автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Приём широкополосных сигналов в многолучевых каналах с динамическим регулированием мощности



На правах рукописи

пр

Шушнов Максим Сергеевич

Г

ПРИЁМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ в МНОГОЛУЧЕВЫХ КАНАЛАХ С ДИНАМИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

003484362

Шушнов Максим Сергеевич

ПРИЁМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ в МНОГОЛУЧЕВЫХ КАНАЛАХ С ДИНАМИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ

Специальность 05.12.13- Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фалько А.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Носов В.И.

кандидат технических наук, доцент Тырыкии C.B.

Ведущая организация: ФГУП Научно-исследовательский институт электронных приборов, г.Новосибирск

Защита состоится 4Ъ декабря 2009г. в -/2 часов на заседании диссертационного совета Д 219.005.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу: 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86, комн. 625.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ».

Автореферат разослан « ! 1. » ноября 2009 г.

Ученый секретарь ____

диссертационного совета Д 219.005.01 ' (/ /

доктор технических наук, профессор ^УИл^ Мамчев Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы

Развитие современных систем подвижной радиосвязи, увеличение количества функционирующих радиоэлектронных средств ведут к постоянному усложнению сигнапьно-помеховой обстановки на входах приемных устройств и обострению проблемы помехоустойчивости. С проблемами помехозащищенности и помехоустойчивости тесно связаны задачи обеспечения электромагнитной совместимости и пропускной способности систем радиосвязи, поиска возможностей повторного использования доступных участков спектра, необходимых для развития инфраструктуры систем радиосвязи.

Рост количества и качества предоставляемых услуг средствами подвижной радиосвязи напрямую зависят от решения задач электромагнитной совместимости от совершенствования алгоритмов приема и обработки полезных сигналов в условиях действия помех различной природы.

Эффективность работы систем подвижной радиосвязи в значительной мере определяется не только мешающими воздействиями типа флуктуационного шума, но и взаимными помехами одновременно работающих радиосредств, среди которых большую долю составляют внутрисистемные помехи. Воздействие внутрисистемных помех приводит к существенному снижению помехоустойчивости приема полезных сигналов. Поэтому защита систем подвижной связи от влияния внутрисистемных, действующих в радиоканалах, является важной научно-технической задачей.

Теория потенциальной помехоустойчивости разработана ее основоположником В.А. Котельниковым и получила развитие в работах P.J1. Стратоновича, Т. Кайлата, В.И. Тихонова, М.С. Ярлыкова, Ю.Г. Сосулина, Д.Д. Кловского, Г. Ван Триса, A.A. Харкевича, В.И Сифорова, Д. Мидлтона, Б.Р. Левина, JI.M. Финка, И.С. Андронова, Н.С. Теплова, В.В. Шахгильдяна, В.Г. Репина, Г.П. Тартаковского, Л.Е Варакина, А.Г Зюко, Ю.С. Шинакова, А.П. Трифонова, А.И. Фалько, A.A. Сикарева, В.И. Коржика, И.А. Цикина, В.Ф. Комаровича, М.П. Хворостенко и многих других ученых.

Основной проблемой в системе радиосвязи с множественным доступом и расширением спектра сигнала прямой последовательностью (ПП МДКР) является борьба с эффектами вариации уровня сигнала на входе приемника и противодействие интерференционным помехам, возникающим в результате использования общей полосы частот множеством пользователей и многолучевого распространения сигнала в канале.

Настоящая работа посвящена исследованию вопросов построения мобильных систем связи с динамическим регулированием мощности в каналах подвижной радиосвязи с интерференционными помехами.

Рассматриваемые в данной работе адаптивные алгоритмы регулирования мощности, основанные на уменьшении влияния интерференционных помех, действующих в канале, позволяют повысить помехоустойчивость систем подвижной связи.

Цель работы

Целью настоящей работы является исследование приема широкополосных сигналов в многолучевых каналов с динамическим регулированием мощности, где используются широкополосные сигналы, полученные методом прямого расширения спектра.

Основные задачи исследования

Поставленная цель исследований требует решения следующих основных задач:

1. Анализ существующего состояния проблемы зашиты от внутрисистемных помех.

2. Исследование адаптивного приема сигналов в условиях многолучевости и воздействия помех.

3. Исследование адаптивных алгоритмов регулирования мощности.

4. Анализ помехоустойчивости приема при использовании адаптивных алгоритмов регулирования мощности.

5. Сравнительный анализ качества методов оценивания интерференционных помех.

Методы исследования

Основные результаты работы получены на основе применения теории статистических решений и методов компьютерного моделирования. Личный вклад автора

Основные результаты работы получены автором лично. Научная новизна результатов работы

Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Синтезированы алгоритмы приема в многолучевых каналах с формированием оценок неизвестных параметров сигнала по обучающей выборке, которой является смесь сигнала с помехами.

2. Проведен анализ помехоустойчивости синтезированных алгоритмов приема сигналов в многолучевых каналах с учетом конечной скорости изменения параметров сигнала и учетом влияние интерференционных помех других лучей на обрабатываемый луч. Этим анализом показано, что влияние интерференционных помех не может быть ослаблено увеличением мощности сигнала, а требуется регулирование излучаемой мощности передатчиков мобильных станций всего ансамбля пользователей.

3. Синтезированы алгоритмы приема сигналов с многолучевостью и узкополосными помехами (УП) с формированием оценок УП методом уравнений состояния совместно с методами динамической адаптации.

4. Проведен анализ помехоустойчивости приема при воздействии УП. Новизна заключается в том, что показано влияние различия структур сигнала и узкополосных помех на возможность ослабления этих помех в приемнике. Если такого различия нет, как в случае интерференционных помех, то необходимо регулирование излучаемой мощности передатчиков ансамбля мобильных станций.

5. Предложено адаптивное динамическое регулирование мощности заключающееся в переменном шаге регулирования мощности. Это позволяет точнее поддерживать постоянство интерференционной обстановки на входе приемника при работе в ансамбле станций. Результаты проведенного компьютерного моделирования алгоритмов регулирования мощности передающих устройств показали эффективность предложенного динамического алгоритма регулирования мощности в сравнении с применяемым в настоящее время алгоритмом регулирования мощности с фиксированным шагом. Эффективность выражается в повышении помехоустойчивости приема при использовании в системе множественного доступа с кодовым разделением каналов и расширением спектра сигнала прямой последовательностью.

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенным моделированием, согласованностью с данными имеющимися в литературе.

Практическая ценность результатов

Результаты, полученные в работе, позволят разрабатывать адаптивные приемники для обнаружения и различения сигналов в условиях многолучевости, свойственной мобильным каналам радиосвязи.

Выполненные исследования позволили выработать практические рекомендации для построения устройств приема в системах с адаптивным регулированием мощности передающих станций.

Работоспособность предложенных алгоритмов подтверждена результатами компьютерного моделирования.

Рассмотренные в работе вопросы актуальны для практических приложений при проектировании новых помехоустойчивых систем передач информации и модернизации действующих. Проведенные исследования иллюстрируют эффективность применения полученных результатов в системах мобильной радиосвязи, наиболее подверженных влиянию внутриканальных помех.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре беспроводных информационных систем и сетей (БИСС) и кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актами внедрения. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и научном семинаре, в частности:

1. Российская НТК имени A.C. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.

2. Научный семинар СибГУТИ, Новосибирск, 2009 г. Публикации

По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе опубликовано 7 статей, 4 из которых в изданиях из списка ВАК, и 4 тезиса докладов. Основные положения работы, выносимые па защиту

- Результаты синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема в условиях многолучевости.

- Результаты синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема в условиях многолучевости и воздействия узкополосных помех.

- Результаты исследования адаптивных алгоритмов регулирования мощности.

- Результаты анализа помехоустойчивости приема с применением адаптивных алгоритмов регулирования мощности передающих устройств в ПП МДКР системе.

- Результаты исследования методов оценки внутриканальной интерференции в канале подвижной радиосвязи.

Структура побъем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка литературы, включающего 79 наименований; изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и график.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приводится обзор публикаций по тематике диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы построения

систем широкополосной радиосвязи с ПП МДКР. Показано, что основной проблемой в ПП МДКР системе радиосвязи является борьба с эффектами вариации уровня сигнала на входе приемника и противодействие интерференционным помехам. Таким образом, требуется решение задач синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема сигналов в условиях действия помех, разработки адаптивных алгоритмов регулирования мощности с целью повышения помехоустойчивости приема сигналов и их сравнительное исследование в различных условиях, анализа вопросов связанных с построением устройств регулирования мощности, в частности устройств оценки отношения сигнал-интерференция в канале.

В результате анализа состояния проблемы построения систем широкополосной радиосвязи конкретизирован круг решаемых в работе задач.

Во второй главе исследуются вопросы приема сигналов в условиях многолуче-вости и воздействия узкополосных помех (УП).

Приводится синтез адаптивного алгоритма приема в многолучевых каналах, где смесь сигнала с помехой на выходе многолучевого канала записывается в виде

Здесь п - число приходящих лучей; /1с1 и - ортогональные составляющие коэффициента передачи г-го канала для сигнала ; 2Г{С) - функция, определяющая переданный сигнал; 2Г(/) - функция, сопряженная 2Т{С) по Гильберту; Д/,- время запаздывания г-го луча относительно первого (Д/] =0); - реализация флуктуационной помехи, аппроксимируемой белым гауссовым шумом с нулевым

2 г

средним, со спектральной плотностью мощности V ; 1 - длительность элемента

В результате синтеза получен адаптивный алгоритм приема широкополосных сигналов в и - лучевом канале по критерию идеального наблюдателя (Котельникова) для априорно равновероятных передаваемых сигналов в виде:

т=- дг,-)+мАе - .

(о

1=1

NT + Aí„<t<{N + Y)T + At|

сигнала.

£ 2(«ЗЧ, - «Ю-(«ГЧГК-И+^) '=11.

/=1

гфе.

(2)

Здесь

(]У+1)Г+дг (ЛЧ-1)Г+Ы

лт+д?

я

№Г+Д/,

п

£

2 . О"=-^-г-^-^-^—. (5)

Максимально-правдоподобные оценки параметров сигнала на к -м этапе наблюдения в г -м луче определяются

1 кТ+&1„

Еп (к-\)Т+М„

1 (6) Лг/ (*-1)Г+Д/„

•2 2 /

оу = У/2Е ~ диспеРсия этих оценок.

Оценки параметров сигнала согласно (6) определяются сверткой принятой смеси и образца сигнала с задержкой на время запаздывания ¡-го луча. Предполагается известным передаваемый сигнал на каждом интер-

вале измерения. Вместо неизвестного переданного сигнала в системах с активной паузой и ортогональными в усиленном смысле сигналами можно использовать сумму

т

всех позиций сигнала 2г(Г-Л/,)= X 2р(1 - А',-), где т - алфавит сигнала. При

Р=1

этом в интервал обучения можно включать и элемент сигнала, на котором принимается решение в данный момент.

Обучение при приеме противоположных сигналов должно проводиться по классифицированной выборке, то есть со снятием манипуляции, например, с помощью обратной связи по решению. В интервал обучения при этом не должен входить элемент сигнала, на котором принимается решение в данный момент.

При использовании сигналов с активной паузой с одинаковыми энергиями правило приема (2) существенно упрощается:

I + £ [п^Х^У^е. (7)

г = 1 г = 1

Полученные решающие правила являются алгоритмами взаимно-корреляционного приема сигналов. Из (2)...(7) видно, что входной сигнал перемножается с опорным, задержанным на время запаздывания соответствующего луча, с последующим интегрированием результатов перемножения и сложением взвешенных сигналов.

Можно задерживать входной сигнал в каждой ветви обработки с последующим перемножением его на опорное напряжение и весовым сложением и интегрированием.

Решающие правила приема можно реализовать как при помощи корреляторов, так и согласованных фильтров.

Из общего алгоритма следуют частные случаи. При неизменных параметрах сигнала (Щ = 1) по мере увеличения размера обучающей выборки адаптивный алгоритм (2) и (7) приближается к алгоритму когерентного разнесенного по лучам приема. В

кТ+&1„

каналах с быстрыми изменениями измеряемых параметров (Я/ и 0) алгоритм (7) преобразуется к известному алгоритму некогерентного разнесенного по лучам> приема.

Анализ помехоустойчивости приема проведен для противоположных сигналов (22(0 = -2|(/)). Результатом является выражение для расчета вероятности ошибочного приема

2п-2

л'-1 и* ,

^а1 В N

— к2 М а В

+ 1

(8)

Из (8) видно, что вероятность ошибки зависит от отношения энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума к2 , от размера обучающей выборки N, от структуры а и базы сигнала В, а также от коэффициентов, характеризующих скорость изменения параметров сигнала (г1пг2пг}1).

В качестве иллюстрации на рисунке 1 приведены зависимости вероятности

ошибки р от И2 = И2 = к2 (одинаковая

интенсивность лучей) при разном числе обрабатываемых лучей п, при обучении на одном интервале сигнала N-1. Сплошными линиями показаны зависимости, рассчитанные в предположении гауссовой аппроксимации при

Т/тк =10-2, в условиях действия четырех лучей и'= 4, при приеме сигнала с базой £ = 100 и а = 1.

Штриховыми линиями показаны зависимости, построенные в предположении, что база сигнала гораздо больше

И2, когда можно пренебречь влиянием мешающих лучей и Т/тк= 0.

Из приведенных зависимостей видно, что из-за влияния мешающих лучей 10 102 103 И* уменьшение вероятности ошибки при

Рисунок 1 увеличении к2 замедляется и при опре-

деленных значениях к2 перестает влиять на вероятность ошибки. При выделении одного луча это происходит при значениях к1 соизмеримых с базой сигнала. Использование нескольких лучей существенно повышает помехоустойчивость приема, но и в этом случае указанная закономерность наблюдается.

Увеличение объема обучающей выборки N повышает помехоустойчивость приема при медленных изменениях параметров канала Т/тк <10_3 и значениях от-

ношения энергии сигнала к спектральной плотности шума существенно меньших базы сигнала В, когда влияние мешающих лучей не сказывается. В пределе при N » 1, выигрыш по вероятности ошибки равен 2", реально он меньше.

В каналах с относительно быстрыми изменениями параметров Т/тк > 10~2 увеличение объема обучающей выборки (N > 1) приводит к декорреляции сигнала и, следовательно, не дает уменьшения вероятности ошибки, поэтому нецелесообразно.

Таким образом, в условиях многолучевости интерференционные помехи от боковых лепестков корреляционной функции, сигнала других лучей не позволят повысить помехоустойчивость приема увеличением мощности сигнала отдельной мобильной станции. Аналогично будет влияние многолучевых повторов от сигналов других абонентов.

Далее.задача приема усложняется. Приводится синтез алгоритма приема широкополосных сигналов в каналах с многолучевостью и узкополосными помехами, у которых, формирование оценок помех осуществляется методами уравнений состояния совместно с методами динамической адаптации.

Алгоритм когерентного приема полностью известного сигнала определяется неравенством

Г / ^ I Г

У

(9)

Его особенностью является процедура вычитания из принятой смеси оценки УП, затем полученная разность перемножается с опорным колебанием, задержанным на время запаздывания соответствующего луча. Результаты перемножения интегрируются и взвешенно суммируются.

Можно задерживать входной сигнал в каждой ветви обработки с последующим перемножением его на опорное напряжение, интегрированием и весовым сложением.

Алгоритм когерентного приема сигналов с одинаковыми энергиями и симметричном воздействии УП, что характерно для широкополосных систем, можно представить более компактно

г&е,

(Ю)

где

-= I [^0(')]£('-Л/,)<й.

(II)

Алгоритм некогерентного приема разнесенных по лучам сигналов определяется неравенством

где У_п - определяется (11).

Из (12) с учетом (11) следует, что после вычитания из принятой смеси оценки узкополосной помехи производится обычная корреляционная обработка сигнала с последующим возведением в квадрат и суммированием результатов обработки отдельных лучей.

Основным отличием полученных алгоритмов (10), (12) от известных, является способ формирования оценок УП методами уравнений состояния.

Анализ помехоустойчивости приема широкополосных сигналов при воздействии узкополосных помех приведен для случая одиночного когерентного приема двоичных сигналов с одинаковыми энергиями без многолучевости по алгоритму (10) (при л = 1).

Вероятность ошибки определяется известным выражением

Рош = 0,5[1 - Ф(АЭ)], (13)

где Ф(/2Э) = ^— |ехр Здесь

У

ф - интеграл вероятности (функция Крампа).

(14)

1 + ке 1 -р

; 2

где А£ = 2 - отношение энергии элемента принятого сигнала к спектральной плотности мощности флуктуационной помехи;

И] = —§-- отношение дисперсии ошибки оценивания узкополосных помех к дисперсии флуктуационной помехи;

р - — (?)22 (/)<Л = — jZl {¡)22 (/)г# - коэффициент, характеризующий вид ис-

^сГ ЕсТ

пользуемых сигналов (р = -1 для противоположных сигналов, р- 0 для ортогональных сигналов);

г -1,2 - коэффициент взаимной корреляции г -

Е

го сигнала и УП, характеризующий различие структур г-го 'сигнала и УП (0<< 1, -1 < < 0 для противоположных сигналов; 0 < < 1, = 0 для ортогональных сигналов).

В качестве иллюстрации приведены зависимости вероятности ошибки от отношения энергии элемента сигнала к спектральной плотности мощности флуктуационной помехи (рисунок 2) для разных условий при приеме фазоманипулированных (противоположных) сигналов. Зависимости рассчитаны по формуле (13) с учетом (14) при воздействии УП, имеющей корреляционную функцию Вп(т) = а^е'""^ при И2П - а2п /сспУ2 = 102; при разных ап /Рс, где /*с - ширина полосы полезного сигнала; ап - ширина полосы коррелированной (узкополосной) помехи.

На рисунке 2 кривая 1 соответствует потенциальной помехоустойчивости приема фазоманипулированных сигналов (р = -1), то есть в отсутствие УП. Кривая 6 иллюстрирует помехоустойчивость приема без подавления УП (/£ =к2п = 102). Зависи-

мости 2, 3, 4, 5 приведены соответственно для а

= 10"

:1(Г2);

<хп1Гс= 5-10"

+ = 0,5).

=5-10-2); ал/^= 0,1 (£, + ¿г2 = 0,1); ап!Рс = 0,5

4 5 6 Рисунок 2

Из приведенных зависимостей следует, что в приемнике, построенном оптимально для условий воздействия УП, подавление узкополосных помех существенно и зависит от ширины спектра этих помех (кривые 2...5). Без учета различия структур флуктуационных и узкополосных помех помехоустойчивость определяется суммарным, воздействием помех (кривая 6). При этом достоверность приема очень низкая, так как приемник не оптимальный для условий воздействия узкополосных помех.

Следовательно повышение помехоустойчивости . приема возможно, если есть различие структуры сигнала и воздействующих помех. Если такого различия нет, как в случае интерференционных помех, то повышение помехоустойчивости возможно только адаптацией по большому контуру, т.е. регулированием мощности передаваемых сигналов.

Третья глава посвящена исследованию адаптивных алгоритмов регулирования мощности в различных условиях.

На рисунке 3 показана модель управления мощностью в канале от МС к БС (восходящий канал) в системе радиосвязи с ПП МДКР. Задача регулирования мощности состоит в том, чтобы установить передающую мощность МС так, чтобы все пользователи в системе имели приемлемые отношения энергии принимаемого символа к спектральной плотности мощности интерференционных помех (Еь/ 1а)

Количество пользователей (15) определяется базой сигнала В и требуемым отношением энергии символа к спектральной плотности мощности интерференционных помех при равенстве мощностей всех пользователей. Поэтому нужна регулировка мощности МС.

"Ш (,5>

Регулирование мощности передающей мобильной станции (рисунок 3) основывается на информации об ошибке по мощности е(1) на приемной станции (БС). Информация об ошибке формируется путем сравнения оценки ук{к,1) действующего

отношения мощности сигнала к мощности интерференционных помех /м, в канале с пороговым значением yt = kflh при котором обеспечиваются наилучшие условия приема при заданной вероятности ошибки рош.

Информация об ошибке по мощности МС е(/) передается через канал с замираниями через интервалы времени Тр. Для передачи по дискретному каналу e(t) дис-кретизируется и квантуется в формирователе управляющих битов. На выходе формирователе управляющих битов присутствует команда управления РСщ$).

В канале управления от БС к МС (нисходящий канал) присутствует задержка D, замирания сигнала и возможность появления ошибок в сигналах управления мощностью ррС. На приемной стороне (в приемнике МС) выделяются биты управления PCbit(s), и в соответствии с алгоритмом регулирования производится корректировка мощности передающего устройства мобильной стации на величину шага регулирования кратную Ар.

Затем процесс повторяется, пока существует возможность изменения мощности передающего устройства.

Если дальнейшее изменение мощности передающего устройства невозможно, то управление мобильной станцией должно быть передано в зону действия другой ближайшей базовой станции.

Дальнейшие исследования проведены методами компьютерного моделирования для условий соответствующих мобильным каналам в диапазоне 1,8 ГГц, со средними частотами замираний сигнала Fp в канале 17, 50 и 100 Гц для интервала регулирования мощности Тр =0,667 мс, что соответствует частоте посылок команд управления мощностью 1500 Гц как в WCDMA (Wideband Code Division Multiply Access). Приводится описание адаптивного алгоритма регулирования с динамическим шагом регулирования, в котором биты управления мощностью формируются по правилу:

Оценка р„„, I канале

Внешний цикл

БС

Вычисление уровня h^/,

НИ

Измеритель

уровня сигнала МС

-Г,

Yesi

Формиро вател ь битов управления

PC,

tiH-H

Передающее устройство

Канал МС-БС, £«). V

Канал БС-МС. DJp.Ppr

Передающее устройство

Приемное устройство

Эталон шага Д р

PCbU\s)

Детектор битов управления

Разомкнутый цикл

Измеритель

уровня сигнала БС

Замкнутый цикл

Рисунок 3

2еч-1, е(/-£))<- 2е"'+1/2

- 2-"' +1 / 2 < е(г - О) < -2-"' +3/2

-1 / 2 < е(/ - £>) < 1 / 2 , (16)

_2е-| +2; 2е"1 - 3 / 2 < е(/ - О) < 20"1 -1/2 -2^+1, - £)) < 2е"1 -1/2 где е(/ - А) = уе11 — у,, Q - режим работы динамического алгоритма (1,2,3,4...).

Сравнительный анализ алгоритма регулирования с фиксированным шагом и предложенного с динамическим шагом показал, что динамический алгоритм обеспечивает более быстрое установления требуемого значения мощности. Так при использовании алгоритма с фиксированным шагом потребуется 20 шагов для достижения установившегося значения мощности. Алгоритмам с динамическим шагом требуется 10, 7 и 5 шагов для режимов 0 = 2, 2 = 3 и 0 = 4.

Тем самым при равных значениях интервала регулирования Тр и шага регулирования по мощности Ар, применение адаптивных динамических алгоритмов дает выигрыш во времени достижения установившегося значения мощности. Сокращение времени установления мощности на выходе передатчика позволит лучше отслеживать изменения затухания в канале.

Приводится оценка эффективности различных режимов адаптивного динамического алгоритма и алгоритма с фиксированным шагом. Сравнение проведено при постоянстве параметра канала с регулированием мощности у = 0,011, где у-Р0Тр. Этот параметр характеризует среднюю скорость изменения замираний в канале с регулированием мощности. Так, например, для средней частоты замираний ^ =17 Гц и интервала регулирования мощности Тр=0,667 мс равен у = 0,011,при /го=50Гци Тр = 0,667 мс равен у = 0,033,апри Рд=100Гци Г^ = 0,667 мс равен у = 0,067.

Полученные зависимости вероятности битовой ошибки р0 в зависимости от отношения энергии бита к энергии интерференционных шумов Еь / /0 показаны на рисунке 4.

Верхняя кривая соответствует р0 в мобильном канале с замираниями без регулирования мощности, а нижняя кривая - вероятности битовой ошибки ра в канале с белым гауссовым шумом без замираний и без регулирования мощности.

Из рисунка 4 следует, что поскольку современные сотовые системы связи с МДКР рассчитаны преимущественно на голосовую связь с границей р0 = Ю~3, применение динамического алгоритма неоправданно. Но для передачи данных требуется гораздо меньшая вероятность ошибки р0 < 10"5, в этом случае динамический алгоритм дает заметный выигрыш в помехоустойчивости более чем на 6 дБ при 2 = 4 (при этом требуется передача четырех битов управления мощность вместо одного для фиксированного шага).

[к Ъ. зБ

Рисунок 4

Чтобы оценить воздействие замираний на работоспособность алгоритмов, выполнено моделирование с использованием алгоритмов с фиксированным и динамическим шагом в режиме 0.- 4. Результаты моделирования представлены на рисунках 5 и 6, соответственно.

Из графиков на рисунке 5 видно, что регулировка с фиксированным шагом при более высоких скоростях изменения канала более v = 0,033 неэффективна. Однако она работает эффективно при медленно изменяющемся канале, как это для случая р0 при у = 0,011. Подобное поведение можно получить применив адаптивный динамический алгоритм (рисунок 6), где шаг меняется динамически. При одних и тех же значениях у алгоритм с динамическим шагом позволяет получить лучшую помехоустойчивость (снижение вероятности р0 при фиксированном Еь / /0 ).

^ . и

Ч—х -ч ~ ' ■ ..--1

\ у Ч »

\ 4 X

\ ' 4 —

=— ^ -

N

\

\ 1

\

---

-Консч с шинратши'' --у-0.067 ---1-1ЮН --г*0.011 - -Коню С мшунан \ Ч

4 6 8 10 12 14 16 18 20 Шо.Л

Рисунок 5 Рисунок 6

Результаты сравнения алгоритмов при разных параметрах канала сведены в таблицы 1 для рй = 10"3 и таблицу 2 для р0 - 10"5.

Таблица 1 - Сравнение адаптивных алгоритмов регулирования при разных параметрах канала для р0 = 10"3

Алгоритм Фиксированный Динамический (£? = 4)

V Необходимое ЕьИ0,дВ Необходимое Еь/ /0, дБ Выигрыш по Еь / /0, дБ

0,011 8,7 8,1 0,6

0,033 18 11,2 6,8

0,067 21 17,1 3,9

Таблица 2 - Сравнение адаптивных алгоритмов регулирования при разных параметрах канала для р0 = 10"5

Алгоритм Фиксированный Динамический (£? = 4)

V Необходимое Еь/10,пБ Необходимое Еь/ /0, дБ Выигрыш по Еь! /0, дБ

0,011 20,1 13,7 6,4

0,033 >35 21,1 13,9

0,067 >50 >25 >25

Проведено сравнения устойчивости алгоритмов регулирования с фиксированным и динамическим шагом к задержкам сигналов управления мощностью (таблица 3) для удвоенного и утроенного интервала регулирования, что эквивалентно дополнительной задержке в цикле регулирования в один и два интервала регулирования соответственно.

Таблица 3 - Сравнение адаптивных алгоритмов регулирования по устойчивости к задержкам в канале управления для Еь/10> 8 дБ

Алгоритм Фиксированный Динамический (£? = 4)

Потери в помехоустойчивости, раз

ра(2ТР)/ ра(Тр) >4 >12

Ро(ЗТр) > Ро(Тр) >10 >15

Так при увеличении задержки регулирования в 3 раза помехоустойчивость приема снижается более чем в 12 раз при Еь! 10> 8 дБ и применении алгоритма с фиксированным шагом. Снижение помехоустойчивости в случае применения алгоритма с динамическим шагом при увеличении задержки в канале регулирования в 3 раза более чем в 15 раз при Еь! 1а> 8 дБ. Это объясняется «устареванием» информации об ошибке е(г-£)). Таким образом, предложенный адаптивный алгоритм регулирования мощности с динамическим шагом более подвержен задержкам в канале регулирования, что необходимо учесть при проектировании системы. Следует заметить, что информация е(1- О) может иметь задержку из-за задержек в схемах оценки уеа, формирователе управляющих битов и детектор? управляющих битов в приемнике.

Проведено исследование устойчивости алгоритмов регулирования к ошибкам в канале передачи битов управления рр^. Из анализа результатов следует, что алго-

ритм регулирования с динамическим шагом даже при высокой вероятности ошибки рк = 0,1 в канале управления мощностью дает выигрыш в помехоустойчивости

приема р0 =3-10-5 по сравнению с алгоритмом с постоянным шагом р0 = 1,5-КГ4

Е Е

при — = 18 дБ, Причем выигрыш сохраняется до — = 4 дБ. Потери в помехоустойчивости более заметны для адаптивного динамического алгоритма и составляют около 10 раз при увеличении вероятности ошибки в канале управления мощностью ррс £

от 0,01 до 0,1 при — = 18 дБ. Для алгоритма с фиксированным шагом потери в по-

А>

мехоустойчивости при тех же условиях составляют около 2 раз. Тем самым можно сказать, что адаптивный алгоритм более чувствителен к ошибкам в канале управления мощностью мобильной станции.

В четвертой главе проведен анализ описанных в литературе схем оценки отношения сигнал-шум в канале методом максимального правдоподобия (МП) и по дисперсии сигнал-шум (ДСШ) на чиповой и символьном уровнях.

Из графиков на рисунке 7 очевидно, что устройство оценивания методом МП дает наиболее точные результаты в широком диапазоне изменения у в канале. Однако как было показано ранее, этим методом сложно проводить быстрые измерения, так как требуется передача пилот-сигнала.

Устройство оценивания отношения сигнал-интерференция по ДСШ при низком у на уровне чипов дает наихудшие результаты (ошибка более 14 дБ), в то время как на символьном уровне результаты несколько лучшие (ошибка менее 10 дБ). Таким устройством можно проводить быстрые измерения, не требуется передача пилот-сигнала.

Для приложений работающих в реальном времени простота реализации алгоритма является ре-

N \ —МП —дс1 - 'ла ■ I (чипы I (сама 7.1 Ы)

\ *

\

г —

"V.

—

Рисунок 7

шающим фактором. Поэтому с практической точки зрения метод оценки по ДСШ является более подходящим, так как не требует передачи пилот-сигнала. Ошибка оценивания не может существенно сказаться на помехоустойчивость приема, т.к. алгоритмы регулирования эффективны лишь при />2...3дБ, а при этом ошибка оценивания слабо зависит от величины у. Компромисс применительно к адаптивным алгоритмам, нацеленным на быструю регулировку мощности, сводится к повышению скорости формирования оценок уея с целью полного использования потенциальных возможностей адаптивной регулировки мощности с динамическим шагом. Следовательно, метод оценки по ДСШ более подходит для формирования уы.

В заключении содержится формулировка основных научных и практических результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Синтезирован алгоритм приема сигналов в условиях многолучевости и проведен анализ помехоустойчивости адаптивного алгоритма приема в условиях многолучевости. Показано, что использование нескольких лучей существенно повышает помехоустойчивость приема, но из-за влияния мешающих лучей уменьшение вероятности ошибки при увеличении энергетических соотношений в канале замедляется и при определенных значениях перестает влиять на вероятность ошибки.

2 Синтезирован адаптивный алгоритм приема широкополосных сигналов в условиях многолучевости и воздействия узкополосных помех и проведен анализ помехоустойчивости приема. Используя различие в структурах широкополосного сигнала и узкополосных помех можно подавить узкополосную помеху в приемнике. Если помеха широкополосная и различия в структурах сигналов и помех нет, как это имеет место при воздействии интерференционных помех, то работать в условиях таких помех можно, используя адаптацию по большому контуру, то есть с регулированием мощности излучения в ансамбле станций.

3 Предложен алгоритм регулирования мощности с динамически изменяющимся шагом регулирование и проведено компьютерное моделирование алгоритмов регулирования мощности передающих устройств.

Сравнение используемого в настоящее время алгоритма регулирования с фиксированным шагом и динамического алгоритма при постоянстве и изменчивости параметров канала (для различных средних частот замираний) показало, что для ПП МДКР систем рассчитанных преимущественно на голосовую связь, применение динамического регулирования неоправданно, но оправдано для ПП МДКР систем передачи данных при этом обеспечивается выигрыш в помехоустойчивости порядка 6 дБ.

Результатами моделирования показана устойчивость динамического алгоритма регулирования мощности к ошибкам в канале управления мощностью.

4 Исследование схем и методов оценки интерференционной обстановки в канале подвижной связи с ПП МДКР показало, что метод максимального правдоподобия обеспечивает более высокую точность оценки отношения мощности сигнала к мощности интерференционных помех по сравнению с методом оценки по дисперсии. Но метод оценки по дисперсии более подходит для оценки интерференционной обстановки в канале из-за более быстрого формирования оценок необходимого для полного использования потенциальных возможностей динамического регулирования мощности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фалько А.И., Шушнов М.С. Адаптивный прием сигналов в каналах со стохастическими узкополосными помехами // Телекоммуникации. - 2006. - №6. - с.38 -45.

2. Фалько А.И., Шушнов М.С. Вопросы приема сигналов в каналах со стохастическими узкополосными помехами // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. A.C. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». -Новосибирск: СибГУТИ, 2006.-т.1 - с.87,88.

3. Фалько А.И., Шушнов М.С. Прием широкополосных сигналов в каналах с многолучевым распространением и стохастическими узкополосными помехами // Радиотехника. - 2007. - №2. - с. 16 - 19.

4. Фалько А.И., Шушнов М.С. Прием широкополосных сигналов в каналах с мно-голучевостью и стохастическими помехами // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. A.C. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск: СибГУТИ, 2007. - т.1 - с.61,62.

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

6. Шушнов М.С. Адаптивные алгоритмы регулирования мощности передающих устройств в системах с кодовым разделением каналов // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. A.C. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск: СибГУТИ, 2008. - т.1 - с.274-276.

7. Фалько А.И., Шушнов М.С., Гюнтер A.B. Прием сигналов при воздействии коррелированных помех // Вестник СибГУТИ, №2,2008. - с.35-39.

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

9. Шушнов М.С. Моделирование алгоритмов регулирования мощности передающих устройств сотовых систем связи // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. A.C. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». -Новосибирск: СибГУТИ, 2009. - т. 1 - с.274.

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

11. Falko A.I., Shushnov M.S. Adaptive reception of signals in channels with stochastic narrowband interference // Telecommunications and radio engineering, vol.69, №10, 2008, pp.925-948.

Шушнов Максим Сергеевич

ПРИЁМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ в МНОГОЛУЧЕВЫХ КАНАЛАХ С ДИНАМИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать «10» ноября 2009 г. Формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10, изд. л. 1,2, заказ № 88, тираж 110 экз., ГОУ ВПО «СибГУТИ». 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86.

Сокращения.

Условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

ПОСТРОЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ.

1Л Широкополосные сигналы в современных системах передачи данных.

1.2 Параметры канала радиосвязи.

1.2.1 Потери на трассе распространения в пространстве

1.2.2 Затенение и замирания.!.

1.2.3 Полный коэффициент передачи канала.

1.3 Сотовые системы радиосвязи.

1.3.1 Внутриканальная взаимная интерференция множественного доступа.

1.4 Управление мощностью передающих устройств в сотовых системах с МДКР.

1.5 Основные задачи исследования.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ПРИЕМА В МНОГОЛУЧЕВЫХ КАНАЛАХ.

2.1 Синтез алгоритмов приема широкополосных сигналов в многолучевых каналах.

2.2 Помехоустойчивость адаптивного приема широкополосных сигналов в многолучевых каналах.

2.3 Прием широкополосных сигналов в каналах с многолучевым распространением и узкополосными помехами

2.4 Анализ помехоустойчивости приема широкополосных сигналов при воздействии УП.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ПЕРЕДАТЧИКОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ.

3.1 Модель управления мощностью.

3.2 Критерии качества и методы исследования алгоритмов регулирования мощности.

3.3 Анализ применяемых в настоящее время адаптивных алгоритмов с фиксированным шагом регулирования.

3.4 Динамический алгоритм управления мощности.

3.5 Сравнительный анализ эффективности алгоритмов по скорости достижения установившегося значения мощности

3.6 Сравнительный анализ эффективности алгоритмов по вероятности битовой ошибки в зависимости от отношения сигнал-интерференция на бит.

3.7 Практическая применимость адаптивного динамического алгоритма в существующих системах МДКР.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА УСТРОЙСТВ ОЦЕНИВАНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ-ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ.

4.1 Значимость точности оценивания отношения сигнал-интерференция.

4.2 Методы оценивания отношения сигнал-интерференция.

4.2.1 Устройство оценки методом максимального правдоподобия.

4.2.2 Устройство оценки по дисперсии отношения сигнал-шум.

4.2.3 Сравнение качества устройств оценивания отношения сигнал-интерференция.

Выводы по главе.

Актуальность работы: Развитие современных систем подвижной радиосвязи, увеличение количества функционирующих радиоэлектронных средств ведут к постоянному усложнению сигнально-помеховой обстановки на входах приемных устройств и обострению проблемы помехоустойчивости. С проблемами помехозащищенности и помехоустойчивости тесно связаны задачи обеспечения электромагнитной совместимости и пропускной способности систем радиосвязи, поиска возможностей повторного использования доступных участков спектра, необходимых для развития инфраструктуры систем радиосвязи.

Рост количества и качества предоставляемых услуг средствами подвижной радиосвязи напрямую зависят от решения задач электромагнитной совместимости от совершенствования алгоритмов приема и обработки полезных сигналов в условиях действия помех различной природы.

Эффективность работы систем подвижной радиосвязи в значительной мере определяется не только мешающими воздействиями типа флуктуационного шума, но и взаимными помехами одновременно работающих радиосредств, среди которых большую долю составляют внутрисистемные помехи. Воздействие внутрисистемных помех приводит к существенному снижению помехоустойчивости приема полезных сигналов. Поэтому защита систем подвижной связи от влияния внутрисистемных, действующих в радиоканалах, является важной научно-технической задачей.

Теория потенциальной помехоустойчивости разработана ее основоположником В.А. Котельниковым и получила развитие в работах P.JI. Стратоновича, Т. Кайлата, В.И. Тихонова, М.С. Ярлыкова, Ю.Г. Сосулина, Д.Д. Кловского, Г. Ван Триса, А.А. Харкевича, В.И Сифорова,

Д. Мидлтона, Б.Р. Левина, Л.М. Финка, И.С. Андронова, Н.С. Теплова, В.В. Шахгильдяна, В.Г. Репина, Г.П. Тартаковского, Л.Е Варакина, А.Г Зюко, Ю.С. Шинакова, А.П. Трифонова, А.И. Фалько, А.А. Сикарева, В.И. Коржика, И.А. Цикина, В.Ф. Комаровича, М.П. Хворостенко и многих других ученых.

Основной проблемой в системе радиосвязи с множественным доступом и расширением спектра сигнала прямой последовательностью (ПП МДКР) является борьба с эффектами вариации уровня сигнала на входе приемника и противодействие интерференционным помехам, возникающим в результате использования общей полосы частот множеством пользователей и многолучевого распространения сигнала в канале.

Настоящая работа посвящена исследованию вопросов построения мобильных систем связи с динамическим регулированием мощности в каналах подвижной радиосвязи с интерференционными помехами.

Рассматриваемые в данной работе адаптивные алгоритмы регулирования мощности, основанные на уменьшении влияния интерференционных помех, действующих в канале, позволяют повысить помехоустойчивость систем подвижной связи.

Цель работы: Целью настоящей работы является исследование адаптивного приема широкополосных сигналов полученных методом прямого расширения спектра в условиях многолучевого распространения с динамическим регулированием мощности.

Основные задачи исследования: Поставленная цель исследований требует решения следующих основных задач:

1. Анализ существующего состояния проблемы защиты от внутрисистемных помех.

2. Исследование адаптивного приема сигналов в условиях многолучевости и воздействия помех.

3. Исследование адаптивных алгоритмов регулирования мощности.

4. Анализ помехоустойчивости приема при использовании адаптивных алгоритмов регулирования мощности.

5. Сравнительный анализ качества методов оценивания интерференционных помех.

Методы исследования: Основные результаты работы получены на основе применения теории статистических решений и методов компьютерного моделирования.

Научная новизна работы: Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Новизна синтезированных в диссертации алгоритмов приема в • многолучевых каналах заключается в формировании оценок неизвестных параметров сигнала по обучающей выборке, которой является смесь сигнала с помехами.

2. Новизна анализа помехоустойчивости синтезированных алгоритмов приема сигналов в многолучевых каналах в том, что учтена конечная скорость изменения параметров сигнала и учтено влияние интерференционных помех других лучей на обрабатываемый луч. Этим анализом показано, что влияние интерференционных помех не может быть ослаблено увеличением мощности сигнала, а требуется регулирование излучаемой мощности передатчиков мобильных станций всего ансамбля пользователей.

3. Новизна синтезированных в диссертации алгоритмов приема сигналов с многолучевостыо и узкополосными помехами (УП) в способе формирования оценок УП методом уравнений состояния совместно с методами динамической адаптации.

4. Новизна анализа помехоустойчивости приема при воздействии УП в том, что показано влияние различия структур сигнала и узкополосных помех на возможность ослабления этих помех в приемнике. Если такого различия нет, как в случае интерференционных помех, то необходимо регулирование излучаемой мощности передатчиков ансамбля мобильных станций. 5. Новизна предложенного адаптивного динамического регулирования мощности заключается в переменном шаге регулирования мощности. Это позволяет точнее поддерживать постоянство интерференционной обстановки на входе приемника при работе в ансамбле станций. Результаты проведенного компьютерного моделирования алгоритмов регулирования мощности передающих устройств показали эффективность предложенного динамического алгоритма регулирования мощности в сравнении с применяемым в настоящее время алгоритмом регулирования мощности с фиксированным шагом. Эффективность выражается в повышении помехоустойчивости приема при использовании в системе множественного доступа с кодовым разделением каналов и расширением спектра сигнала прямой последовательностью.

Практическая ценность: Результаты, полученные в работе, позволят разрабатывать адаптивные приемники для обнаружения и различения сигналов в условиях многолучевости, свойственной мобильным каналам радиосвязи.

Выполненные исследования позволили выработать практические рекомендации для построения устройств приема в системах с адаптивным регулированием мощности передающих станций.

Работоспособность предложенных алгоритмов подтверждена результатами компьютерного моделирования.

Рассмотренные в работе вопросы актуальны для практических приложений при проектировании новых помехоустойчивых систем передач информации и модернизации действующих. Проведенные исследования иллюстрируют эффективность применения полученных результатов в системах мобильной радиосвязи, наиболее подверженных влиянию внутриканальных помех.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре беспроводных информационных систем и сетей (БИСС) и кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актами внедрения.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и научном семинаре, в частности:

1. Российская НТК имени А.С. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.

2. Научный семинар СибГУТИ, Новосибирск, 2009 г.

Публикации: По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 11 печатных работ, из которых 7 статей, 4 из которых в изданиях из списка ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Результаты синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема в условиях многолучевости.

- Результаты синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема в условиях многолучевости и воздействия узкополосных помех.

- Результаты исследования адаптивных алгоритмов регулирования мощности.

- Результаты анализа помехоустойчивости приема с применением динамического регулирования мощности передающих устройств в 1111 МДКР системе.

- Результаты исследования методов оценки внутриканальной интерференции в канале подвижной радиосвязи.

Объем и структура работы: Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка литературы, включающего 79 наименований; изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и график.

Выводы по главе

В четвертой главе получены следующие результаты:

1. Метод максимального правдоподобия обеспечивает более высокую точность оценки yest в диапазоне изменения у в канале от -10 до +30 дБ по сравнению с методом оценки по дисперсии. Однако этим методом сложно проводить быстрые измерения, а так же требуется передача пилот-сигнала.

2. Устройство оценивания отношения сигнал-интерференция по дисперсии при низком у на уровне чипов дает наихудшие результаты (ошибка более 14 дБ), в то время как на символьном уровне результаты несколько лучше (ошибка менее 10 дБ). Таким устройством можно проводить быстрые измерения, но следует учитывать ошибку, вносимую в измерения. Это несложно сделать при цифровой микропроцессорной обработке путем задания или формирования специальной калибровочной таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Синтезирован алгоритм приема сигналов в условиях многолучевости и проведен анализ помехоустойчивости адаптивного алгоритма приема в условиях многолучевости. Из анализа помехоустойчивости адаптивного алгоритма приема в условиях многолучевости видно, что из-за влияния мешающих лучей уменьшение вероятности ошибки при увеличении h2 замедляется и при определенных значениях h2 перестает влиять на вероятность ошибки. При выделении одного луча это происходит при значениях h2 соизмеримых с базой сигнала. Использование нескольких лучей существенно повышает помехоустойчивость приема, но и в этом случае указанная закономерность наблюдается. Увеличение энергетических соотношений в канале не даст при этом уменьшения вероятности ошибки.

2 Синтезирован адаптивный алгоритм приема широкополосных сигналов в условиях многолучевости и воздействия узкополосных помех и проведен анализ помехоустойчивости приема. Из приведенных зависимостей вероятности ошибки от отношения энергии элемента сигнала к спектральной плотности мощности флуктуационной помехи следует, что в приемнике, построенном оптимально для условий воздействия УП, подавление узкополосных помех существенно и зависит от ширины спектра этих УП. Используя различие в структурах широкополосного сигнала и УП можно подавить узкополосную помеху в приемнике. Если помеха широкополосная и различия в структурах сигналов и помех нет, как это имеет место при воздействии интерференционных помех, то работать в условиях таких помех можно, используя адаптацию по большому контуру, т.е. с регулированием мощности излучения в ансамбле станций.

3 Предложен адаптивный алгоритм регулирования мощности с динамически изменяющимся шагом регулирование и проведено компьютерное моделирование алгоритмов регулирования мощности передающих устройств. Результаты моделирования показали эффективность предложенного алгоритма регулирования при использовании его в ПП МДКР системе. Применение адаптивных динамических алгоритмов дает выигрыш во времени достижения установившегося значения мощности.

Сравнение алгоритма регулирования с фиксированным шагом и динамических алгоритмов при постоянстве параметров канала показало, что для ПП МДКР систем рассчитанных преимущественно на голосовую

-5 связь с границей pQ = 10 , применение динамических алгоритмов регулирования неоправданно. Но оправдано для ПП МДКР систем передачи данных с границей р0 = 10"5.1СГ6 при этом обеспечивается выигрыш в помехоустойчивости около 6 дБ.

Исследования работоспособности алгоритмов в условиях действия эффектов замираний (FD) с частотами 17, 50 и 100 Гц показали, что регулировка с фиксированным шагом при частотах замираний более 50Гц теряет эффективность, в то же время алгоритм с динамическим шагом (£2 = 4) эффективен и при /?о=100Гц. Тем самым для фиксированных значениях частот замираний в канале алгоритм с динамическим шагом позволяет снизить вероятности р0 при фиксированном Еь / /0 по сравнению с алгоритмом с фиксированным шагом. Так для 00Гц выигрыш в помехоустойчивости равен 6,8 дБ для р0 = 10-3 и более 25 дБ для /?0=Ю~5. При медленных замираниях 7^ = 17 Гц адаптивный алгоритм эффективен выигрыш 6,4 дБ лишь при требовании низкой /?0=Ю~5, а для /?0=Ю~3 выигрыш практически отсутствует, всего около 0,6 дБ.

Динамический алгоритм регулирования теряет эффективность при увеличении задержки в канале управления. Так при увеличении интервала регулирования Тр в 3 раза (задержка в канале регулирования 2Тр) помехоустойчивость приема с применением алгоритма с фиксированным шагом снижается более чем в 12 раз (для Еь/10> 8 дБ и применении), а для алгоритма с адаптивным шагом помехоустойчивость снижается в 15 раз (Еь/10> 8 дБ). Таким образом, предложенный адаптивный алгоритм регулирования мощности с динамическим шагом несколько более подвержен задержкам в канале управления, что необходимо учесть при проектировании системы радиосвязи.

Из результатов моделирования алгоритмов регулирования в условиях действия ошибок в канале управления мощностью следует, что алгоритм регулирования с динамическим шагом даже при высокой вероятности ошибки pFC=0,l в канале управления мощностью дает выигрыш в помехоустойчивости приема р0 = 3 • 10-5 по сравнению с алгоритмом с

4 Ei постоянным шагом р0 =1,5-10 при — = 18 дБ. Причем выигрыш в

Л) помехоустойчивости сохраняется вплоть до низкого отношения — = 4 дБ. о

Но потери в помехоустойчивости более заметны для адаптивного динамического алгоритма и, к примеру, составляют около 10 раз при увеличении вероятности ошибки в канале управления мощностью ррС от

0,01 до 0,1 при высоком — = 18 дБ. Для алгоритма с фиксированным шагом потери в помехоустойчивости при тех же условиях составляют около 2 раз. Тем самым адаптивный алгоритм более чувствителен к ошибкам ppQ в канале управления мощностью.

Из полученных результатов следует, что применение динамического регулирования мощности оправдано в условиях изменения частот

121 замираний в канале (например, вследствие перемещения МС с различной скоростью в условиях городской застройки) и позволяет улучшить помехоустойчивость приема, но наибольшая эффективность наблюдается при условии /?о-Ю~5> что характерно для мобильных сетей передачи данных.

4 Исследования схем и методов оценки интерференционной обстановки в канале подвижной связи с ПП МДКР показало, что метод максимального правдоподобия обеспечивает более высокую точность оценки Jest в Диапазоне изменения / в канале от -10 до +30 дБ по сравнению с методом оценки по дисперсии. Однако этим методом сложно проводить быстрые измерения и требуется передача пилот-сигнала.

Устройство оценивания отношения сигнал-интерференция по дисперсии при низком у на уровне чипов дает наихудшие результаты (ошибка более 14 дБ), в то время как на символьном уровне результаты несколько лучше (ошибка менее 10 дБ). Таким устройством можно проводить быстрые измерения, но следует учитывать ошибку, вносимую в измерения.

С практической точки зрения метод оценки по ДСШ является более подходящим, так как не требует передачи пилот-сигнала. Ошибка оценивания в этом методе не может существенно сказаться на помехоустойчивость приема, т.к. алгоритмы регулирования эффективны лишь при ;к>2.3дБ, а при этом ошибка оценивания слабо зависит от величины у. Компромисс применительно к адаптивным алгоритмам, нацеленным на быструю регулировку мощности, сводится к повышению скорости формирования оценок yesl с целыо полного использования потенциальных возможностей адаптивной регулировки мощности с динамическим шагом. Следовательно, метод оценки по ДСШ более подходит для формирования yest.

1. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М: Высшая школа, 1989. —264 с.

2. Андронов И.С., Финк JI.M. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам.-М.: Советское радио, 1971. 408 с.

3. Афанасьев А., Зотов Д. Геолокация подвижных объектов с использованием гауссовской модели распределения уровня сигнала базовой станции // Мобильные телекоммуникации. — 2009. — №2. — с.36-^3.

4. Бакулев П.А. Радионавигационные системы. М.: Радиотехника, 2004. -320 с.

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

6. Борисов Ю.В., Цветнов В.В. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств — М.: Радио и связь, 1985. -176 с.

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

8. Варакин Л.Е., Трубин В.Н, Сотовые системы подвижной связи // ЗРЭ, 1986.-№2 с.3-32.

9. Ван Трис Г. Приложения методов переменных состояния в теории обнаружения и оценки // ТИИЭР. 1970. - Т.58 - №7.

10. Ю.Гальперин М.В. Автоматическое управление. М.: ИД «Форум»: ИНФРА-М, 2007. - 224 с.

11. Иванов В.А., Ильницкий Л.Я., Фузик М.И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных устройств. Киев: Технша, 1983. — 120 с.

12. Кайлат Т. Метод порождающего процесса в применении к теории обнаружения и оценки// ТИИЭР. 1970. - Т.58. - №5.

13. Липцер Р.Ш., Ширяев А.Н. Статистика случайных процессов. М.: Наука, 1974.

14. Миддлтон Д. Введение в статистическую теорию связи. Т. 1.- М.: Советское радио, 1961.

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

16. Невдяев Л.М. Мобильная связь третьего поколения. М.: МЦНТИ -международный центр научной и технической информации, 2000. -208 с.

17. Носов В.И. Эффективность использования секторных антенн с сотовых сетях радиосвязи // Мобильные телекоммуникации. — 2008. -№4.-с. 16-23.

18. Печаткин А.В. Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи. Рыбинск: РГАТА, 2008. 122 с.

19. Пестряков В.Б., Афанасьев В.П., Гурвиц B.JI. и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. Пестрякова В.Б. М.: Сов. радио, 1973. - 424 с.

20. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. Производственное издание. Под ред. Зимина Д.Б. М.: Радио и связь, 2000. - 248 с.

21. Розенвассер Е.И., Юсупов P.M. Чувствительность систем автоматического управления. -М.: Энергия, 1969.

22. Семенов A.M., Сикарев А.А. Широкополосная радиосвязь. М.: Воениздат, 1970. 280 с.

23. Сикарев А.А., Фалысо А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений. М.: Связь, 1978. - 328 с.

24. Снайдер Д. Метод уравнений состояния для непрерывной оценки в применении к теории связи. М.: Энергия, 1973. — 104 с.

25. Стратонович P.JI. Избранные вопросы теории флуктуаций в радиотехнике. М.: Советское радио, 1961. — 558 с.

26. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. — М.: Радио и связь, 1983.-320 с.

27. Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. М.: Наука, 1982. -123 с.

28. ЗЬФалько А.И., Мухин М.А. Адаптивный прием сигналов в каналах с многолучевостыо и узкополосными помехами // Радиотехника. -2004.-№10.

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

30. Фалько А.И., Шушнов М.С., Гюнтер А.В. Прием сигналов при воздействии коррелированных помех // Вестник СибГУТИ, №2, 2008. с.35-39.

31. Фалько А.И., Шушнов М.С., Гюнтер А.В. Прием сигналов при воздействии коррелированных помех // Радиотехника, №4, 2009. -с.4-10.

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

33. Фалько А.И. Адаптивный прием сигналов: Монография. Новосибирск: СибГУТИ, 2005. 306 с.

34. Фалько А.И. Широкополосные системы связи: Монография. Новосибирск: СибГУТИ, 2005. 126 с.

35. Фалько А.И., Шушнов М.С. Адаптивный прием сигналов в каналах со стохастическими узкополосными помехами // Телекоммуникации. 2006.-№6.- с.38-45.

36. Фалько А.И., Шушнов М.С. Прием широкополосных сигналов в каналах с многолучевым распространением и стохастическими узкополосными помехами // Радиотехника. 2007. - №2. - с. 16 - 19.

37. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. Радио, 1970.-728 с.

38. Хворостенко Н.Т. Статистическая теория демодуляции дискретных сигналов М.: Связь, 1968. - 336 с.

39. Цыпкин Я.З. Алгоритмы динамической адаптации // Автоматика и телемеханика. 1972. - №1.

40. Шабунин С.Н., Лесная Л.Л. Распространение радиоволн в мобильной связи. Екатеринбург: УГТУ, 2000. 38 с.

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

42. Andersin М. Real-time estimation of the signal to interference ratio in cellular radio systems // in Proceedings IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 2, May 1997, pp. 1089-1093.

43. Andersin M., Mandayam N.B., Yates R.D. Subspace based estimation of the signal to interference ratio for TDMA cellular systems // in Proceedings IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 2, April 1996, pp.1155-1159.

44. Benedict T.R. and Song T.T. The joint estimation of signal and noise from the sum envelope // IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-13, № 3, July 1967, pp. 447-454.

45. Chen, Hsiao-Hwa. The Next generation CDMA technologies. Wiltshire: John Wiley, 2007.

46. Falko A.I., Shushnov M.S. Adaptive reception of signals in channels with stochastic narrowband interference // Telecommunications and radio engineering, vol.69, №10, 2008, pp.925-948.

47. Gagliardi R.M. and Thomas C.M. PCM data reliability monitoring through estimation of signal-to-noise ratio // IEEE Transactions on Communication Technology, vol. COM-16, № 3, June 1968, pp. 479486.

48. Gilhousen K.S., Jacobs I.M., Padovani R., Viterbi A.J., Weaver L.A., Jr., Wheatley C.E. III. On the capacity of a cellular CDMA system // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 40, №2, May 1991, pp.303312.

49. Hatta M. Empirical formulae for propagation loss in land mobile radio services // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. VT-29, №3, August 1980, pp. 317-325.

50. Holiday Т., Goldsmith A., Glynn P. Optimal power control for CDMA system with wideband limit // Stanford university, 2002.

51. Ipatov V.P. Spread Spectrum and CDMA: principles and applications. Wiley, 2005.

52. Jakes W.C. Microwave Mobile Communications. New York: John Wiley, 1994.

53. Kerr R.B. On signal and noise level estimation in a coherent PCM channel // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. AES-2, July 1966, pp. 450-454.

54. Kim, Kiseon. CDMA systems capacity engineering. Boston-London: Artech House, 2005.

55. Lee Jhong S., Miller Leonard E. CDMA system engineering handbook. -Boston-London, Artech House, 1998.

56. Lee W.C.Y. Overview of cellular CDMA // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 40, №2, May 1991, pp.291-302.

57. Lee С.С. and Steele К. Closed-loop power control in CDMA systems // IEEE Proceedings-Communications, vol. 143, № 4, August 1996, pp. 231-239.

58. Madhow U., Honig M. MMSE Interference Suppression for Direct-Sequence Spread-Spectrum CDMA // IEEE Transactions on Communication, vol. 42, Dec. 1994, pp.3178-3188.

59. Parson J.D., Bajawa A.S. Wideband characterisation of fading mobile radio channels // Inst. Elec. Eng. Proc. Vol. 129, pi. F, Apr. 1982.

60. Patzold M., Laue F. Statistical properties of Jakes' fading channel simulator // IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 2, May 1998, pp.712-718.

61. PauIuzzi D.R. and Beaulieu N.C. A comparison of SNR estimation techniques for the AWGN channel // IEEE Transactions on Communications, vol. 48, № 10, October 2000, pp. 1681-1691.

62. Pickholtz R.L., Milstein L.B., Schilling D.L. Spread spectrum for mobile communications // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 40, №2, May 1991, pp.313-322.

63. Ramakrishna D., Mandayam N.B., Yates R.D. Subspace-based S-N estimation for CDMA cellular systems // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 49, № 5, September 2000, pp.l732-1742.

64. Sklar B. Rayleigh fading channels in mobile digital communication systems part I: Characterization // IEEE Communications Magazine, vol. 35, no. 7, pp. 90-100, July 1997.

65. Sklar B. Rayleigh fading channels in mobile digital communication systems part II: Mitigation // IEEE Communications Magazine, vol. 35, №7, July 1997, pp.l02-109.

66. Soliman S., Wheatley C., Padovani R. CDMA reverse link open loop power control // in Proceedings IEEE Global Telecommunications Conference, vol. 1, December 1992, pp.69-73.

67. Steel R., ed. Mobile radio communications. London: Pentech Press Publishers, 1994.

68. Turin G.L. The effects of multipath and fading on the performance of direct-sequence CDMA systems // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. SAC-2, №4, July 1984, pp.597-603.

69. Turkboylari M., Stuber G.L. An efficient algorithm for estimating the signal-to-interference ratio in TDMA cellular systems // IEEE Transactions on Communications, vol. 46, №6, June 1998, pp.728-731.

70. Viterbi A. J. CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication. Addison-Wesley, 1995.

71. Xia H. A simplified analitical model for predicting path loss in urban and suburban environments // IEEE Vehicular Technology Conference, Vol. 46, Nov. 1997.

72. Yang Samuel C. CDMA RF system engineering. Boston-London: Artech House, 1998.

73. Yang Samuel C. 3G CDMA2000 wireless system engineering. Boston-London: Artech House, 2004.