного сигнала при режекции узкополосных помех // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРС, 1975, вып. 1.

29. О.Ф. Бокк, A.B. Гармонов. Выделение известного сигнала из помех с применением блока защиты. // Техника средств связи, сер. ТРС, 1983, вып. 4.

30. A.B. Гармонов, В.М. Грибко. Расчет количества и полосы пропускания каналов блока защиты // Техника средств связи, сер. ТРС, 1983, вып 7.

31. A.B. Гармонов. Расчет энергетических потерь вызываемых неидеальностью частотных характеристик блока защиты // Техника средств связи, сер. ТРС, 1982, вып. 4.

32. О.Ф. Бокк, A.B. Гармонов. Влияние блока защиты на выходной сигнал оптимального фильтра // М., Радиотехника, 1980, т. 35, №12.

33. Н.И. Щукин, А.Ю. Савинков. Оптимизация временного дискриминатора широкополосного сигнала при частотной режекции спектра // Теория и техника радиосвязи, 1995, вып. 1.

34. Н.И. Щукин, А.Ю. Савинков. Оптимизация выделения несущей в широкополосных системах с частотной режекцией спектра сигнала // Теория и техника радиосвязи, 1995, вып. 2.

35. Диксон Р. К. Широкополосные системы. / Пер. с англ. Л. Ф. Жигулина. Под ред. В. И. Журавлева. М., Связь 1979.

36. Адаптивные фильтры. / Под. ред. К. Ф. Н. Коуэна и П. М. Гранта. / пер. с англ. Н.Л. Лихацкой под ред. С.М. Ряковского. М., Мир, 1988.

37. С.В. Первачев, А.И. Перов. Адаптивная фильтрация сообщений / М., Радио и Связь, 1991.

38. O.W. Kwon, S.K. Un and J.C. Lee. Performance of constant modulus adaptive digital filters for interference cancellation. // Elsevier Science Publishers B.V., 1992, №2, February, Vol. 26.

39. David A. Rich, Steven Bo and Frank K.A. Cassaver. Cochannel FM Interference Suppression Using Adaptive Notch Filters // IEEE Transaction on Communication, 1994, №7, July, vol. 42.

40. И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. / М., Советское радио, 1977.

41. Г. Т. Макаров, Д. М. Сазонов. Антенны. / М., Энергия, 1975.

42. Чжен. Методы оптимизации параметров антенных решеток // ТИИ-ЭР, 1971, №12, декабрь, том 59.

43. Адаптивные антенные системы / Уидроу, Мантей, Гриффис, Гуд. // ТИИЭР, 1967, №12, декабрь том 55.

44. Б. Уидроу, С. Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. / М., Радио и связь, 1989.

45. Гриффис. Простой адаптивный алгоритм для обработки сигналов антенных решеток в реальном времени // ТИИЭР, 1969, №10, октябрь, том 57.

46. Фрост. Алгоритм линейно-ограниченной обработки сигналов в адаптивной решетке // ТИИЭР, 1972, №8, август, том 60.

47. Риглер, Комптон мл. Адаптивная антенная решетка для подавления помех // ТИИЭР, 1973, №6, июнь, том 61.

48. Р.А. Монзинго, Т.У. Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. / М., Радио и связь, 1986.

49. Experimental Direction of Arrival and Spatial Signature Measurement at 900 MHz for Smart Antenna System / L. Bigler, H.P. Lin, S.S. Jeng, G. Xu. // IEEE 1995.

50. John S. Thompson, Peter M. Grant and Bernard Mulgrew. Performance of Antenna Array Receiver Algorithm for CDMA // IEEE 1996.

51. John S. Thompson, Peter M. Grant and Bernard Mulgrew. Smart Antenna Arrays for CDMA Systems // IEEE Personal Communications, 1996, October.

52. Пат. 1775865 SU A1 H 04 В 7/08 Многоканальное устройство приема широкополосных сигналов / А.В. Гармонов, С.В. Ивлев. 15/11/92 бюл. №42.

53. Пат. 1631739 SU А1 Н 04 В 7/08 Способ приема широкополосного сигнала/ А.В. Гармонов, С.В. Ивлев, А.Б. Крачковский. 28/02/91 бюл. №8.

54. Пат. 2031544 RU С1. МПК6 Н 04 В 7/04 Устройство обнаружения широкополосных сигналов при разнесенном приеме / И.Г. Безгинов, А.Н. Волчков, Т.И. Безгинова. 20.03.95 бюл. №8.

55. Пат. 2118053 RU, МПК6 CI 6Н 04 В 7/08 Способ приема широкополосного сигнала и устройство для его реализации (варианты) / А.В. Гармонов, А.Ю. Савинков, А.Г. Филатов. Заявлено 18.12.96, опубл. 20.08.98., бюл. №23.

56. TMS320C6201, TMS320C6201B Digital Signal Processors Data Sheet. / Texas Instruments Incorporated, 1998

57. А.Ю. Савинков. Алгоритм квазиоптимального двухантенного приема ШПС сигнала в условиях пространственно-сосредоточенных помех // Теория и техника радиосвязи, 1998, вып. 2.

58. JI. Е. Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. / М., Радио и связь, 1985.

59. В. М. Муттер. Основы помехоустойчивой телепередачи информации / Ленинград, Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1990.

60. John G. Proakis, Ph.D. Digital Communications / P. E. McGraw-Hill, 1995, Third Edition.

61. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. / Под редакцией У.К. Джейкса. // Пер. с англ. под ред. М.С. Ярлыкова и М.В. Чернякова. М., Связь, 1979.

62. Дж. JI. Турин. Введение в широкополосные методы борьбы с мно-голучевостью распространения радиосигналов и их применение в городских системах цифровой связи. // ТИИЭР, 1980, №3, март, т. 68.

63. Elvino S. Sousa and Vladan M. Jovanovic. Delay Spread Measurements for the Digital Cellular Channel in Toronto // Department of Electrical Engineering University of Toronto, 1992, March 18.

64. G.L. Turin. Communication through noisy, random-multipath channels. // IRE Nat. Conv. Rec., pt. 4, pp. 154 166, 1956.

65. Po-Rong Chang, Bor-Chin Wang. Adaptive Fuzzy Power Control for Mobile Radio // IEEE, 1995.

66. H.C. Бахвалов. Численные методы. /М., Наука, 1973.

67. В.И. Крылов, В.В. Бобков, П.И. Монастырский. Вычислительные методы высшей математики. / Минск, Вышэйшая школа, 1972.

68. Г. Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдел. Оптимизация в технике. / Пер. с англ. к.т.н. В.Я. Алтаева, В.И. Моторина. М., Мир, 1986.

69. В.А. Ильин, Э.Г. Позняк. Линейная алгебра. / М., Наука, 1974.

70. JI. М. Финк. Теория передачи дискретных сообщений / М, 1970.

71. Ю.Г. Сосулин. Теоретические основы радиолокации и радионавигации / М., Радио и связь, 1992

72. А.И. Дымова, М.Е. Альбац, A.M. Бонч-Бруевич. Радиотехнические Системы / М., Советское радио, 1975.

73. JI. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Пер. с англ. А. Л. Зайцева, Э. Г. Назаренко, Н.Н. Тетекина. Под ред. Ю. Н. Александрова. М., Мир, 1978.

74. Б.А. Калабеков. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов / М., Радио и связь, 1988.

75. Н. Ахмед, К.Р. Рао. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов / Пер. с англ. Т.Э. Кренкеля под ред. И.Б. Фоменко. М., Связь, 1980

76. Р. Блейхут. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. / Под ред. И.И. Глушко. М., Мир, 1989.

77. Optimum Bandwidth for CDMA / Adapted from a presentation by Klein S. Gilhousen at the International Conference on Personal, Mobile Radio and Spread Spectrum Communications // Beijing, China, October 12- 14, 1994.

78. S. Verdu. Recent Progress in Multiuser Detection in Advantages Communications and Signal Processing / Springer-Verlag Berlin-Heidelberg, 1989.

79. Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. Моделирование систем / М., Высшая школа, 1998.

80. Fuyun Ling. On the Selection of Pilot to Data Ratio for Pilot Assisted Coherent CDMA Reverse Link // New Orleans, LA, Jan. 5 8, 1998.

81. С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы / М., Высшая школа, 1983.

82. Гради Буч. Объектно-Ориентированный Анализ и Проектирование / Пер. с англ. под ред. И. Романовского и Ф. Андреева. М., Бином, С. Петербург, Невский диалект, 1998.

83. Стефан Дьюхарст, Кэти Старк. Программирование на С++ / Пер. с англи. В.А. Кравчука. Киев, НИПФ «ДиаСофт», 1993.

84. В.В. Подбельский. Язык С++ / М., Финансы и статистика, 1998.

85. В.И. Тихонов, В.И. Харисов. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем / М., Радио и связь, 1991.

86. В.И. Тихонов. Статистическая радиотехника / М., Радио и связь,1982.

87. P. Dent, G. Е. Bottomley and Т. Groft. Jakes Fading Model Revised // Electronics Letters 24th June 1993 Vol. 29 No 13.

88. Jack H. Winters. Optimum Combining in Digital Mobile Radio with Co-channel Interference // IEEE Transaction on Vehicular Technology. Vol. VT-33, № 3, August 1984.

89. Bohdan R. Tomiuk, Norman C. Beaulieu and Adnan A. Abu-Dayya. General Forms for Maximum Ratio Diversity with Weighting Error // IEEE Transactions on Communications. April 1999, volume 47, number 4.

90. Ю.Н. Тюрин, A.A. Макаров. Статистический анализ данных на компьютере / под ред. В.Э. Фигурнова, М., ИНФРА*М, 1998.

91. Справочник по прикладной статистике / Под ред. Э. Ллойда, У. Jle-дермана. // Пер. с англ. под ред. Ю.Н. Тюрина. М., Финансы и статистика, 1989.

92. Lin S and Costello D. J. Error Control Coding: Fundamentals and Applications / Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1983.

93. У. M. Сиберт. Цепи, Сигналы, Системы / Пер. с англ. Э. Я. Пастро-на, В. А. Усика. Под ред. И. С. Рыжака. М., Мир, 1988.

94. Квазикогерентный прием фазоманипулированного сигнала в системах CDMA / Гармонов А. В., Карпитский Ю. Е., Каюков И. В., Манелис В. Б.

95. Радиолокация, навигация, связь: тез. докл. 5 Междунар. науч.-техн. конф., Воронеж, 1999.

96. В. А. Колемаев, В. Н. Калинина. Теория вероятностей и математическая статистика / М., ИНФРА-М, 1997.

97. В. П. Дьяконов, И. В. Абраменкова. Mathcad 7 в математике, физике и в Internet / М. Нолидж, 1998.