автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование цифровых алгоритмов подавления помех в мобильных системах связи

МИНИСТЕРСТВО ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СВЯЗИ РФ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи УДК 621.396:621.391

Седанин Алексей Валерьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ АЛГОРИТМОВ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13- Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск-2004

Работа выполнена в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Бакалов В П

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Пальчун Ю А

Кандидат технических наук, доцент Резван И.И

Ведущее предприятие указано в решении диссертационного совета

Защита диссертации состоится в /^"""часов на за-

седании диссертационного совета Д 21900501 в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу 630102, Новосибирск, ул Кирова, 86

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СибГУТИ

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219 005 01 к.т.н., профессор

ь

БИКрук

2006-42257

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Обеспечение высоких качественных показателей современных систем мобильной связи связано с увеличением пропускной способности используемых каналов радиосвязи

Одним из факторов, сдерживающих увеличение реальной скорости передачи потока цифровых сообщений по радиоканалу является наличие межсимвольных искажений в принимаемом сигнале Причин влияние этих искажений достаточно велико. При использовании в системе связи радиоканала наиболее существенным фактором возникновения межсимвольных искажений является наличие в канале связи многолучевого распространения радиоволн. Существующие мобильные системы связи уже используют различные методы борьбы с межсимвольными искажениями Однако достигаемые в этих системах скорости передачи дискретных сообщений в настоящее время уже недостаточны для нужд потребителей. Речь идет об увеличении скорости передачи потока цифровых сообщений в мобильных системах связи в десятки раз Традиционные методы приема и обработки сигналов, используемые в современных мобильных системах связи, не позволяют решить эту проблему.

Однако общая теория потенциальной помехоустойчивости систем связи работающих в условиях различных типов помех, разработанная отечественными и зарубежными учеными позволяет найти пути решения этой задачи Первыми работами в этом направлении можно считать теорию потенциальной помехоустойчивости В А. Котельникова и теорию оптимального кодирования, основы которой заложены К Шенноном Результаты, полученные этими исследователями, а так же теоретические выводы, полученные в работах А Н. Колмогорова, Н. Винера, С Райса, Д Млдлтона и других, по праву считаются классическими Однако они в основном получены с использованием гауссовских моделей сигналов и помех.

Однако, наличие в канале радиосвязи многолучевого распространения радиоволн приводит к тому, что принимаемый приемником сигнал отличается от гауссобской модели. В этих условиях эффективным подходом при разработке алгоритмов обработки сигналов является применение теории обели-вающей фильтрации, а также адаптация известных алгоритмов приема к реальным изменениям параметров канала связи и помеховой обстановки в нем. Наиболее важные результаты в этом направлении отражены в работах зарубежных и отечественных ученых Уидроу, Прокиса, Ван ТрисаТ., Калмана , Б Р Левина, И.С. Андронова, Л.М. Финка, Д.Д. Кловского, А.И Фалько, А А. Сикарева, Ю.С. Шинакова и многих других. Большинство представленных в этих работах методов приема и обработки сигналов обеспечивают довольно эффективную защиту от различных типов помех, присутствующих в реальных каналах связи Однако они становятся мало эффективными в случае присутствия в канале связи структурно-подобных (многолучевых) помех, возникающих за счет многолучевого распространения радиоволн. В этом случае, для эффективной борьбы с межсимвольными искажениями в современных мобильных системах связи при приеме и обработке принимаемого многолучевого сигнала применяется адаптивная цифровая обеливающая фильтрация

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БЬ^ШТЕКА С.Петербург 2006РК

(цифровой эквалайзер) с адаптацией под реальные параметры помеховой становки Однако, практика работы современных мобильных систем связи показывает, что для существенного увеличения реальной скорости передачи цифровых сообщений за счет уменьшения межсимвольных искажений в принимаемом сигнале не достаточно применения одноканального цифрового эквалайзера в приемнике мобильной и базовой станции Решением данной задачи может быть комплексное использование всех методов защиты от помех, разработанных к настоящему времени в общей теории потенциальной помехоустойчивости систем связи. В первую очередь это относится к комплексному применению широкополосных сигналов, методов разнесенного приема и современных адаптивных алгоритмов цифровой обеливающей фильтрации Бурное развитие в последнее время микропроцессорной техники и методов цифровой обработки сигналов создают необходимые предпосылки для эффективного технического решения этой проблемы с использованием адаптивной обработки сигналов как в спектральной так и во временной области

Таким образом, на основании вышесказанного тема диссертации является актуальной и направленной на повышение скорости передачи цифровых сообщений в мобильных системах связи, работающих в условиях многолучевых помех.

Цель работы. Разработка и исследование новых, более эффективных методов приема и обработки сигналов в системах мобильной связи с многолучевым распространением радиоволн.

Задачи исследования:

1 Экспериментальное исследование статистики затенений распространения радиоволн в мобильных системах радиосвязи в условиях городской застройки.

2 Анализ моделей каналов распространения радиоволн в мобильных системах связи и разработка математической модели многолучевого сигнала

3 Сравнительный анализ методов борьбы с многолучевостью и методов приема разнесенных сигналов

4 Разработка эффективного алгоритма подавления многолучевых помех на основе сочетания многоканального обеливающего фильтра и методов разнесенного приема.

5 Анализ эффективности подавления межсимвольных искажений с помощью разработанного алгоритма подавления многолучевых помех

Методы исследования. Основная часть работы выполнена с применением методов статистической теории связи, теории функций и функционального анализа, теории вероятностей, математической статистики, имитационного и математического моделирования Все расчеты получены с использованием численных методов, реализованных в средах математического программирования МаШетайс, Ма^АЬ и МаЛСаё.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке нового метода адаптивного приема сигналов на базовых станциях мобильных систем связи, отличающегося тем, что используемый в нем адаптивный алго-

ригм цифровой обеливагощей фильтрации дополнительно включает в себя процедуру весовой обработки пространственно разнесенных сигналов, что существенно снижает уровень межсимвольных искажений и соответственно увеличивает реальную скорость передачи цифровых сообщений

Достоверность полученных результатов Обеспечивается корректным использованием исходных теоретических и экспериментальных данных, корректность постановки задачи исследования, соответствие теоретических выводов с результатами экспериментального исследования

Практическая ценность и реализация результатов работы. В работе изложен новый алгоритм подавления многолучевых помех, основанный на сочетании пространственно разнесенного приема и цифровой обеливающей фильтрации, способный существенно повысить скорость передачи дискретных сообщений в мобильных системах связи

Разработанный алгоритм может быть реализован в виде микропроцессорного модуля цифровой обработки сигналов как в частотной так и временной области Его преимущества доказаны результатами практического анализа и статистического моделирования

Разработанный в диссертации алгоритм подавления многолучевых помех и программное обеспечение, его реализующее, а такяче результаты статистического моделирования многолучевого каната связи и многоканального цифрового эквалайзера нашли применение в КБ ЗАО "ЭЛЕКТРОСИГНАЛ" при разработке современных транкинговых систем связи.

Результаты диссертационной работы также приняты для практического использования на внедренческом предприятии КБ "МАРС"

Результаты исследования внедрены в учебный процесс Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики

Практическое использование результатов работы подтверждено соответствующими актами внедрения, приведенными в приложении диссертационной работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть полезными широкому круг) разработчиков научно-исследовательских и проектных учреждений, занимающихся повышением эффективности существующих и проектированием новых мобильных систем связи

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть полезными широкому кругу разработчиков научно-исследовательских и проектных учреждений, занимающихся повышением эффективности существующих и проектированием новых мобильных систем связи

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и национальных конференциях и семинарах, в том числе

] Международных научно-технических конференциях "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 2000-2004 г);

2 Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения"(АПЭП, Новосибирск, 2002г . 2004г ),

3 Международных научно-технических конференциях "Радиолока навигация, связь" (Воронеж, RLNC, 2003 г, 2004 г),

4 Международных школах-семинарах по электронным приборам и материалам (EDEM 2003г , 2004г. A hay Region, Russia)-,

5 Международных семинарах СибДальСвязь (Новосибирск-Владивосток, 2002-2004 г.).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1 Методика расчета напряженности поля принимаемого сигнала в условиях городской застройки, на основе поправочных коэффициентов, учитывающих влияние высот подвеса антенн, рабочих частот и условий затенения городской застройки;

2 Методика определения реальных размеров зон формирования отраженных лучей, с одномерными функциями распределения модуля и фазы передаточной функции радиоканала;

3 Алгоритм подавления многолучевых помех с помощью многоканального цифрового эквалайзера и просгранственно-разнесенного приема,

4 Результаты статистического моделирования алгоритма приема дискретных сообщений с использованием многоканального цифрового эквалайзера и пространственно-разнесенного приема

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы Публикации включают 6 статей в центральных журналах и сборниках научных трудов, 9 докладов на конференциях, 5 тезисов докладов, 3 депонированных статьи

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Основная часть работы содержит_страниц текста с _ иллюстрациями Список

литературы насчитывает 55 наименований Общий объем работы с приложениями составляет_страниц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приводится краткий анализ современного состояния проблемы, формулируется задача исследования, основные направления работы, рассматривается структура диссертации и излагаются основные положения, выносимые на защиту

В первой главе анализируются статистические данные затенений распространения радиоволн в мобильных системах радиосвязи, полученные в одном из крупнейших городов России (Новосибирске), приведен анализ закономерностей распространения радиоволн СВЧ диапазона с плотной городской застройкой и рассмотрена уточненная модель помеховой обстановки для каналов мобильных систем связи (МСС) При этом выделяются два основных фактора, определяющих многолучевое распространение влияние затенений при распространении полезных сигналов и отражений этих сигналов от крупных строений городской застройки

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что медианное значение интенсивности поля убывает обратно пропорционально кубу расстояния на дальностях до 15-20 км при высоте подвеса антенны базовой станции менее 90 м. Последующее увеличение дальности приводит к

более быстрому уменьшению уровня сигнала Ослабление сигнала возрастает также с увеличением частоты излучения Если мощность сигнала считать пропорциональной некоторой степени длины волны, то эта степень на частоте 100 МГц оказывается близкой к нулю, а на частотах 0,8-2 ГГц приближается к единице Важным показателем, влияющим на ослабление сигнала является вектор направленного движения мобильного объекта Исследования показали, что на радиальных улицах уровень сигнала на 10-15 дБ выше, чем на поперечных, по отношению к направлению местоположения базовой станции Однако это соотношение существенно зависит также и от расстояния до мобильною объекта' различие уменьшается при увеличения дальности

На основе проведенных экспериментальных исследований предлагается при расчете ослабления принимаемого сигнала с использованием известных расчетных алгоритмов и формул дополнительно ввести поправочные коэффициенты, учитывающие условия распространения радиоволн исследуемого района, которые существенно повышают точность выполнения расчетов

Во второй главе исследуются модели радиоканалов, используемые при разработке современных систем связи в условиях многолучевого распространения радиоволн, дается их классификация Анализ существующих моделей показал что, для решения поставленных задач в диссертационной работе задач исследования, существующих моделей многолучевых радиоканалов, адекватно отражающей характеристики реальных каналов мобильной радио связи только одна.

Учитывая большое разнообразие математических моделей вследствие разнообразия задач, возникающих в ходе исследования, целесообразно привести классификацию моделей ( см рисунок 1) На рисунке 1 приведены основные математические модели канала' детерминированная и статистическая.

Г

Рисунок 1 - Классификация математических моделей многолучевых каналов

В качестве модели канала связи в диссертации обосновано использование статистической шестилучевой модели канала мобильной связи, предлагаемая в рекомендациях Европейского Института Стандартов Телекоммуникаций Структурная схема такой модели приведена на рисунке 2 В работе показано, что коэффициенты передачи и номиналы задержек в этой модели различны для городской и для сельской местности

связи с шестилучевой моделью канала радиосвязи Проведенный анализ применения шестилучевой модели канала мобильной связи показал, что данная модель позволяет учесть все основные факторы, влияющие на описание многолучевого, сигнала, принимаемого на базовой станции от подвижного объекта в реальных условиях его движения в условиях городской застройки Это обстоятельство позволяет использовать данную модель многолучевого канала мобильной связи для синтеза оптимального адаптивного алгоритма обработки сигнала принимаемого приемником базовой станции, с точки зрения уменьшения влияния многолучевого распространения радиоволн

В третьей главе произведен теоретический анализ известных методов борьбы с помехами в условиях многолучевости, базирующихся на различных методах разнесенного приема Используя методы частотного и пространственного разнесения, синтезирован адаптивный алгоритм работы многоканального обеливающего фильтра, который способен эффективно бороться с многолучевостью принимаемого сигнала В качестве практической реализации цифрового обеливающего фильтра предложен адаптивный цифровой многоканальный эквалайзер.

Сигнал на выходе д- ой ветви разнесения (д=1, 2, . ,0 представляется в форме

(0 = +иР19(^&1д)+(0,

где-принимаемый полезный сигнал (с -=1.2, . , К) на выходе д - ой ветви разнесения,

?/№(/,©„)- сумма реализаций сигналов (помех) возникающих за счет многолучевого распространения, присутствующая на выходе д-ой ветви разнесения;

(:) -аддитивная флуктуационная помеха в д - ой ветви разнесения

J

?=1,2, .д

Полезный принимаемый сигнат представляется в виде совокупности его возможных реализаций

о Ц '=1

где ищ (0,)-детерминированная, интегрируемая в квадрате функция, 07-импульсная реакция фильтра радиотракта приемника в д-ой ветви разнесения;

Я -количество элементарных сигналов, умещающихся на интервале времени наблюдения Т

После аналого-цифрового преобразования полезный сигнал на входе цифрового эквалайзера записывается в виде

Л ( Р "1 Р ~1

м [;=о ;=о J

при этом совокупность многолучевых помех следующая

1=1

/«о Л-1-

I /=о

Применяя эмпирический байесовский подход, бьш получен адаптивный алгоритм пространственно-разнесенного приема сигналов для многолучевого канала радиосвязи

(V ' ( «• ^ (

1

1

«) *

и Рп1

и$сгд+ X,

иРГЦ- иР!да

а 2 • 2 '\

и^ + иъ-ирь

1 V

( ' л ♦ ( * -'Л 1 2

Хд-ЦрЬ] ■ и5с1д+ X ч ир1ч-1]р1дс

Ч 1 V

.2 Л2

г*К

Особенностью полученного алгоритма является процедура вычитания из принятой смеси сигналов оценки совокупности лучевых помех, распределенных в пространстве Это так называемый компенсационный метод подавления помех в сочетании с оптимальной корреляционной обработкой обеленного флуктуационным шумом полезного сигнала. Для формирования оценки совокупности лучевых помех можно использовать обучающую выбору входного многоканального сигнала В общем случае параметры лучевых помех и их количество априорно неизвестны Поэтому важно рацио-

нально выбрать вычислительный метод формирования оценок этих поме* работе рассматриваются два метода реализации алгоритмов

Первый метод основан на использовании теории статистических оценок Этот метод достаточно хорошо разработан и эффективно используется в радиолокации Однако результаты исследований, выполненных в диссертационной работе показали, что в данной постановке задачи наилучшим решением проблемы является второй метод реализации полученных алгоритмов -применение цифрового эквалайзера (адаптивного обеливающего фильтра)

В этом случае адаптивный цифровой алгоритм приема сигналов в условиях воздействия многолучевых помех, основанный на процедуре быстрого преобразования Фурье имеет вид

ятэд]•. "Т^"»-* ТП2,Ш, тп-

¡-1 /=1 где ТР[и8сг(п)] -преобразование Фурье от опорного сигнала; ТР[2г(п)] -преобразование Фурье от входного сигнала при приеме г-го варианта сигнала;

При этом преобразование Фурье для опорных сигналов производится заранее. Структурная схема устройства, реализующего этот алгоритм, приве-

Рисунок 3- Структурная схема цифрового адаптивного эквалайзера для подавления многолучевых помех

Отличительной особенностью разработанного цифрового эквалайзера, является реализация адаптивного алгоритма приема сигналов с цифровым подавлением многолучевых помех на основе матричных процессоров и пространственно разнесенных антенн

В четвертой главе произведен анализ помехоустойчивости и сравнительной эффективности полученных адаптивных алгоритмов приема С этой целью в работе проведен теоретический анализ помехоустойчивости разнесение! о приема сигналов при использовании различных типов многопозиционных сигналов, используемых в современных системах мобильной связи Этот анализ позволяет выбрать оптимальные типы многопозиционных сигналов с учетом условий распространения радиоволн Вторая задача, решаемая в этой главе, состоит в сравнительной оценке эффективности предлагаемого многоканального цифрового эквалайзера и применяемого в настоящее время одноканального цифрового эквалайзера Это исследование выполнено путем моделирования на ЭВМ канала мобильной связи, включающего в себя источник сообщения, многолучевый канал распространения радиоволн и два сравниваемых цифровых эквалайзера одноканального и многоканального

Анализ эффективности подавления многолучевых помех с помощью пространственно разнесенного приема выполнен путем моделирования на ЭВМ алгоритмов работы стандартного цифрового эквалайзера, применяемого в сотовых системах связи второго поколения и предлагаемого многоканального цифрового эквалайзера Для получения сравнительных количественных оценок межсимвольных искажений, оцениваемых по возникающим за счет многолучевости временным преобладаниям дискретных сигналов, была смоделирована в среде МаИ-аЬ система сотовой связи, включающая источник цифрового сообщения, многолучевый канал связи и два цифровых приемника со сравниваемыми цифровыми эквалайзерами Общая структурная схема смоделированного эксперимента приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структ) рная схема модельного эксперимента Структурная схема алгоритма моделирования предлагаемого цифрового эквалайзера представлена на рисунке 5

Формует его

Входного си'нал от о ветвей раз^есвн^я

I N V оа-до&моы и; >/Гээра1 €4

Вычисление .оррсляционной ' Ф !'кции многомерного '

сиг на-в Глок процессора Ф%рье ! <П Ф» !

РУ

[ я¥(г )//елг)

I

Печать результатов

Рисунок 5 - Алгоритм моделирования цифрового многоканального эквалайзера с подавлением помех методом БПФ В результате выполненного моделирования было произведено сравнение эффективности подавления межеимволъных искажений типового и предлагаемого цифрового эквалайзера, при учете 6-ти лучевой модели радиоканала Была проанализирована зависимость межсимвольных искажений в виде уровня временных преобладаний Н = -у- от количества принимаемых отраженных лучей и от порядка фильтра с различными весовыми окнами Результаты этого моделирования приведены на рисунках 6 и 7

Рисунок 6 - зависимость Н от количества принимаемых лучей

Рисунок 7- зависимость Я от порядка фильтра с разными окнами прозрачности

Из графиков видно, что разработанный цифровой многоканальных эквалайзер более эффективно подавляет межсимвольные искажения, возникающие за счет многолучевости в канале связи.

В заключении перечислены основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, даны рекомендации по использованию предложенного алгоритма подавления многолучевых помех

В приложении к диссертационной работе представлены акты внедрения результатов работы

Основные результаты работы

1 Получены поправочные коэффициенты, учитывающие влияние высот подвеса антенн базовых и мобильных станций, рабочих частот и условий затенений на распространение радиоволн в условиях городской застройки,

2 Определены для моделей, входящих в предлагаемую в работе классификацию моделей многолучевых каналов мобильной радиосвязи, размеры зон формирования отраженных сигналов и получены одномерные функции распределения модуля и фазы передаточной функции радиоканала:

3 В работе изложен новый алгоритм подавления многолучевых помех, основанный на сочетании пространственно разнесенного приема и цифровой обеливающей фильтрации, способной существенно повысить скорость передачи дискретных сообщений в мобильных системах связи;

4 Разработанный алгоритм реализован в виде цифровой обработки сигналов в частотной и временной области Его преимущества доказаны результатами практического анализа и статистического моделирования

Список публикаций по теме диссертации

1 Сединин A.B., Микушин А В Особенности выбора параметров АЦн цифрового демодулятора приемника мобильной радиосвязи Первая международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов "Техника и технологии связи". Минск, февраль 1999

2 Сединин А В Цифровой алгоритм поиска источника радиосигналов с априорно неизвестным местоположением Российская научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 1999г.

3 Микушин А.В , Сединин А В Особенности реализации аналого-цифрового преобразования узкополосных высокочастотных сигналов ВЕСНГК Суыш, №1,1999

4 Микушин А.В , Сединин А В. Синтез цифрового адаптивного алгоритма приема сигналов с подавлением комплекса различных типов помех Деп в ВИНИТИ 02 11.2000 N2789-B 2000

5 Сединин А.В Подавление импульсных помех в системах мобильной радиосвязи Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток,2000

6 Сединин AB., Бакалов В П, "Анализ эффективности применения цифровых обеливающих фильтров, для подавления помех в мобильных системах радиосвязи". Региональная НК "Наука, техника, инновации" (НТИ 2001), НГТУ, 10-12 декабря 2001

7 Микушин AB., Сединин А В. Подавление помех в сотовых системах связи на основе цифровых алгоритмов обеливания Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток, 2001.

8 Сединин A.B. Адаптивный алгоритм подавления различных типов помех на основе цифрового обеливающего фильтра Третья международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов "Техника и технологии связи" Украина, Одесса, сентябрь 2001

9 Микушин А.В , Сединин А В Применение адаптивных обеливающих фильтров для подавления помех в мобильных системах радиосвязи. Деп В ВИНИТИ 29.06.2001 N 1558-В 2001

10 Микушин A.B., Попов ГН , Сединин А.В , "Применение обеливающих фильтров для измерения и подавления помех в системах мобильной связи" Материалы докладов VI Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", АПЭП-

2002.Новосибирск.

11 Сединин A.B., Ленчуков А В "Статистика затенений распространения радиоволн сотовых систем связи в условиях города". Региональная НК "Наука, техника, инновации" (НТИ 2002), НГТУ, 2002.

12 Сединин А В Статистика затенений распространения радиоволн сотовых систем связи в условиях города Деп В ВИНИТИ 04.06.2003 N 1084-В

2003.

13 Бакалов В.П., Сединин А В "Учет влияния факторов городской застройки на условия распространения радиоволн в сотовыхсистемах связи" (Секция 4- Мобильная связь). IX Международная научно-техническая конфе-

ренция "РАДИОЛОКАЦИЯ, НАВИГАЦИЯ. СВЯЗЬ" (RLNC -2003), НПФ "Саквое" Воронеж Апрель 2003

14 Valéry Р Bakalov Aleksey V Sedinm, Alexander M. Lenchukov The Influence of Urban Area Factors on Accuracy of Error-Condition Modeling in Cellular Communications Systems EDEM 2003 Conférence, Altai Région, Rossia

15 Бакалов В П, Ссдинин А В , "Исследование влияния факторов городской застройки на распространение радиоволн МСС" Международная научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 2003г

16 Сединин А В , "Учет зон затенений при распространении радиоволн сотовых систем связи в условиях города" Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток,2003

17 Сединин А В , Бакалов В П , "Исследование возможности применения цифрового эквалайзера для подавления многолучевых помех в мобильных системах радиосвязи" Международная научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 2004г

18 Сединин А.В , Микушин А В Анализ влияния шумов квантования цифрового приемника на качество приема полезного сигнала Международная научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций", Новосибирск, 2004г

19 Микушин А.В , Сединин А В. Применение обеливающих фильтров для измерения и подавления помех в системах мобильной связи X Международная научно-техническая конференция "РАДИОЛОКАЦИЯ, НАВИГАЦИЯ, СВЯЗЬ" (RLNC -2004), НПФ "Саквое" Воронеж Апрель 2004.

20 Alexander V. Mikushin. Alexei V. Sedinin On usmg whitening fïlters for measurements and noise suppression in mobile communications systems EDEM 2004 Conférence, Altaï Région, Rossia

21 Микушин A В , Сединин A В Применение цифрового эквалайзера для подавления лучевых помех в системах мобильной связи Сб трудов международного семинара Сибдальсвязь Новосибирск-Владивосток,2004.

22 Сединин А.В , Анализ влияния шумов квантования цифрового приемника на качество приема полезного сигнала Материалы докладов VII Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", АПЭП-2004 Новосибирск.

23 Микушин А.В , Сединин А В Применение обеливающих фильтров для подавления помех в мобильных системах радиосвязи - Известия высших учебных заведений Радиоэлектроника, 2004, т 47, №2, 75-80с

РНБ Русский фонд

2006-4 2257

Сединин Алексей Валерьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ АЛГОРИТМОВ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

Специальность 05.12 13- Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать{¿^ 2004, Формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10, Изд.лДДзаказ №¿32, тираж 100, СибГУТИ

630102, Новосибирск, ул Кирова ^

( С г!

(

\

П '

ВВЕДЕНИЕ

1 СТАТИСТИКА ЗАТЕНЕНИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ # РАДИОВОЛН МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

В УСЛОВИЯХ ГОРОДА

Общие замечания

1.1 Методика и структурная схема исследования

1.2 Зависимость средней интенсивности принимаемого сигнала от дальности и частоты

1.3 Экспериментальные закономерности и расчетные методы

2 МОДЕЛИ КАНАЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Общие замечания

2.1 Математические модели каналов с многолучевостью

2.2 Детерминированная модель радиоканала

2.3 Статистическая модель радиоканала

2.4 Типы моделей распространения

2.5 Шестилучевая модель радиоканала

Выводы по второй главе

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ ЦИФРОВОГО ОБЕЛИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА ДЛЯ БОРЬБЫ С МНОГОЛУЧЕВОСТЬЮ

Общие замечания

3.1 Обзор методов борьбы с многолучевостью и техники приема разнесенных сигналов

3.2 Математическая модель многолучевого сигнала

3.3 Синтез алгоритма цифрового обеливающего фильтра для пространственного разнесенного приема

Выводы по третьей главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ПОДАВЛЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ Общие замечания

4.1 Оценка вероятности ошибки в системах связи с разнесенным приемом

4.2 Моделирование многолучевого канала сотовой связи

4.3 Анализ эффективности подавления многолучевых помех с помощью пространственно разнесенного эквалайзера

Выводы по четвертой главе

Актуальность работы: Обеспечение высоких качественных показателей современных систем мобильной связи, связано с увеличением пропускной способности используемых каналов радиосвязи.

Одним из факторов, сдерживающие увеличение реальной скорости передачи потока цифровых сообщений является наличие межсимвольных искажений в принимаемом сигнале. Причем возникновение этих искажений достаточно велико, однако при использовании в системе связи, радиоканала наиболее существенным фактором является наличие в канале связи многолучевого распространения радиоволн. Существующие мобильные системы связи уже используют различные методы борьбы с межсимвольными искажениями. Однако, достигаемые в этих системах скорости передачи дискретных сообщений уже недостаточны для нужд потребителей. В настоящие время речь идет об увеличении в мобильных системах связи скорости передачи в десятки раз. Такую задачу можно решить, используя оптимальные методы приема сигналов с использованием методов разнесенного приема и адаптивной, обеливающей фильтрации многолучевых помех.

Первыми работами по этому направлению можно считать теорию потенциальной помехоустойчивости В.А.Котельникова и теорию оптимального кодирования, основы которой заложены К.Шенноном. Результаты, полученные этими исследователями, а так же отраженные в работах А.Н.Колмогорова, Н.Винера, С.О.Райса, Д.Миддлтона и других, по праву считающиеся классическими, в основном получены с использованием гаус-совских моделей сигналов и помех.

Однако наличие в канале радиосвязи многолучевого распространения радиоволн приводит к тому, что принимаемый приемником сигнал отличается от гауссовской модели. В этих условиях эффективным подходом при разработке алгоритмов обработки сигналов является применение теории обеливающей фильтрации, а также адаптация известных алгоритмов приема к реальным изменениям параметров канала связи и помеховой обстановки в нем.

Наиболее важные результаты в этом направлении отражены в работах зарубежных и отечественных ученых: Д.Миддлтона, Р.Кеннеди, Ван Трис Т., Б.Р.Левина, И.С.Андропова, Л.М.Финка, Д.Д.Кловского, А.И.Фалько,

А.А.Сикарева, Ю.С. Шинакова и многих других. Большинство представленных в них методов обработки сигналов обеспечивают довольно эффективную защиту от различных типов помех, присутствующих в реальных каналах связи. Однако они становятся мало эффективными в случае присутствия в канале связи структурно-подобных (многолучевых) помех, возникающих за счет многолучевого распространения радиоволн. В этом случае, для эффективной борьбы с многолучевыми помехами целесообразно применять цифровую обе-ливающую фильтрацию, с адаптацией под реальные параметры помеховой обстановки в совокупности с методами теории разнесенного приема.

Бурное развитие в последнее десятилетие микропроцессорной техники и методов цифровой обработки сигналов, создают необходимые предпосылки для технического решения этой проблемы. Благодаря этому становится возможным проводить адаптивную обработку как в спектральной так и во временной области.

Решение поставленной задачи составляет основную часть представленной работы, которая лежит в русле многолетних исследований в области раз-• работки адаптивных систем связи в каналах с межсимвольными искажениями, замираниями и сложной помеховой обстановкой, выполняемых в СибГУТИ.

Цель работы. Разработка и исследование новых, более эффективных методов приема и обработки сигналов в каналах мобильной связи с многолучевым распространением радиоволн.

Задачи исследования:

1 Экспериментальное исследование статистики затенений распространения радиоволн в мобильных системах радиосвязи; Ш

2 Анализ моделей каналов распространения радиоволн в мобильных системах связи;

3 Сравнительный анализ методов борьбы с многолучевостью и техники приема разнесенных сигналов;

4 Разработка математической модели многолучевого сигнала;

5 Разработка эффективного алгоритма подавления многолучевых помех на основе многоканального обеливающего фильтра;

6 Анализ эффективности разнесенного приема многолучевых сигналов с использованием многопозиционных сигналов;

7 Анализ эффективности подавления многолучевых помех с помощью многоканального, пространственно разнесенного обеливающего фильтра (эквалайзера).

Методы исследования. Основная часть работы выполнена с применением методов статистической теории связи, теории функций и функционального анализа, теории вероятностей, математической статистики, имитационного и математического моделирования. Все расчеты получены с использованием численных методов, реализованных в средах математического программирования Mathevatica, MatLAb и MathCad.

Научная новизна:

1 Разработана методика расчета напряженности поля принимаемого сигнала в условиях городской застройки, на основе поправочных коэффициентов;

2 Получены поправочные коэффициенты, учитывающие влияние высот подвеса антенн базовых и мобильных станций, рабочих частот и условий затенений распространению радиоволн в условиях городской застройки;

3 Для моделей, входящих в предлагаемую классификацию моделей многолучевых каналов мобильной радиосвязи, определены реальные размеры зоны формирования отраженных лучей и получены одномерные функции распределения модуля и фазы передаточной функции радиоканала;

4 Получен адаптивный алгоритм работы цифрового эквалайзера для пространственно разнесенного приема, позволяющий эффективно подавлять многолучевые помехи;

5 Систематически исследован новый метод подавления многолучевых помех с использованием многоканального цифрового эквалайзера и разработана реализация этого метода средствами цифровой обработки в частотной и временной области;

6 Проведен обширный сравнительный анализ эффективности известного и разработанного методов подавления многолучевых помех, при котором использованы как практические оценки, так и компьютерное моделирование.

Практическая ценность и реализация результатов работы. В работе изложен новый метод подавления многолучевых помех, основанный на сочетании пространственно разнесенного приема и цифровой обеливающей фильтрации, способной существенно повысить скорость передачи дискретных сообщений в мобильных системах связи.

Разработанный метод реализован в виде алгоритма цифровой обработки сигналов в частотной и временной области. Его преимущества доказаны результатами практического анализа и статистического моделирования.

Разработанный в диссертации метод подавления многолучевых помех, алгоритмическое и программное обеспечение, его реализующее, а также результаты статистического моделирования многолучевого канала связи и цифрового эквалайзера нашли применение в КБ ЗАО "ЭЛЕКТРОСИГНАЛ" при разработке современных транкинговых систем связи.

Результаты диссертационной работы также приняты для практического использования на внедренческих предприятиях: НПО "БУЛАТ", КБ "МАРС".

Результаты исследования внедрены в учебный процесс Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и Информатики.

Практическое использование результатов работы подтверждено соответствующими актами, приложенных к данной диссертационной работе.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть полезными широкому кругу разработчиков научно-исследовательских и проектных учреждений, занимающихся повышением эффективности существующих и проектированием новых мобильных систем связи.

1 Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсу ждались на:

2 Международных научно-технических конференциях "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 2000-2004 г.);

3 Международных научно-технических конференциях "Проблемы электронного машиностроения" АПЭП (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.);

4 Международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, RLNC,-2003 г., 2004 г.);

5 Международных школах-семинарах по электронным приборам и материалам. (EDEM 2003, 2004. Altay Region, Russia);

6 Международных семинарах СибДальСвязь (Новосибирск-Владивосток, 2002-2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работ. Публикации включают 9 полных докладов на конференциях, 8 тезисов докладов, 5 статей в сборниках трудов, 3 депонированных статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основ-• ная часть работы содержит 142 страниц текста с 54 иллюстрациями. Список

Результаты исследования внедрены в учебный процесс Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и Информатики.

Практическое использование результатов работы подтверждено соответствующими актами, приложенными к данной диссертационной работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Пер. с англ. Под ред. М.С. Ярлыкова и М.В. Чернякова. М.: Связь, 1979. 520 с.

2. Трифонов П.М. Расчет переизлученного и рассеянного электромагнитного поля СВЧ в городе // XI Всесоюз.конф. по распространению радиоволн. 4.3. Казань: Казанск.ун-т, 1975. С. 87-90.

3. Black D.M., Reudink D.O. Some characteristics of mobile radio propagation at 836 MHh in the Philadelfia area // IEEE Trans. Veh. Technol. 1972. Vol 21. N2. P. 45-51.

4. Введенский Б.А. Распространение ультракоротких радиоволн. М.: Наука, 1973.408с.

5. Longley A.G. Radio propagation in urban areas // 28-th IEEE Veh. Techol. Conf. (Denver, 1978), N.Y.? 1978. P. 503-511.

6. Чепура В.Ф. Исследование распространения ультракоротких радиоволн в городе // Изв.вузов СССР. Сер.Радиотехника. 1958. N 2. С. 209-213.

7. Trubin V.N. Urban and suburban radio propagation characteristics in the VHF and UNF bands // 7-th INT. Wroclaw Symp. Electromagn. Compat. 1984. Vol l.P. 393-402.

8. Reudink D.O. Comparison of radio transmission at X-band frequencies in suburban and urban areas // IEEE Trans. Prop. 1972. AP-20. P. 470-473.

9. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service / J. Okumura, E. Ohmori, T. Kawana et al. // Rev. Elec. Com. Lab. 1968. Vol 16. N 9-10. P. 825-873.

10. Калинин А.И., Черенкова E.JI. Распространение радиоволн и работа радиолиний.- М.: Связь, 1971.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

12. Кловский Д.Д., Сойфер В.А. Обработка пространственно-временных сигналов (в каналах передачи информации). М.: Связь, 1976.

13. Джейк У.К. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ: Пер. с англ./Под ред. М.С. Ярлыкова.- М.: Связь, 1979.

14. Системы подвижной радиосвязи / Под ред. И.М. Пышкина.- М.: Радио и связь, 1986.

15. Ли К. Техника подвижных систем связи. М.: Радио и связь, 1985.

16. Мясковский Г.М., Кириченко В.Н. Статистические характеристики радиопомех в зоне действия сухопутной подвижной радиосвязи // Электросвязь -1980 №6.

17. Харкевич А.Д. Расчет числа соединительных линий на сетях с обходными направлениями. -М.: ВЗЭИС, 1976.

18. Бочаров М.К., Николаев С.А. Математико статические методы в картографии.- М.: Геодеиздат, 1956.

19. Бочаров М.К. Методы математической статистики в географии. М.: Мысль, 1971.

20. Бусулаев И.В. Математико-статистические методы обработки картографических материалов // Пробл. Гидроэнергетики и вод. Хоз-ва -1966. №4.

21. Шарапов И.П. Функция распределения высот рельефа // Рельеф земли и математика.- М.: Мысль, 1967.

22. Состояние и основные направления работ по развитию средств низовой радиосвязи широкого применения за рубежом: Обзор // Иностр. Техника и экономика средств связи. 1982.- № 14.

23. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания/Пер. с англ. И.И. Грушко -М.: Машиностроение, 1979.

24. ETSI. European Digital Cellular Telecommunication System (Phase 2). European Telecommunication Standards Institute, 1994. m 28 Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и Связь, 2000. 800 с.

25. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. М.: Мир, 1983.

26. Okumura J. et al. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service // Rev. Inst. Elec. Eng. -1968.- V.16.-№ 9-10.-p.825-873.

27. Цифровая обработка сигналов: Справочник / Л.М.Гольденберг, Б.Д.Матюшкин, М.Н.Поляк.- М.: Радио и Связь, 1985. 312 с.

28. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: * Мир, 1989.-448 с.

29. Панченко В.Е., Ерохин Г.А., Гайнутдинов Т.А., Кочержевский В.Г., Шорин О.А. Сочетание статистических и детерминистских методов расчета радиополя в городских условиях // Электросвязь. -1998.- № 4.-с.31-33.

30. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: "Советское радио", 19977,432 с.

31. Микушин А.В., Сединин А.В. Адаптивный алгоритм подавления различных типов помех на основе цифрового обеливающего фильтра. 3-я МНТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СНГ. Техника и технология связи. Украина, Одесса, 2000 г.

32. Сединин А.В., Бакалов В.П., «Анализ эффективности применения цифровых обеливающих фильтров, для подавления помех в мобильных системах радиосвязи». Региональная НК «Наука, техника, инновации». (НТИ 2001), НГТУ, 10-12 декабря 2001.

33. Микушин А.В., Попов Г.Н., Сединин А.В., «Применение обеливающих ^ фильтров для измерения и подавления помех в системах мобильнойсвязи». 6-ая МНТК, АПЕП-2002.

34. Кириллов С.Н., Зорин С.В. Синтез оптимальных порождающих фильтров для вейвлетных разложений, Доклады 4-ой МНТК "DSPA-2002", Санкт-Петербург, 2002 г.

35. Адаптивные фильтры. /Под ред. К.Ф.Н.Коуэна и П.М.Гранта. М.: Мир, 1988, 392 с.

36. Чайковский В.И. Базовый алгоритм дискретной максимально правдоподобной пространственно-временной обработки. -"Радиотехника", 1982, №3.

37. Попковский В.Е., Коновалов A.M. Анализ и синтез адаптивного алгоритма пространственно временной обработки сигналов. - "Радиотехника", 1982, №7.

38. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М., -"Мир", 1989.

39. Кайлат Т. Метод порождающего процесса в применении к теории обнаружения и оценки. ТИИЭР, 1070, т.58, №5, 82-89с.

40. Уидроу Б. Компенсация помех. Принципы построения и применения. //ТИИЭР. -1975. №12. 69-97с.

41. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов: пер.с анг./Под ред. Шаца С.Я. -М.: Связь. 1979. -416с.

42. Егоров Е.И., Калашников A.M., Михайлов А.С. Использование радиочастотного спектра и радиопомех. М.: Радио и Связь, 1986.

43. Цикин И.А. Дискретно-аналоговая обработка сигналов. -М.: Радио и Связь, 1982,-160с.

44. ARINC Characteristic 716-10. Airborne VHF Communications Transceiver.

45. ARINC Characteristic 750-2. VHF Data Radio.50 1С AO Международные стандарты и рекомендуемая практика (SARPS). Приложение 10 "Авиационная электросвязь".

46. МТР 1327 A Signalling for Trunked Private Land Mobile Radio Systems. January 1988. Revised and reprinted October 1991.

47. В.И.Сединин, А.И.Фалько Защита от помех в системах мобильной радиосвязи, -изд. Наука, СП РАН, 1998 172 с. щ 53 С.М.Кей, С.Л.Марпл Современные методы спектрального анализа: Обзор.-ТИИЭР, 1981, т.69, №11 5-51с.

48. А.Е.Костюкович, А.С.Чухров, А.В.Микушин Авторегрессионная модель узкополосных помех. XXIX Областная научно-техническая конференция, посвященная 275-летию со дня рождения М.В.Ломоносова, 40-летию Организации. Тезисы докладов 1986 г. С.57.

49. В.И.Борисов, В.М.Зинчук, и др. Под ред. В.И.Борисова Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектрасигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью./

50. Под ред. В.И.Борисова. М.: Радио и связь, 2003. -640 е.; ил.314к

51. Список публикаций Сединина А.В.

52. Сединин А.В .Цифровой алгоритм поиска источника радиосигналов с априорно неизвестным местоположением. Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1999г.

53. Микушин А.В., Сединин А.В. Синтез цифрового адаптивного алгоритма приема сигналов с подавлением комплекса различных типов помех. Деп. В ВИНИТИ 02.11.2000 N2789-B 2000.

54. Сединин А.В. Подавление импульсных помех в системах мобильной радиосвязи. Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток,2000.

55. Сединин А.В., Бакалов В.П., «Анализ эффективности применения цифровых обеливающих фильтров, для подавления помех в мобильных системах радиосвязи». Региональная НК «Наука, техника, инновации». (НТИ 2001), НГТУ, 10-12 декабря 2001.

56. Микушин А.В., Сединин А.В. Подавление помех в сотовых системах связи на основе цифровых алгоритмов обеливания. Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток, 2001.

57. Микушин А.В., Сединин А.В. Применение адаптивных обеливающих фильтров для подавления помех в мобильных системах радиосвязи. Деп. В ВИНИТИ 29.06.2001 N 1558-В 2001.

58. Сединин А.В., Ленчуков А.В. "Статистика затенений распространения радиоволн сотовых систем связи в условиях города". Региональная НК «Наука, техника, инновации». (НТИ 2002), НГТУ, 2002.

59. Сединин А.В. Статистика затенений распространения радиоволн сотовых систем связи в условиях города. Деп. В ВИНИТИ 04.06.2003 N 1084-В 2003.

60. Сединин А.В., "Учет зон затенений при распространении радиоволн сотовых систем связи в условиях города". Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток,2003.

61. Сединин А.В., Микушин А.В. Анализ влияния шумов квантования ** цифрового приемника на качество приема полезного сигнала.

62. Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2004г.

63. Микушин А.В., Сединин А.В. Применение обеливающих фильтров для измерения и подавления помех в системах мобильной связи.Х Международная научно-техническая конференция "РАДИОЛОКАЦИЯ, НАВИГАЦИЯ, СВЯЗЬ" (RLNC -2004), НПФ "Саквое" Воронеж. Апрель 2004.

64. Alexander V. Mikushin, Alexei V. Sedinin On using whitening filters for measurements and noise suppression in mobile communications systems. EDEM 2004 Conference, Altai Region, Rossia.

65. Гл.инженер ООО КТЦ "Сигнал" к.т.н Фоыкп А.А.1. Of 2004г.1. АКТвнедрения результатов диссертационной работы А.В.Сединина на тему " Разработка и исследование цифровых алгоритмов подавления многолучевых помех в мобильных системах связи "

66. КТЦ «Сигнал», использованы следующие материалы диссертационной работы А.В. Сединина:

67. Анализ распространения радиоволн в условиях городской застройки.

68. Внедрения в учебный процесс СибГУТИ результатов диссертационнойработы А.В.Сединина на тему " Разработка и исследование цифровых алгоритмов подавления многолучевых помех в мобильных системах связи "

69. По данной дисциплине на основе материала четвертой главы диссертации поставлены две лабораторных работы по компьютерному моделированию систем сотовой связи второго и третьего поколения.

70. Декан факультета ИВТ, Профессор1. Трофимов В.К./