автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Проблемы модуляции и детектирования в системах связи многостационного доступа с кодовым разделением

<изии8ШьК'аЬ8Ш41Гь йЧРЗиРИПЛ^ииЦ'и ^шгш.иипгь

Ц ¡.¿и _

Рйищр[1 [1рш1[т(]рп1( flbaii.621.391

аЬтЫрлгёшй и ¿шри^тй ^Оц^рйЪрр ^пцш^й рии1ш0пи1ги| рищ^шйттр Цииц}! hшlIшllшpqnllí

ЦшиОищ^тпвдтй Ь. 13.05 <ш21[ш!ш1[ш0 т^иО^ци)]! и йшрЬ^шт^шЦшй 11Ьрш]0Ьр111[]1ритпи1р qllШшllшQ Ызтищтптр^ШСЬрпи!

БЬ^йМиЛциО qJlmпlpJnlGGbpIl рЬ^йшдпф ч!ппш1|шО шиш^бшй)! Ииуд^шй штЬОш}ипип1^шО

иьаипаьр

ЬГЬ^ШЪ-1996

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРМЕНИИ

На правах рукописи

УДК 621.391

Овакимян Карен Сергеевич Проблемы модуляции и детектирования в системах связи многостанционного доступа с кодовым разделением

¿яГ /з.

Специальность Е. 13.05 Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ереван-1996

Работа выполнена в Государственном инженерном университете Армении

Научный руководитель академик HAH РА,

доктор технических наук, профессор

Г.Г.Хачатрян

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор С.А>Шавгулидзе кандидат технических наук В.Г.Ягджян

Ведущая организация Ереванский научно-исследовательский

инсгитуг средств связи.

Защита состоится " ¿.б" " о е. к<х$. рЯ 1996 г. в 11 час, на заседании специализированного совета N 037 "Математичекая кибернетика и информатика": 375044, г. Ереван, ул. П.Севака, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке института.

Автореферат разослан "_ "_ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.э.н, с.н.с. UL- J&ftsг А. Е. Мелконян

Сдано в печать 7. 10. 1996 г. Бум. 60x84. Объем 1 печ. лист. Заказ 53. Тираж 100 экз.

Ii

различимых шумоподобных сигналов (занимающих одну и ту же полосу частот и временной интервал). При этом все пользователи могут работать в общей полосе частот, а разделение их возможно за счет различия ШПС по форме. Такое разделение абонентов называется кодовым. Главным преимуществом широкополосных систем связи с кодовым разделением является их способность к снижению влияния интерференции, помех, возникающих вследствие многолучевости распостранення или генерируемых другими системами связи.

Цель работы. Целыо настоящей работы является исследование ШП систем связи с многостанционным доступом п| кодовым разделением в двух аспектах: во-первых,-предложения относительно простого и надежного детектора указанных пптем связи; во-вторых,- обеспечения качественной связи при использовании непрерывном фазовой модуляции I! ука ыппмх системах связи.

Методы_исследований. Математической основой

исследования являются теория вероятностей, статистический анализ, теория обработки сигналов, теория иммитам.ионпото моделирования.

Научная новизна. Предложен алгоритм детектирования информационных данных в системах связи МДКР, который обеспечивая качество приема близкое к оптимальному, значительно проще в исполнении по сравнению с оптимальным приемником. Обоснована и исследована возможность

Актуальность проблемы. Широкополосные (ШП) системы связи разрабатываются с середины 50-х годов. Первоначально они применялись в военных целях, для обеспечения защищенности от помех, преднамеренно вносимых противником. В настоящее время очевиден растущий интерес к коммерческим широкополосным системам связи, которые применяются в мобильных радиосетях (радиотелефоны, любительское радиовещание), в системах позицирования и синхронизации, в спутниковых системах связи и др.

Широкополосные системы связи оперируют с 1умоподобными сигналами (ШПС). Шумоподобными сигналами называют такие сигналы, у которых произведение ширины спектра XV на длительность Т много больше единицы. К ряду преимуществ, которыми обладают широкополосные системы связи, относятся следующие:

1) Возможность избежания намеренных помех,

2) Стойкость к интерференции,

3) Маленькая вероятность перехвата,

4) Возможность многостанционного доступа с кодовым уплотнением (разделением)

5) Относительно простое обеспечение синхронизации при приеме.

В этой работе мы рассматриваем проблему многостанционного доступа в широкополосных системах связи. Принципы разделения пользователей (абонентов) в ШП системах основаны на возможности построения большого числа

использования минимальной манипуляции для квазисинхронных систем связи МДКР.

Практическая ценность. Важность данной задачи заключается в том, что ШП системы связи находят широкое применение не только в военных, но и в коммерческих приложениях, для которых относительно простая реализация является существенной. Сегодня, ШП система связи с МДКР успешно реализована компанией Qualcomm. Вольшой интерес к подобным системам проявляется другими компаниями. Наряду с развитием технологий, применение эффективных алгоритмов детектирования и способов модуляции может значительно понизить стоимость таких систем связи и способствовать их широкому внедрению и повседневную жизнь. Ma основе проведенных исследований совместно с фирмой CYLINK подана заявка на патентировапие в США некогерентного приемника! широкополосных сигналов с минимальной манипуляцией.

Па защиту выносятся следующие положения:

1) Предложение эффективного алгоритма детектирования, который является модификацией алгоритма последовательного исключения интерференции.

2) Качество приема, обеспечиваемое предложенным модифицированным алгоритмом, в общем случае, значительно превосходит качество и,..;, ча, полученное при использовании обычного алгоритма последовательного исключения интерференции.

3) Доказательство оптимальности алгоритма последовательного исключения интерференции в частном случае равенства взаимных корреляций сигналов различных пользователей системы МДКР.

4) Предложение некогерентного и дифференциально-когерентного приемников для шумоподобных ММ сигналов. Доказательство того факта, что эти приемники вносят незначительные потери (0.9 с!В) в качество оптимального приема, имея при этом относительно простую реализацию.

5) Получение условий ортогональности шумоподбиых ММ сигналов и приведение метода построения таких сигналов.

Апробация работы. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом доложены и обсуждены: -на семинарах кафедры " ОРИС " ГИУА

-на семинарах Института проблем информатики и автоматизации 11АН РА

-на семинаре Технического Университета,

Дармштат, Германия, 1994

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 3 печатные работы и одна находится в печати.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, изложенных на 90 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков , список литературы из 44 наименований и приложение.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, указаны методы исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность проведенных исследований.

В первой главе описаны различные модели систем связи с множественным доступом, рассмотрены синхронные и асинхронные системы; непрерывные во времени каналы сведены к эквивалентным дискретным (векторным) каналам. Описаны наиболее распространенные способы детектирования в указанных системах связи, приведены известные результаты относительно качества приема при использовании различных алгоритмов декодирования, отмечены некоторые открытые проблемы и указаны те из них, решению которых посвящены следующие две главы.

Рассмотрим обобщенную цифровую систему связи с множественным доступом, изображенную на Рис. 1. Каждый из независимых К источников (далее пользователей) отображает двоичную информационную последовательность Ьк(п) С {-1, 1}, 1 = -М,...,М (к=1,..., К) в соответствующие временные сигналы

8(кп)(0 . (Здесь индекс к обозначает номер пользователя, п обозначает номер посылаемого информационного бита).

bi(i)-H Modi I [AWGN

\

\

b2(i)-► Mod 2

m

bK(i)-H Mod К '

yi (")

Matched

filter 1

Уг(п)

Matched

filter 2 Detector

Ук(п)

Matched

filter К *

bK(i-A)

Рис. 1 Система связи множественного доступа с АБГШ

Принимается сигнал r(t, b) (b={bk(i)}), которой состоит из суммы сигналов всех пользователей и пгума:

M К

г ( t. b ) = £ £ bk(i) Sk(t-iT-xk ) + n (t), i=-M k=l

(1.1)

где n(t) - АБГШ, а тк, k=l.....К временные задержки сигналов

соответствующих пользователей.

Выход k-r'o согласованного фильтра соответствующий n-му биту есть

1к+пТ+Т

Ук (n) = J г (b,t) Sk (t-nT-Xjt )dt (1.2)

xk + nT

Поскольку качество любого приемника зависит от последовательности статистик {ук(и)}на выходе согласованных

фильтров, то качество приема определяется спектральной

плотностью гаусоваского шума а2, энергиями и взаимными корреляциями сигналов т

Hkj(l)=J Sk( t ) Sj( t + 1Т - Tj + xk )dt, 1 е{-1,0,1} (1.3)

о

Оптимальный детектор в системе связи МДКР,- критерий по максимуму правдоподобия для детектирования всей совокупности переданных К-пользователями К(2М+1) битов

b={bk(i), k = l.....К; i = -M,...,M}, состоит в выборе такого вектора

Ь, который максимизирует апостериорную вероятность

Р [b|r(l)l (1.4)

при условии, что принятый сигнал есть r(t).

Раздельное детектирование битов каждого из пользователей: решение о передаваемом бите каждого из пользователей производится согласно следующему правилу

л

bk = sgn(yk) k = l.....К (1.5)

где ф-ия sgn() определена согласно правилу

fU>o

sgn(x) = (1.6)

[-1,х < О

Детектор с последовательным исключением интер(|)еренции: Идея метода детектирования битов с последовательным исключением интерференции, создаваемой различными пользователями, в системе связи МДКР состоит в следующем:

Предположим, что детектирован информационный бит какого-то из пользователей, тогда вклад сигнала соответствующего детектированному биту, может быть вычтен из суммарного принятого сигнала, обеспечивая более надежное детектирование остальных информационных битов; эта процедура повторяется до тех пор пока не будут детектированы все биты. Согласно принятому подходу вводится функция надежности к-го пользователя

ге1(ук) = Ы П-7)

и алгоритм последовательного детектирования с исключением интерференции даегся следующими выражениями

j(k) = arg max rei[y\k>\ (1.8)

inM(k) \ '

bf = sgn (j,;*>) (1.9)

r(k+" = r(k) - хГь(/°с, (1.10)

ylk+" = C* - r'k+" (1.11)

где значок k -обозначает k-ый шаг алгоритма, j с: (к)-номер пользователя выбранного на к-ом шаге, Ск-матрица из которой вычеркнуты столбцы соответствующие ПС последовательностям исключенных до к-шага пользователей, a ieM(k) пробегает значения номеров пользователей не исключенных из рассмотрения до k-ого шага и у"' = у г(П = г для первого шага.

Во второй главе предложена модификация этого алгоритма и исследовано качесво приема при его использовании.

Определим ф-ию надежности ¡-го пользователя на к-ом шаге согласно

ге1(у[к\ рх(х),Ю = Рмар(Ь,= Ь,(к)| у[к)) (2.1)

где рх(х) -совместная плотность распределения вероятностей амплитуд сигналов, ^нормированная взаимно-корреляционная матрица (см. (1.4Ь)), а правая сторона есть максимальная апостериорная вероятность принятия правильного решения о бите ¡-го пользователя на к-ом шаге, при условии, что задан выход ¡-го согласованного фильтра на к-ом шаге. Алгоритм последовательного исключения интерференции задаваемый уравнениями (1.11) (1.8) (1.9) (1.10) с функцией надежности (2.1) назовем модифицированным алгоритмом последовательного исключения интерференции. Идея этого метода детектирования состоит в том, что на каждом шаге в качестве надежнейшего (в смысле детектирования) предлагается выбирать того пользователя, вероятность битовой ошибки которого наименьшая.

Показано, что для модели с равными сигнальными амплитудами и гауссовской аппроксимацией тотального шума ф-ия надежности представима в виде

|у(к)|

ге1(У:к),К) = Ш, (2.2)

I

где знаменатель есть дисперсия полного шума.

Компьютерное моделирование разлияных детекторов,результаты которого приведены на Рис.2, демонстрирует преимущества

предложенного модифицитованного алгоритма по сравнению с обычным.

1- модифицированный алгоритм последовательного детектирования

2- обычный алгоритм последовательного детектирования

3- раздельный детектор

4- комбинированный приемник

5- оптимальный (в глобальном смысле) приемник

Рис. 2. Зависимость битовой вероятности ошибки от отношения энергии сигнала к шуму при постоянной амплитуде сигналов

В случае, когда взаимные корреляции сигналов различных пользователей одинаковы , модифицированная ф-ия надежности (2.1) и обычная функция (1.7) эквивалентны. Интересно заметить, что в этом случае алгоритм последовательного исключения

интерференции обеспечивает оценку передаваемых битов по максимуму правдоподобия.

Теорема

Если в системе связи МДКР взаимные корреляции сигналов различных пользователей одинаковы, то алгоритм последовательного исключения интерференции оптимален в глобальном смысле.

В третьей главе рассматриваются широкополосные системы связи, в которых применяется непрерывная фазовая модуляция, а именно, минимальная манипуляция. Преимуществом минимальной манипуляции является компактный спектр сигналов, благодаря чему уменьшается интерференция по отношению к соседним частотным каналам. Заметим, что хотя и боковые лепестки в спекте минимально-манипулированных сигналов ниже соответствующих лепестков с двоичной или чертвертичной фазовой манипуляцией, главный лепесгок спектра ММ сигналов шире. Возникает вопрос: Не приводит ли более компактный спектр ММ сигналов к уменьшению размерности (числа ортогональных сигналов) соответствующего векторного пространства?

В этой главе условия ортогональности когерентных и некогерентных шумоподобных ММ сигналов представлены, и оценено число ортогональных сигналов. Эти результаты рассмотрены в контексте синхронных и квазисинхронных систем связи МДКР. Описана структура оптимального некогерентного

приемника для шумоподобных ММ сигналов и показано, как упростить структуру этого приемника.

Для упрощения обозначений, мы рассмотрим шумоподобный ММ сигнал в интервале времени одного символа (бита данных) [0;Т()). В зависимости от ПС последовательности С = ( с0 , с, ,..., с^ ,) (в данной главе векторы обозначаются заглавными буквами с подчеркиванием), компоненты (чипы) которой есть +1 или -1, передаваемый ММ ШПС есть

х(1,С,ф) = Бсс^у/,^ + р(Ч,С) + ф], (3.1)

где информация заложена в фазе, определяемой при пТ< I < (п+1) Т согласно

Р(1,С) = сп 90° -^ + 8(п,С) (3.2а)

Здесь

О - амплитуда сигнала Ф - начальная фаза со0- центральная частота Т /

Т= Ч^ - длительность элемента (чипа) сигнала

п=0,1.....N-1, а фазовые состояния Б (п,С) в (3.2) определены

согласно

п-1

5(п,С) = 90° ^Г сг п=1,...,Ы-1 (3.2Ь)

;=о

0,С ) = 0

ММ ШПС" может рассматриваться как чин квадратурной амплитудной модуляции со сдвигом.

Тогда ПС последовательность А = (ао ¿?] «2 ■■.аы) для канала в

фазе и ПС последовательность В = (Ь0Ь,Ь2 ...Ьм ,), на которые наложено ограничение

ап = ап., если п-четно

ЬП=ЬП.] если п-печетно, (3.3) задаются выражепими х(1,С,ф) = х(1,А,В,ф)=>

а„ = а,,, = 1, ап = ап._, = со$8(п,С) (3.4) Ьп =ЬП_, =5т8(п,С)

У(П,

Н • ) ^рр]-

[<ЗегГ]

Ыг

пТ

¡Л

п-1)Т. -

-НМР1(А)1~-'

НМР2(В)1-

пТ

->)МРЗ(А)|—/

-»|МР4(В)|-

.5С-11»

й Е С I

Б I

О N

с1

т

+

к

Рис. 3 Блок схема пекогерентного приемника для ШП ММ сигналов.

На Рис.3 приведена структура предлагаемого некогерентного приемника для ШП ММ сигналов. К преимуществам этого

приемника можно отнести линейность на выходах согласованных фильтров, что позволяет производить МДКР и простая реализация при небольших потерях ( 0.9 дБ ) по сравнению с оптимальным.

Условия ортогональности ШП ММ сигналов: два некогерентных ШП ММ сигнала ортогональны т.е.

т

|х(1,А(1),В(0,ф,)-х(1,А(к:',В(к:,,фк)с11 = 0 (3.5)

о

если и только если выполняются

условия

<А(1),А':к) > + <В(,),В(к;' >=0 (3.18а)

< А('\Ва-' > - < А(к),В(,) >= 0 (3.18Ь)

Когерентные ШП ММ сигналы (фк = ф ) ортогональны, тогда и

только тогда, когда выполняется условие (3.18а).

[3 частности, сигналы х(1,А>В,ф|) и А,-В,ф, )

ортогональны если ф, = ф. и они ортогональны при произвольных сказах ф,, ф, если <Л,В> = 0. Мы использовали эти сигналы при расмогрении некогерентных ШП ММ модемов.

Заключение

Результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы по диссертации:

1) Предложен эффективный алгоритм детектирования, который является модификацией алгоритма последовательного исключения интерференции.

2) Качество приема, обеспечиваемое предложенным модифицированным алгоритмом, в общем случае, значительно превосходит качество приема, полученное при использовании обычного алгоритма последовательного исключения интерференции.

3) Доказана оптимальность алгоритма последовательного исключения интерференции в частном случае равенства взаимных корреляций сигналов различных пользователей системы МДКР.

4) Предложены некогерентный и дифференциально-когерентный приемники для шумоподобных ММ сигналов. Доказано, что эти приемники вносят незначительные потери (0.9 с1В) в качество оптимального приема, имея при этом относительно простую реализацию.

5) Получены условия ортогональности шумоподбпых ММ сигналов и приведен метод построения таких сигналов.

Перечень публикаций по теме диссертации

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

[1] K.Hovakimian. P.Kempf. "Modified interference cancellation algorithm for multiuser detection in a DS/CDMA system," Proceedings of Seventh Joint Swedish-Russian international workshop on Information Theory June 1722, 1995

[2] G.Khachatrian, K.Hovakimian. K.Nikogosian, A.Vartapetian, "Performance of S-CDMA system with non-coherent spread-spectrum MSK modems," в печати 1EEI:Г Trans, on Vehicule Technology

[3] G.Khachatrian, K.Hovakimian, K.Nikogosian, A.Vartapetian, '"Ortogonal S-CDMA system with Non-Coherent spread-spectrum MSK Modems". Препринт N 2.2.1 Ереван: Издательство Национальной Академии Наук Армении,-1996.

[4] P.Kempt, K.Hovakimian. "About the performance of successive interference cancellation algorithm in S-CDMA systems"', tech. rep., Technishe Hochshule Darmstadt. Germany, 1994

[5] J.Omura. P.Yang, G.Khachatrian. K.Nikogosian, K.Hovakimian, A.Vartapetian, "MSK spead spectrum receiver which allows CDMA operation" Patent Registration Serial N 08/324/478, USA

[6] Г.Хачагрян, К.Овакимян,-К.Никогосян, А.Вартапетян, "Спектральная плотность мощности шумоподобпых сигналов" ДАН РА # 4 1996

UüijiniliLuqhn

Quipbû Ubpqbjfi 7ntJuj[//ii]jujß «1-buibl[uiiSiuG U ilnqnipiuiG luGqJipGbpp linqiujJiG puiduiGniilnil puiqiiuitfniuip Ijuiuili hiu il ui l[ ui p q niiî »

Karen S. Hovakimyan "Problems of detection and modulation in code division multiple access systems"

IlinbûlufTjnunLpjnLÛQ ûi[fip4iuà t linquijliG puiduiGnnîni( puiqiliuiiruuip Ijuiuili AißPW hiuiiiul|uipqbp]iG i[hpuipbpnq hplini hliiîGuiliiuG huipgbpliG'

ui.UPPti hiuiîuiliuipqbpnnî [îG.'JjnpiîiuglinG ui4juqGbpli qhuiblpniîiuG ui^qnpliuiJGhpfiG;

p. U]iGliiîui[ iîuiG[ilinipiigliuijli /UU7 l|lipumiîwGp uijq liuiiîuiliuipqbpniiî: <hinuiqnmnipjniGGbpli liuiphtfuiuililpulpuG hJiiipG hG Ijujqiîniiî' huii[uiGiuliiuûnipjuiG mhunipjniGp, i|jiâuiliiuqpuijliû

i[bp[niônipjniûp,uiqquiG2uiGGbp[i iÏ2iul[iîiuG uihunipjmGp h himîuilpupq^iujliG inliuiuipGbpli iÎ2uilinuSp: Umuigi|iuö hG hbinlijuiL uiprijniGpGbpp.

-Llniii^uiplpluiö t qbmbliuiduiG uipqjniGuu[bin uqqnpliiniî, npp hiuGq[iuuiGnn5 t liGuihptyliphGgliuijli huignpquipuip puigmutfuiG uqqnpliuuSli Ipuinuiphpuqnp&niiî

-CGqniGiîuiG npuiljp, npG luupuhnijniil t uiniuguiplpluiö iu^qnpliuiiîp,pGqhuiGnip qlnqpnirf qquqJmphG qhpuiquiGgniiî t pGqniGijiuö ui[qnpliuiGGbpliG

-Qiquignigiluiir t liGintiptytiphGgliuijli huijnpquipuip piuguiuiîiuG uqqnplimiîfi oiquifiiîujpiipjmGp iiutuGiui(np uijG qhujpntii, bpp ^iPPk uuiuinnqGhpli uiqquiÛ2UiGGhpli ijinlumquipâ linpb^uigliuiGhpp fipuip huii{uiuiup bû

-Unui2uipl[ilui& hG ns-ljiilibphGin Ii qlifyhphGglnui-linhbphGui pGqniGl^Gbp pujGui2bpm UU iuqqiuG2iuGGhpli huiiîuip: lliqiugmgijuiö t, np uijq pGqniGli^Ghpp pbpniiî hG U.1GG2U1G 0.9dB linpruuuiGhpli oupnliiSui| pGqmGiîuiG huuShiîuiui, niGhGuqni| 2luul un|bi]i upupq lipiulpuGuigniiS

-UuiuigijuiCr h G UU uiqquiÛ2UiGGhpli oppnqnGuipiipjuiG iquijiiuiGGhpp U phpifiuö t lujqiqliuli uiqqiuG2iuGGhpli IpunnigüiuG iî]i hquiGuil): f '