автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Увеличение пропускной способности сотовых систем радиосвязи с кодовым разделением каналов методами многопользовательского детектирования

1Щ\у1 . Ёциг .

На правах рукописи

ГОНЧАРОВ Евгений Викторович

УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СОТОВЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ МЕТОДАМИ МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства

радиотехники и связи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-1999

Работа выполнена в Воронежском государственном университете.

Научный руководитель - д-р техн. наук, проф. Кузнецов В.И.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф. Тузов Г.И.

канд. техн. наук Сучилнн Г.И.

Ведущая организация - 5-й Центральный

научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации.

Защита состоится 18 ноября 1999 г.в10® часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета К063.81.05 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан "_" октября 1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета сбС^^]—- Козьмин В.А.

Государственная I

библиотека l

•1999,___1

--—ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наблюдаемое в настоящее время активное развитие сотовых систем радиосвязи приводит к значительному снижению стоимости услуг связи и, как следствие, быстрому росту количества потенциальных абонентов, которые могут быть обслужены этими системами. Такое увеличение обусловливает возрастающие требования к емкости систем связи и помехоустойчивости алгоритмов, применяемых при обработке сигналов. Понятие емкости определяется в системах радиосвязи как количество одновременно обслуживаемых пользователей в соте. Кроме того, появление современных сетей обмена информацией типа Интернет предъявляет также новые требования к скорости передачи информации и надежности канала распространения.

Все эти принципы на протяжении вот уже более десятка лет обусловливают развитие методов обработки сигналов в системах сотовой радиосвязи и появление новых типов и стандартов этих систем. Последнее достижение в этой области - система связи, построенная по принципу кодового разделения каналов (Code Division Multiple Access - CDMA) в соответствии с требованиями стандарта Is-95 (International Standard - 95). В настоящее время также разрабатываются стандарты третьего поколения сотовых систем, основанные на технологии CDMA - системы связи по стандартам UMTS (Universal Mobile Telephone Service), cdma2000 и другие. Эти стандарты определяют будущее сотовых систем радиосвязи в третьем тысячелетии и предоставляют пользователю новый набор сервисных функций, таких, как высокоскоростные каналы передачи данных, возможность выхода в сети Интернет, определение местоположения абонента (location service) и т.д.

Системы CDMA являются асинхронными адресными системами, в которых сигналы различных пользователей передаются в общей полосе частот, и разделение пользователей осуществляется по форме используемого ими сигнала, — каждому пользователю присваивается своя уникальная функция (в CDMA она называется скремблярующей функцией). Поскольку сигналы различных пользователей приходят на приемную сторону с произвольными задержками, то в таких системах обеспечение полной взаимной ортогональности сигналов оказывается невозможным. В связи с этим актуальной является задача совместного различения и оценки параметров сигналов всех пользователей, одновременно обрабатывающихся на приемной стороне. Эта проблема в зарубежной литературе получила название задачи "многопользовательского детектирования".

В последнее время в литературе появляется большое количество публикаций, посвященных данной тематике. Тем не менее, несмотря на огромный интерес к этой области, и в настоящее время здесь существует много нерешенных вопросов.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка новых и совершенствование известных алгоритмов многопользовательского детектирования с целью увеличения емкости сотовых систем радиосвязи с кодовым разделением каналов.

Достижение этой цели обеспечивается двумя направлениями исследований:

1) синтез и анализ оптимальных/квазиоптимальных алгоритмов различения и оценки параметров коррелированных сигналов CDMA;

2) исследование связей между алгоритмами многопользовательского детектирования и параметрами сотовой системы как целого.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи по первому направлению исследований:

1. Анализ известных алгоритмов многопользовательского детектирования, сравнение этих алгоритмов между собой и получение потенциально достижимых характеристик помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования.

2. Синтез и анализ новых квазиоптимальных алгоритмов, сравнение характеристик этих алгоритмов с характеристиками известных методов обработки сигналов, применяемых в настоящее время.

3. Проверка и тестирование качества предлагаемых алгоритмов для следующих систем связи: прямого и обратного каналов CDMA по стандартам Is-95, обратного канала cdma2000, а также обратного канала CDMA по стандарту UMTS.

4. Исследование реализуемости предлагаемых алгоритмов, сравнение их вычислительной сложности со сложностью известных алгоритмов.

Задачи по оценке влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы (второе направление исследований) конкретизировались следующим образом:

1. Анализ известных математических моделей сотовой системы радиосвязи с точки зрения надежности и достоверности описания в них связей между алгоритмами многопользовательского детектирования и емкостью сотовой системы.

2. Формирование математической модели сотовой системы, соответствующей условиям ее функционирования.

3. Получение оценок эффективности различных алгоритмов многопользовательского детектирования на основании построенной модели.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория статистических решений, методы радиотехники и радиофизических измерений, методы теории вероятности и математической статистики. Основные статистические результаты были проверены методами компьютерного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Показано, что используемые в настоящее время в литературе границы потенциально достижимой помехоустойчивости многопользовательского детектирования являются значительно завышенными. Для всех исследовавшихся конфигураций канала распространения получены уточненные границы потенциально достижимых характеристик многопользовательского детектирования.

Синтезированы новые квазиоптимальные алгоритмы

многопользовательского детектирования, отличающиеся ог известных методикой оценки мешающего влияния сигналов различных пользователей друг на друга, а также методом компенсации этого мешающего влияния.

Получены характеристики алгоритмов многопользовательского детектирования как синтезированных в настоящей работе, так и известных алгоритмов, причем существенная часть результатов получена для условий, более приближенных к реальным, чем описанных в литературе.

Проведено тестирование разработанных алгоритмов, включающее в себя моделирование полного тракта обработки сигнала CDMA строго в соответствии с требованиями стандартов связи второго (Is-95) и третьего поколения (UMTS и cdma2000) сотовых систем радиосвязи.

Выполнен анализ влияния многопользовательского детектора на свойства сотовой сети в целом. Рассмотрена возможность применения алгоритмов многопользовательского детектирования при условии перехода пользователей из соты в соту.

Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая значимость работы заключается в следующем. Применение алгоритмов многопользовательского детектирования позволяет улучшить характеристики системы связи, а именно:

- увеличить емкость системы;

- снизить стоимость связи;

- снизить излучаемую мощность передатчика, то есть улучшить электромагнитную совместимость устройств связи, снизить мощность вредного для здоровья человека излучения, обеспечить экономию энергетических ресурсов.

Результаты исследований, представленные в работе, были использованы при выполнении НИР "Канада" с целью увеличения пропускной способности сотовых систем связи CDMA стандарта Is-95, а также при выполнении ОКР "Кодокан" с целью увеличения емкости базовых станций CDMA в Воронежском научно-исследовательском институте связи.

Положения, выносимые на защиту:

- несколько новых квазиоптимальных алгоритмов многопользовательского детектирования для систем радиосвязи с кодовым разделением каналов;

- результаты анализа алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные как для предложенных, так и для известных алгоритмов в реальных условиях канала связи;

- границы потенциальной помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные для различных стандартов систем связи;

- компьютерная модель системы связи, соответствующая существующим на сегодняшний день стандартам сотовой радиосвязи и дополненная алгоритмами многопользовательского детектирования;

- анализ влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы в целом (ее емкость).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 3-й, 4-й и 5-й научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация и связь". Воронеж, 1997, 1998, 1999 гг.; 2-й Международной конференции 08РА'99 "Цифровая обработка сигналов и ее применение". М., 1999.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах: в 2 научных статьях, 2 депонированных рукописях и 6 докладах на научно-технических конференциях.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 91 наименования. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и задачи, научная новизна и достоверность полученных результатов, перечислены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ известных алгоритмов многопользовательского детектирования и синтез и анализ новых алгоритмов для различных типов сигналов и конфигураций канала распространения.

Рассмотрен синхронный когерентный случай с точно известными и равными задержками и амплитудами сигналов. На интервале [0,Т] наблюдается

аддитивная смесь из N действительных сигналов •$,•(/), с

неизвестными информационными параметрами Ь1, и белого гауссовского шума «(/) с односторонней спектральной плотностью Модель принимаемого сигнала в этом случае может быть записана следующим образом:

Л'

40 = £>,•*,(/)+«(О. (1)

1=1

На интервале [0,Т] величины Ь1 являются постоянными и принимают значения 6, = +1 или 6, = -1 (Т - время длительности одного

0.3

0.25

,0-2 ьг Ю X

3

¡015

0

1

ь сх о

1о,

0.05

0

о

ж

\

Нзопгшага-ьй -х - Ицзаш-ьй вектор — Пхгвдрватеъньй п Игератш-ьй

\

ЬЗ

14 12 10 8 6 4 НЬтнестш1Хгьзсватегвй

0

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки от количества принимаемых сигналов

о

Для рассмотренного квазикогерентного случая, соответствующего требованиям упомянутых выше стандартов, алгоритм многопользовательского

детектирования должен осуществить компенсацию мешающего влияния сигналов соседних пользователей друг на друга следующих четырех видов.

1. Компенсация мешающего влияния информационных сигналов пользователей друг на друга.

2. Компенсация мешающего влияния пилот-сигналов на информационные сигналы пользователей.

3. Компенсация мешающего влияния информационных сигналов пользователей на пилот-сигналы.

4. Компенсация мешающего влияния пилот-сигналов пользователей друг на друга.

Компенсация мешающего влияния различных типов обеспечивает различную степень приближения помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования к потенциально достижимой помехоустойчивости и имеет различную вычислительную сложность.

Для обеспечения нужного качества приема вероятность ошибки приблизительно равна 8 %. Для этого случая выигрыш от применения предложенных алгоритмов многопользовательского детектирования относительно неоптимального алгоритма, применяемого в настоящее время в системах связи, составляет более 2 дБ (рис. 1,2).

Во второй главе диссертации методами компьютерного моделирования выполнялся анализ влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства полного канала распространения сигнала CDMA, включая такие процедуры, как кодирование/декодирование, перемежение и т.д. Все сигналы, а также модель канала распространения формировались строго в соответствии с требованиями стандартов Is-95, cdma2000 и UMTS.

Моделирование выполнялось для предложенных алгоритмов многопользовательского детектирования: последовательного и итеративного, а также для неоптимального алгоритма. Моделирование проводилось в условиях, максимально приближенных к реальным условиям функционирования соты и соответствующих; требованиям стандартов широкополосной связи.

Для обеспечения заданного качества приема вероятность битовой ошибки па выходе устройства обработки должна составлять Ю""4. Показано, что в условиях модели, соответствующей реальному каналу распространения, выигрыш от применения алгоритмов многопользовательского детектирования составляет значительную величину, например, для стандарта UMTS - около 4 дБ (рис. 3).

Количество пользователей

Рис. 3. Зависимость вероятности ошибки при приеме от количества пользователей. Полный канал распространения

сигнала

г: ьг

ю

3 о

л &

0

1

ь

к о о. ш т

0.1

......—. -1- - - -1 - 1=^--

I —Неоптимальный --и Итеративный а Последовательный х Идеальный Вектор

I --------

I !

< < * / и.

- ^ - ■1

^ ■..—

к : ( Г -..

": - ^ | \_

\

1 1. \

• X4

0.01

10

8 6 4

Количество пользователей

Рис. 4. Зависимость вероятности ошибки до декодера от количества пользователей

Анализ алгоритмов многопользовательского детектирования, выполненный как до декодера, так и для полного канала обработки, показал высокую степень приближения характеристик предлагаемых алгоритмов к потенциально достижимым (рис. 4). В работе выполнялся сравнительный анализ сложности алгоритмов. Расчет сложности алгоритмов в единицах количества операций умножения/деления (именно эти операции определяют сложность алгоритма) представлен в таблице. Скорость передачи данных 8 отсчетов псевдослучайной последовательности на один информационный бит (134.4 Кбит/с).

Тип алгоритма Количество умножений и делений

Неоптимальный алгоритм 8

Алгоритм ММБЕ «10100

Итеративный алгоритм «800

Последовательный алгоритм »200

В третьей главе диссертации методами статистической теории связи исследовано влияние алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы CDMA в целом.

Характеристики алгоритмов многопользовательского детектирования рассмотрены для различных конфигураций системы сотовой связи, а также для режимов перехода мобильной станции из соты в соту нескольких типов: для случая перехода мобильной станции через границу двух сот, а также для случая перехода мобильной станции через границу трех сот.

Для описанных конфигураций системы сотовой связи произведен расчет потенциально достижимой помехоустойчивости и найден выигрыш в емкости системы. Величина выигрыша для этого случая определяется двумя основными , условиями. Во-первых, соотношением между мощностью помех своей соты (нескольких сот для режима перехода) и мощностью помех соседних сот. Это отношение увеличивается при работе пользователя в зоне перехода, что приводит к возрастанию величины потенциально достижимого выигрыша. С другой стороны, качество приема сигналов всех остальных пользователей на границе сот ухудшается, что обусловливает ухудшение качества алгоритмов. Поэтому при использовании алгоритмов многопользовательского детектирования в прямом канале CDMA для стандарта Is-95 потенциально достижимый выигрыш в емкости при излучении сигнала с одной базовой станции составляет 4.5 дБ, для случая двух базовых станций - 3 дБ, для трех базовых станций - 1.5 дБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные научно-технические результаты работы заключаются в следующем.

1. Исследованы используемые на практике и предлагаемые в литературе алгоритмы многопользовательского детектирования. Показано, что они имеют относительно низкую эффективность и в помехоустойчивости значительно проигрывают оптимальному алгоритму.

2. Показано, что используемые в литературе границы потенциальной помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования являются существенно завышенными. Получены уточненные границы помехоустойчивости для различных конфигураций канала распространения.

3. На основании критерия качество-сложность предложены квазиоитимальные алгоритмы (итеративный и последовательный). Они обладают значительно меньшей вычислительной сложностью по сравнению с оптимальным и другими известными алгоритмами. Их точностные характеристики близки к потенциально достижимым и существенно превосходят характеристики известных квазиоптимальных алгоритмов. Разработка предложенных алгоритмов выполнялась для условий распространения сигнала, соответствующих реальным условиям канала связи CDMA.

4. Выполнен анализ алгоритмов многопользовательского детектирования для различных априорных ситуаций. Показано, что выигрыш в емкости соты, который может быть получен методами многопользовательского детектирования, составляет величину не менее 2 дБ для всех случаев распространения сигнала в пределах одной соты.

5. Проведено тестирование разработанных алгоритмов следующих систем сотовой связи: прямого и обратного каналов CDMA по стандарту Is-95, а также для обратного канала системы CDMA-2000 и UMTS, включая полный тракт связи (в том числе процедуру кодирования/декодирования). Использование алгоритмов многопользовательского детектирования обеспечивает в этом случае выигрыш в емкости системы в 2.5 раза.

6. Применение новых алгоритмов и получение выигрыша было достигнуто без необходимости изменения стандартов связи и протоколов обмена между мобильной и базовой станциями, а также не требует использования дополнительного оборудования, замены парка мобильных станций и т.д. Этот выигрыш обусловлен исключительно заменой используемых в настоящее время алгоритмов обработки сигнала на предлагаемые в диссертации.

7. Рассмотрены вопросы использования алгоритмов многопользовательского детектирования в распределенной системе сотовой связи, включающие в себя процесс перехода мобильной станции из соты в соту. Для этих условий определены величины потенциально достижимых характеристик алгоритмов многопользовательского детектирования, а также

численное значение выигрыша, который может быть получен при использовании алгоритмов многопользовательского детектирования. Этот выигрыш составляет величину от 4.5 до 1.5 дБ и зависит от конфигурации рассматриваемой системы.

Таким образом, предлагаемые в настоящей диссертационной работе алгоритмы многопользовательского детектирования целесообразно использовать в системах радиосвязи второго и третьего поколения сотовых радиотелефонных систем, в том числе в разрабатываемом в настоящее время российском стандарте CDMA Is-95r.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гармонов A.B. Гончаров Е.В., Кузнецов В.И. К вопросу об использовании ортогональных функций в широкополосных системах связи // Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Воронеж, 1997.

2. Гончаров Е.В. Многопользовательское детектирование в обратном канале CDMA // Ежемесячный библиографический указатель N 4 (316), М.: 1998. Деп. в ВИНИТИ РАН 12.02.98, № 423-В98.

3. Карпитский Ю.Е., Гончаров Е.В., Фурсов C.B. Многолучевый квазикогерентный прием в обратном канале сотовой системы связи с кодовым разделением каналов // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 4 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1998.

4. Гончаров Е.В., Карпитский Ю.Е. Многопользовательское детектирование в системах связи множественного доступа // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 4 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1998.

5. Гончаров Е.В. Многопользовательское детектирование в CDMA // M.: Электросвязь, 1998. Jf« 12. С.14-16.

6. Гармонов A.B., Гончаров Е.В., Манелис В.Б. Статистический анализ алгоритмов многопользовательского детектирования // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 5 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1999.

7. Многопользовательское детектирование в системах связи CDMA / > A.B. Гармонов, Е.В. Гончаров, В.Б. Манелис, А.Э. Жданов // Цифровая

обработка сигналов и ее применение: Сб. докл. 2-й Международной конференции, М., 1999.

8. Жданов А.Э., Гончаров Е.В. Влияние квантования на помехоустойчивость турбо-декодера. // Цифровая обработка сигналов и ее применение: Сб. докл. 2-й Международной конференции, М., 1999.

9. Гончаров Е.В., Манелис В.Б. Исследование алгоритмов многопользовательского детектирования для систем связи с кодовым разделением абонентов (CDMA) при наличии неравных амплитуд принимаемых сигналов // Деп. в ВИНИТИ РАН, М. 1999. 07.09.99, № 2790-В99.

10. Эффективность разнесенного приема в обратном канале системы CDMA / A.B. Гармонов, Ю.Е. Карпитский, C.B. Махин, Е.В. Гончаров, С.С. Деменков // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. № 6. С. 39-45.

ЛР № 020419 от 12.02.92. Подписано в печать 14.10.99

ч/

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № * г' Издательство

Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский проспект, 14

ВВЕДЕНИЕ.

1. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ.

1.1 Описание математической модели системы связи.

1.2 Исследование алгоритмов многопользовательского детектирования при синхронном когерентном приеме.

1.2.1 Постановка задачи.

1.2.2 Известные методы обработки сигнала CDMA.

1.2.3 Итерационный алгоритм (вычитатель).

1.2.4 Алгоритм последовательного подавления помехи.

1.2.5 Выводы к разделу 1.2.

1.3 Исследование алгоритмов многопользовательского детектирования для неравных амплитуд принимаемых сигналов.

1.3.1 Исследование алгоритмов МПД для действительных сигналов пользователей.

1.3.2 Исследование алгоритмов МПД для комплексных сигналов пользователей.

1.3.3 Выводы к разделу 1.3.

1.4 Исследование алгоритмов многопользовательского детектирования при квазикогерентном приеме сигналов.

1.4.1 Постановка задачи.

1.4.2 Исследование алгоритмов МПД для квазикогерентного приема сигналов.

1.5 Выводы к Главе 1.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ.

2.1 Описание общей морфологической модели системы.

2.2 Исследование алгоритмов МПД в обратном канале UMTS.

2.3 Итеративный алгоритм МПД в обратном канале cdma2000.

2.4 Итеративный алгоритм в обратном канале CDMA по стандарту Is-95.

2.5 Итеративный алгоритм МПД в прямом канале Is-95.

2.6 Выводы к главе 2.

3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ДЕТЕКТОРА НА СВОЙСТВА СОТОВОЙ СЕТИ.

3.1 Влияние алгоритмов МПД на свойства обратного канала распространения сигнала.

3.2 Многопользовательское детектирование в обратном канале CDMA в режиме перехода из соты в соту для случая двух и трех базовых станций.

3.3 Влияние многопользовательского детектора на свойства прямого канала распространения сигнала в случае одной соты.

3.4 Многопользовательское детектирование в прямом канале CDMA в режиме перехода из соты в соту для случая двух базовых станций.

3.5 Многопользовательское детектирование в прямом канале CDMA в режиме перехода из соты в соту для случая трех базовых станций.

Выводы к Главе 3.

Современная ситуация в области радиосвязи характерна тем, что сотовые системы радиосвязи (ССРС) применяются все шире и ускоряющимися темпами идет их развитие.

Достаточно указать на то, что за последние десять-двенадцать лет последовательно создавались и исследовались три поколения сотовых радиотелефонных систем.

Первыми возникли аналоговые системы множественного доступа с частотным разделением абонентов (NMT - The Nordic Mobile Telephone System, AMPS - Advanced Mobile Phone System) [1]. В этих системах обеспечивался принцип свободного доступа абонентов к общему частотному ресурсу. (Число абонентских каналов связи много меньше количества потенциальных абонентов). Этот принцип позволяет абонентской станции работать в любом канале связи в выделенной полосе частот. Для этих систем характерны относительно низкая помехоустойчивость при достаточно высоком требуемом отношении сигнал-шум на выходе приемника и низкая емкость соты, определяемая как количество пользователей, одновременно работающих в одной и той же полосе частот [2]. Применение частотного разделения абонентов и частотной модуляции в таких системах не обеспечивает достаточную защищенность передаваемой информации от несанкционированного доступа.

ССРС первого поколения обладают также рядом других недостатков:

- ширина полосы защитного интервала (например, NMT - 25 кГц) много больше полосы частот предаваемого сигнала (3 кГц),

- при малой активности абонентов частотный ресурс используется неэффективно,

- при большой загрузке системы возникает проблема распределения полосы частот между абонентами,

- плохо решается проблема разделения абонентов: так как сигналы с конечной длительностью имеют практически бесконечный спектр, разделительные фильтры вне полосы пропускания ослабляют сигнал на конечную величину.

Несмотря на перечисленные недостатки, системы сотовой связи первого поколения активно эксплуатируются и в настоящее время. Например - NMT,

AMPS. Улучшенный стандарт NMT-450i принят в качестве федерального стандарта аналоговой сотовой связи в России [3].

Следующее поколение сотовых радиотелефонных систем, реализующее цифровые методы обработки сигналов (стандарты TDMA - Time Division Multiple Access, GSM - Global System Mobile [1]), характеризуется улучшением качества связи благодаря применению следующих методов обработки сигнала:

- кодирование информации и перемежение,

- пространственное, временное и частотное разнесение,

- адаптация радиотракта к изменениям, возникающим в канале связи.

Например, в стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access).

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением [4]. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи, которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала, и отключение передатчика в паузах [5]. Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов в условиях распространения радиоволн в городе в аппаратуре используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов [6]. В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений за счет шифрации [4].

Одним из распространенных критериев оценки ССРС является соотношение объема системы сигналов L (количество возможных вариантов передаваемых сигналов, определяемых единым правилом построения) и базы сигнала В [2]. По соотношению между объемом системы сигналов к базе сигнала сотовые системы связи второго поколения относятся к нормальным системам, для которых объем системы сигналов имеет степенную зависимость от базы сигнала L ~ В", где п>1.

Однако на сегодняшний день наибольшую популярность не только в России, но и во всем мире завоевывают системы третьего поколения с кодовым разделением абонентов CDMA (Code Division Multiple Access).

В цифровой системе CDMA по стандарту Is-95, помимо собственно самого кодового разделения, используются следующие методы обработки сигналов, теоретически хорошо известные, но качественно реализованные в гражданских устройствах радиосвязи сравнительно недавно в связи с появлением новых схемотехнических технологий:

- многолучевый прием сигналов (Rake-приемник);

- учет речевой активности абонентов;

- секторизация ячеек;

- помехоустойчивое кодирование;

- регулировка мощности;

- «мягкий» переход из соты в соту.

Использование этих принципов позволило в 10 раз увеличить емкость сотовой системы радиосвязи CDMA по сравнению с предыдущими системами (например, AMPS, N-AMPS - Narrowband AMPS). (См. таб., где емкость AMPS принята за единицу измерения.)

AMPS N-AMPS TDMA CDMA

1 3 5 10

Системы третьего поколения сотовых систем связи относятся к числу систем с экспоненциальной зависимостью количества сигналов от величины базы:

L = с • ехр(у • В), где с, у - некоторые постоянные.

База сигнала CDMA по стандарту Is-95 В «106, а величина объема системы сигналов L >1012.

Такие системы являются наиболее эффективными по критерию использования базы сигнала (L»B), и называются большими системами сигналов.

Кратко охарактеризованные принципы построения сотовых систем связи с кодовым разделением каналов широко освещены в литературе.

Первые работы, в которых рассматривались проблемы создания ССРС третьего поколения, появились в середине 80-х годов. В статьях [7-9] описаны основные принципы построения систем CDMA и продемонстрированы преимущества тогда еще нового стандарта сотовой системы связи Is-95 по сравнению с предыдущими. Кроме того, в них рассмотрены общесистемные вопросы контроля работы сетей связи с кодовым разделением абонентов и описаны методы и алгоритмы обработки сигнала CDMA.

Наиболее точное и многостороннее описание CDMA появилось в книге A.J. Viterbi "CDMA. Principles of Spread Spectrum Communication" [10].

В данной работе систематизированы принципы кодового разделения абонентов, модуляции/демодуляции, обоснованы требования к используемым для этой цели псевдослучайным последовательностям и описаны методы их генерации, а также методика избыточного кодирования/декодирования с исправлением ошибок. Рассмотрены вопросы приема псевдослучайных сигналов при распространении их в существенно нестационарных многолучевых каналах, методика поиска псевдослучайных сигналов в канале распространения, а также вопросы временной синхронизации лучей.

В [10] представлены виды модуляции, которые в настоящее время широко используются в реальных устройствах: BPSK (Binary Phase Shift Keying), и QPSK (Quadric Phase Shift Keying). При этом для систем с кодовым разделением предложено использование квадратурной модуляции (QPSK кодирования).

В работе [10] показано, что помехоустойчивость приема зависит от точности восстановления несущей. Поэтому в первой системе CDMA по стандарту IS-95 [11] в канале связи от мобильной станции к базовой принято использовать некогерентный прием, не требующий процедуры восстановления амплитуды и фазы несущей (вектора сигнала). Это было сделано по той причине, что считалось сложным проводить оценку фазы для сигнала пользователя каждого абонента, либо считалась нецелесообразной передача априорно известной информации (пилот-сигнала) для каждой абонентской станции.

Как оказалось впоследствии, отказ от когерентного приема не оправдал себя, что привело к возможности совершенствования системы связи CDMA Is-95 - когерентный прием в CDMA [12,13]. Разработка данного направления позволила усовершенствовать систему Is-95 и получить выигрыш в емкости системы не менее 1 дБ. Основной смысл доработки стандарта IS-95 заключается в накоплении некогерентных спектров сигнала после демодуляции и восстановлении по результатам накопления вектора сигнала [13].

После введения таких изменений в систему Is-95, во всех новых версиях стандартов CDMA [14] (они получили название cdma2000 - [15] и UMTS - [16]) используется когерентный прием, причем для качественной оценки вектора сигнала используется передача априорно известной псевдослучайной последовательности по специально выделенному пилот-сигналу.

Существенное улучшение системы CDMA по сравнению с предыдущими системами получено за счет эффективной процедуры поиска и определения количества принимаемых многолучевых компонент сигналов. Эта процедура достаточно широко описана в [17,18]. Основным методом поиска является демодуляция входного сигнала по известной псевдослучайной последовательности на интервале поиска и сравнение накопленного значения с порогом.

С целью повышения помехоустойчивости сотовых систем реализовывались устройства слежения за задержкой лучей в трех основных вариантах способов временной синхронизации [19]:

- рекурсивные методы,

- нерекурсивные методы,

- методы интерполяции.

Рекурсивные методы слежения за задержкой основаны на демодуляции нескольких соседних задержек псевдослучайной последовательности (ПСП) и смещения оценки положения луча в точку с наиболее достоверной оценкой отношения сигнал-шум. В [11] это - устройство DLL (Delay Lock Loop).

Нерекурсивные методы основаны на демодуляции всего интервала многолучевости и выборе в качестве оценки положения луча наиболее достоверного из них.

Методы интерполяции основаны на расчете величины функции корреляции для случаев, когда величина задержки находится в интервале между реально рассчитанными величинами корреляции.

Помимо вышеперечисленных алгоритмов, в CDMA также используется метод кодирования/декодирования с исправлением ошибок [4,11,15,20-22]. В стандарте Is-95 для этого используется сверточный кодер 1/2 для прямого канала и 1/3 для обратного. Декодирование кода проводится с помощью алгоритма Витерби [4,21]. В стандарте UMTS применяется также кодирование Рида-Соломона [4].

Для борьбы с релеевскими замираниями используется перемежение информационных бит внутри элементарного отрезка времени (фрейма).

В отличие от других систем радиосвязи, в сотовых системах, обслуживающих перемещающихся абонентов, особо острыми являются проблемы приема сигнала в условиях существенно нестационарного канала, многолучевости, замираний, доплеровских смещений частоты. Проблемам оптимизации приема в таких условиях посвящено большое количество работ [2,5-10,17]. Известно несколько подходов и методов решения данной проблемы. Наиболее часто применяемым методом борьбы с многолучевостью является устройство, называемое Rake-приемником. Структура оптимального приемника многолучевого сигнала приведена, например, в [8]. Основным принципом работы такого устройства является выравнивание и демодуляция сигналов отдельных лучей.

Важной проблемой, с которой приходится считаться разработчикам аппаратуры связи в настоящее время, является также проблема регулировки мощности сигналов различных пользователей. Поскольку абонентские станции независимо располагаются и перемещаются по всему периметру соты, то сигналы от них в асинхронных системах приходят на базовую станцию с различной мощностью. Этот эффект определен как эффект "ближний-дальний" [23] и логонормальные замирания сигналов пользователей [24]. Регулирование и выравнивание мощности сигналов абонентов позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи. Точный расчет емкости соты CDMA для различных методов регулировки мощности проведен, например, в [7,9]. В CDMA используют два принципа регулировки мощности [11]:

- открытая петля,

- закрытая петля.

В открытой петле мобильная станция осуществляет изменения своей мощности синхронно с принимаемой мощностью базовой станции. Закрытая петля предназначена для уточнения оценки мощности мобильной станции, полученной в открытой петле, и основана на измерении отношения сигнал-шум сигнала, принимаемого базовой станцией. Закрытая петля может также успешно бороться с медленными релеевскими замираниями [8]. В последнее время очень эффективно применяется третья петля регулировки мощности - внешняя петля, которая заключается в коррекции порогов регулировки в зависимости от проверки бит контрольной суммы (CRC - Cyclic Redundancy Check).

Важным отличием появившейся относительно недавно CDMA по стандарту Is-95 от остальных стандартов является возможность обеспечения "мягкого" перехода пользователя из соты в соту, при котором не происходит временного обрыва связи или скачкообразного переключения приемника мобильной станции с одной базовой станции на другую. Современная процедура перехода, описанная в [25,26] обеспечивает высокое качество приема информации в переходной зоне между ячейками (секторами), незаметность процедуры перехода для абонента, исключение ошибочных переходов (эффект "пинг-понг").

В CDMA также активно применяется секторизация ячеек, смысл которой сводится к разделению соты на несколько секторов, в каждом из которых осуществляется прием на свою независимую антенну [11].

Существенную роль в развитии ССРС играет и применение и развитие алгоритмов и устройств многопользовательского детектирования (МПД). Основные принципы, а также сам термин "многопользовательское детектирование" появились задолго до рождения CDMA в 80-х гг. благодаря работам по защите ученой степени Ph. D. S. Verdu [27] и R. Lupas [28]. Многопользовательское детектирование - метод, заключающийся в демодуляции сигналов всех пользователей, одновременно функционирующих в пределах одного пространственно-частотного ареала с учетом взаимных корреляционных свойств сигналов этих пользователей. Эта задача известна еще и как задача поиска и разработки оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов приема (различения) коррелированных сигналов для систем связи с кодовым разделением каналов.

Исходя из сделанного анализа литературы основными направлениями дальнейшего совершенствования сотовых систем с кодовым разделением каналов следует назвать:

1. Увеличение емкости сотовых систем с кодовым разделением каналов: за счет введения процедуры улучшенного кодирования/декодирования (Turbo Codes) [29]. В последнее время появляется большое количество работ, посвященных данной тематике, это направление активно исследуется [22,30]. за счет использования высокотехнологичных антенных решеток и антенных систем (Smart Antennas) [31,32]. за счет применения в CDMA многопользовательского детектирования.

2. Улучшение процедуры перехода пользователя из соты в соту, оптимизация режима работы мобильной станции во время перехода из соты в соту [33,34].

3. Реализация улучшенных методов регулировки мощности, позволяющих более эффективно бороться с замираниями [35].

Анализ публикаций последних лет показывает, что одним из наименее исследованных, но сулящих значительное увеличение емкости сотовой системы радиосвязи, как ее важнейшей характеристики, направлений является синтез новых и совершенствование известных алгоритмов многопользовательского детектирования. Результаты обзора исследований, уже проведенных в этой области, сводятся к следующему.

В работах S. Verdu [27] и R. Lupas [28], а также в опубликованных на основании этих работ статьях [36-39] показано, что обычный подход, заключающийся в демодуляции сигнала каждого пользователя с помощью коррелятора (Single User Bound), не является оптимальным, поскольку он подразумевал, что сигнал каждого пользователя принимается в окружении только белого шума, а не сигналов других пользователей.

В случае присутствия окружения соседних пользователей предлагался другой подход, называемый многопользовательским детектированием (выполнялся синтез оптимального алгоритма). Принимаемый сигнал на интервале [0,Т] представлялся в виде: N

XO^S.ft-Tj-b,, 1 где Ь1 - переданный информационный символ или бит, st(.) - модулирующий псевдослучайный сигнал, г, - задержки лучей, i = l,N.

Оптимальный алгоритм оценки переданных информационных параметров Ъ1

1v тт( )(*(t) ~ X Ф ~ h) ' V2 dt) (1) означает проведение оптимизации "в лоб" по набору величин оценок переданного информационного параметра Ъп i = \,N и выбор такого набора, который минимизирует (1). Методы оптимизации (1) известны в литературе как первое поколение алгоритмов многопользовательского детектирования.

Способы решения (1) предлагались самые различные. Например, в [36] для этой цели предлагалось использовать алгоритм типа Витерби, при котором в пространстве сигналов метрикой расстояния между сигналами можно было принять функцию взаимной корреляции пользователей т y = jW-Tl)-SJ(t-TJ)dt. (2) о

В литературе также известны другие методы решения проблемы оптимизации (1):

- алгоритм полного перебора Anderson and Foschini [40],

- подход Viterbi-Forney, использующий функцию символического перемещения [41],

- алгоритм сходимости Messerschmitt [42],

- алгоритм поиска минимального расстояния Aulin and Sundberg [43],

- подход Фредриксона [44],

- алгоритм Seshadri and Anderson [45].

Все эти алгоритмы представляют собой различные варианты сходимости уравнения (1).

Однако все известные методы решения уравнения (1) применялись для условий априорно известных задержек сигналов и априорно известных величин векторов сигналов.

Кроме того, с помощью алгоритмов первого поколения МПД не удалось устранить главный недостаток подхода (1) - его вычислительную сложность. Например, как показано в [17], вычислительная сложность алгоритма сходимости (1) увеличивается экспоненциально в зависимости от количества принимаемых сигналов N. Вследствие этого данный алгоритм не мог применяться в реальной аппаратуре связи.

Не дали удовлетворительных результатов попытки упрощения уравнения (1). Например, в работах [46,47] предлагалось разложить это уравнение в ряд, а при поиске минимума ограничится только самыми старшими членами ряда, не получая при этом существенных потерь при приеме.

Известен ряд субоптимальных алгоритмов, позволяющих значительно упростить (1). Эти алгоритмы появились чуть позже и их можно классифицировать как алгоритмы МПД второго поколения. Основной метод обработки сигнала (1) в алгоритмах МПД второго поколения - обращение матрицы взаимных корреляций, либо его усовершенствование - алгоритм MMSE (от англ. Minimize the Mean Square Error). Упоминание об этих методах можно найти практически в любой статье по многопользовательскому детектированию. Наиболее подробно эти алгоритмы описаны в [17]. Как будет показано в настоящей работе, несмотря на высокую оценку этих алгоритмов, полученную в литературе, их практическое применение для реальной аппаратуры связи невозможно.

Наиболее глубоко в литературе исследованы возможности эмпирических алгоритмов регенерации и вычитания регенерированного сигнала из принимаемого (третье поколение МПД). Первые работы, в которых были обозначены методы МПД третьего поколения, появились на рубеже 90-х годов [48-54]. Имеется целая плеяда работ, посвященных различным методам регенерации сигнала:

1. при неизвестной матрице взаимных корреляций (2) (пионерские работы Varanashi & Aazhang [49-52]),

2. алгоритмы адаптивной оценки элементов матрицы взаимных корреляций по априорно известной передаваемой последовательности [55-58] и без нее [59-62],

3. при известной матрице взаимных корреляций [17,63-65].

Классификацию алгоритмов третьего поколения МПД можно проводить также по методам вычитания мешающих сигналов. Это подразделение можно провести по двум основным направлениям:

1. итеративные алгоритмы [45,63,66],

2. последовательное подавление помех [53,67], в которых вычитание регенерированного сигнала начинается с самого сильного и последовательно переходит к более слабым.

Алгоритмы третьего поколения исследованы не только для случая окружения многих пользователей, но и для случая наличия белого шума, релеевских замираний в канале связи, многолучевости, неидеальной временной синхронизации, ошибок в оценке вектора сигнала, и т.д. [48,68,69]. Известны результаты влияния свойств псевдослучайных функций $,(t) на характеристики алгоритмов МПД [70]. В литературе приведены примеры совместного использования регулировки мощности и многопользовательского детектирования [71]. Имеется ряд работ по исследованию алгоритмов МПД третьего поколения для М-ичного некогерентного приема сигнала, который имеет место в системах по стандарту Is-95 [53].

Общий принцип работы алгоритмов третьего поколения многопользовательского детектора заключается в приеме сигналов всех пользователей, оценке параметров сигнала, восстановления сигнала (его регенерации), вычитании регенерированного сигнала из входного, и, при необходимости, последующего повторного приема сигнала [72-74].

Однако, к сожалению, на сегодняшний день алгоритмы МПД третьего поколения разработаны только для обратного канала системы CDMA по стандарту Is-95 для однокомпонентного сигнала, в котором матрица взаимных корреляций неизвестна. Вследствие этого (вычитание приходится выполнять на промежуточной частоте сигнала) алгоритмы характеризуются относительно высокой сложностью реализации (по разным оценкам, они требуют не менее чем 300% усложнения аппаратуры связи на одну ступень многопользовательского детектора). Кроме того, при реализации алгоритма в аппаратуре возникают сложности с коммутацией сигналов различных пользователей в единой шине данных. Таким образом, остается простор для синтеза новых, более совершенных алгоритмов МПД, и модификации старых.

Кроме того, несмотря на то, что алгоритмы третьего поколения МПД являются в настоящий момент наиболее простыми, все работы посвящены лишь теоретическим аспектам алгоритмов, и в них, как правило, не приводится результатов для тестирования реальных сигналов, построенных для реальных стандартов. Как правило, рассматриваются лишь идеализированные случаи, определяющие только принципиальную работоспособность алгоритмов для специально сформированных для таких задач сигналов. Например, в передаваемый информационный сигнал вводятся специальные тренировочные последовательности для оценки матрицы взаимных корреляций, как это делается в [58], что не соответствует ни одному из известных стандартов связи CDMA. Малоисследованным направлением остается также влияние алгоритмов МПД на общие свойства сотовой сети.

Все эти причины и определили цель выполненного диссертантом исследования.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка новых и совершенствование известных алгоритмов многопользовательского детектирования с целью увеличения емкости сотовых систем радиосвязи с кодовым разделением каналов.

Достижение этой цели обеспечивается двумя направлениями исследований:

1) синтез и анализ оптимальных/квазиоптимальных алгоритмов различения и оценки параметров коррелированных сигналов CDMA;

2) исследование связей между алгоритмами многопользовательского детектирования и параметрами сотовой системы как целого.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи по первому направлению исследований:

1. Анализ известных алгоритмов многопользовательского детектирования, сравнение этих алгоритмов между собой и получение потенциально достижимых характеристик помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования.

2. Синтез и анализ новых квазиоптимальных алгоритмов, сравнение характеристик этих алгоритмов с характеристиками известных методов обработки сигналов, применяемых в настоящее время.

3. Проверка и тестирование качества предлагаемых алгоритмов для следующих систем связи: прямого и обратного каналов CDMA по стандартам Is

95, обратного канала cdma2000, а также обратного канала CDMA по стандарту UMTS.

4. Исследование реализуемости предлагаемых алгоритмов, сравнение их вычислительной сложности со сложностью известных алгоритмов.

Задачи по оценке влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы (второе направление исследований) конкретизировались следующим образом:

1. Анализ известных математических моделей сотовой системы радиосвязи с точки зрения надежности и достоверности описания в них связей между алгоритмами многопользовательского детектирования и емкостью сотовой системы.

2. Формирование математической модели сотовой системы, соответствующей условиям ее функционирования.

3. Получение оценок эффективности различных алгоритмов многопользовательского детектирования на основании построенной модели.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория статистических решений, методы радиотехники и радиофизических измерений, методы теории вероятности и математической статистики. Основные статистические результаты были проверены методами компьютерного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Показано, что используемые в настоящее время в литературе границы потенциально достижимой помехоустойчивости являются значительно завышенными. Для всех исследовавшихся конфигураций канала распространения получены уточненные границы потенциально достижимых характеристик многопользовательского детектирования.

Синтезированы новые квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования, отличающиеся от известных методикой оценки мешающего влияния сигналов различных пользователей друг на друга, а также методом компенсации этого мешающего влияния.

Получены характеристики алгоритмов многопользовательского детектирования как синтезированных в настоящей работе, так и известных алгоритмов, причем существенная часть результатов получена для условий, более приближенных к реальным, чем описанные в литературе.

Проведено тестирование разработанных алгоритмов, включающее в себя моделирование полного тракта обработки сигнала CDMA строго в соответствии с требованиями стандартов связи второго (Is-95) и третьего поколения (UMTS и cdma2000) сотовых систем радиосвязи.

Выполнен анализ влияния многопользовательского детектора на свойства сотовой сети в целом. Рассмотрена возможность применения алгоритмов многопользовательского детектирования при условии перехода пользователей из соты в соту.

Практическая важность и результаты внедрения. Практическая важность работы заключается в следующем. Применение алгоритмов многопользовательского детектирования позволяет улучшить характеристики системы связи, а именно:

- увеличить емкость системы;

- снизить стоимость связи;

- снизить излучаемую мощность передатчика, то есть улучшить электромагнитную совместимость устройств связи, снизить мощность вредного для здоровья человека излучения, обеспечить экономию энергетических ресурсов.

Результаты исследований, представленные в работе, были использованы при выполнении НИР "Канада" с целью увеличения пропускной способности сотовых систем связи CDMA стандарта Is-95, а также при выполнении ОКР "Кодокан" с целью увеличения емкости базовых станций CDMA в Воронежском научно-исследовательском институте связи.

Положения, выносимые на защиту:

- несколько новых квазиоптимальных алгоритмов многопользовательского детектирования для систем радиосвязи с кодовым разделением каналов;

- результаты анализа алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные как для предложенных, так и для известных алгоритмов в реальных условиях канала связи; границы потенциальной помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные для различных стандартов систем связи;

- компьютерная модель системы связи, соответствующая существующим на сегодняшний день стандартам сотовой радиосвязи и дополненная алгоритмами многопользовательского детектирования; анализ влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы в целом (ее емкость).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 3-й, 4-й и 5-й научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация и связь". Воронеж, 1997, 1998 , 1999 гг.; а также на 2-й Международной конференции DSPA'99 "Цифровая обработка сигналов и ее применение". М., 1999.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах: в 2-х научных статьях, 2-х депонированных рукописях, и 6-и докладах на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 91 наименования. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков.

Заключение

Диссертация посвящена разработке оптимальных/квазиоптимальных алгоритмов приема коррелированных сигналов (многопользовательское детектирование) для сотовых широкополосных систем радиосвязи с кодовым разделением каналов (CDMA).

Основные научно-технические результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследованы используемые на практике и предлагаемые в литературе алгоритмы многопользовательского детектирования. Показано, что они имеют относительно низкую эффективность и в помехоустойчивости значительно проигрывают оптимальному алгоритму.

2. Показано, что используемые в литературе границы потенциальной помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования являются существенно завышенными. Получены уточненные границы помехоустойчивости для различных конфигураций канала распространения.

3. На основании критерия качество-сложность предложены квазиоптимальные алгоритмы (итеративный и последовательный). Они обладают значительно меньшей вычислительной сложностью по сравнению с оптимальным и другими известными алгоритмами. Их точностные характеристики близки к потенциально достижимым и существенно превосходят характеристики известных квазиоптимальных алгоритмов. Разработка предложенных алгоритмов выполнялась для условий распространения сигнала, соответствующих реальным условиям канала связи CDMA.

4. Выполнен анализ алгоритмов многопользовательского детектирования для различных априорных ситуаций. Показано, что выигрыш в емкости соты, который может быть получен методами многопользовательского детектирования, составляет величину не менее 2 дБ для всех случаев распространения сигнала в пределах одной соты.

5. Проведено тестирование разработанных алгоритмов для следующих систем сотовой связи: прямого и обратного каналов CDMA по стандарту Is-95, а также для обратного канала системы CDMA-2000 и UMTS, включая полный тракт связи (в том числе процедуру кодирования/декодирования).

Использование алгоритмов многопользовательского детектирования обеспечивает в этом случае выигрыш в емкости системы в 2.5 раза.

6. Применение новых алгоритмов и получение выигрыша было достигнуто без необходимости изменения стандартов связи и протоколов обмена между мобильной и базовой станциями, а также не требует использования дополнительного оборудования, замены парка мобильных станций и т.д. Этот выигрыш обусловлен исключительно заменой используемых в настоящее время алгоритмов обработки сигнала на предлагаемые в настоящей диссертации.

7. Рассмотрены вопросы использования алгоритмов многопользовательского детектирования в распределенной системе сотовой связи, включающие в себя процесс перехода мобильной станции из соты в соту. Для этих условий определены величины потенциально достижимых характеристик алгоритмов МПД, а также численное значение выигрыша, который может быть получен при использовании алгоритмов МПД. Этот выигрыш составляет величину от 4.5 до 1.5 дБ и зависит от конфигурации рассматриваемой системы.

Вместе с тем в области многопользовательского детектирования остаются неисследованными следующие направления, которые могут служить основой для дальнейшего совершенствования алгоритмов многопользовательского детектирования.

1. Исследование новых методов оценки коэффициентов матрицы взаимных корреляций для сложных псевдослучайных последовательностей.

2. Разработка и применение в стандартах связи псевдослучайных последовательностей, обладающих лучшими характеристиками выбросов взаимнокорреляционной функции ПСП на отрезках.

3. Исследование возможности подавления помех из соседних сот (особенно это касается мощных пилот-сигналов от базовых станций соседних сот в прямом канале CDMA).

4. Большие перспективы просматриваются при использовании алгоритмов МПД применительно к задаче определения местоположения объекта мобильной станции в сотовых системах CDMA.

5. Тестирование алгоритмов МПД для прямого канала CDMA-2000 и UMTS.

6. Наиболее важной проблемой по-прежнему остается вопрос реализации алгоритмов МПД в аппаратуре, поскольку именно в данной области возможно появление наибольшего количества новых решений, изобретений и патентов.

Проведенное исследование показало, что предлагаемые в данной работе алгоритмы многопользовательского детектирования целесообразно использовать в новых системах радиосвязи второго и третьего поколения сотовых радиотелефонных систем, в том числе в разрабатываемом в настоящее время российском стандарте CDMA Is-95r.

1. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи // М.: Мир, 1996. 240 с.

2. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами // М.: Радио и связь, 1985.- 384 с.

3. Подвижная связь в России и СНГ // Материалы бизнес-форума. М., 1996. 179 с.

4. Касами Т., Токура Н., Ивадари Ё., Инагаки Я. Теория кодирования // М.: Мир, 1978. 576 с.

5. Ли У. К. Техника подвижных систем связи // М.: Радио и связь, 1985. -392 с.

6. Turin J.L. Introduction into wideband techniques of multi-path canceling techniques, and the application in urban digital communication networks // IEEE Personal Communications. March I980.-Vol. 68.-№ 3.-P. 30-60.

7. On the Capacity of a Cellular CDMA System / K.S. Gilhousen, I.M. Jakobs, R. Padovani, A.J. Viterbi, L.A. Weaver, Jr // IEEE Transactions on Communications. May 1991.-Vol. 40.-№ 2.-P. 303-312.

8. Padovani R. Reverse Link Performance of Is-95 Based Cellular Systems // IEEE Personal Communications. 1994.-P. 28-34.

9. Lee W.C.Y. Overview of Cellular CDMA // IEEE Transactions on Communications. May 1991.-Vol. 40.-№ 2,-P. 291 302.

10. Viterbi A.J. CDMA. Principles of Spread Spectrum Communication // Addison-Wesley Publishing Company. April 1995. 247 p.

11. Mobile Station Base Station Compability Standard for Dual - Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System (to be published as IS-95). // Qualcomm Inc., March 1993. 3 Vol. - 2123 p.

12. Shramm P., Huber J. Coherent Demodulation for IS-95 Uplink // Proc. IEEE, ISSTA, Int. Symp. on Spr. Tehniques and Appl. August 1996. Germany.

13. Карпитский Ю.Е., Гончаров E.B., Фурсов C.B. Многолучевый квазикогерентный прием в обратном канале сотовой системы связи с кодовым разделением каналов // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 4 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1998.

14. Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000/FPLMTS (IMT-2000). // ITU Geneva, 1996. 73 p.

15. The cdma2000 ITU-RRTT Candidate Submission (cdma2000 Standard).

16. The ETSI UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA) ITU-R RTT Candidate Submission. (UMTS Standard).

17. Proakis J.G. Digital Communications // 3rd Ed., (McGraw-Hill, 1995). 9271. P

18. Polidoros A., Veber S.L. A Unified Approach to Serial Search Spread Spectrum Code Acquisition // Parts I, II. IEEE Transactions on Communications. May 1984.-Vol. COM-32.-P. 542-560.

19. Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы // М.: Высшая школа, 1990. 496 с.

20. Жданов А.Э. Совместное применение сверточных кодов и циклических контрольных сумм // Информационная безопасность автоматизированных систем: Тез. докл. 4 науч.-техн. конф. Воронеж, 1998.

21. Viterbi A.J. An Intuitive Justification and a Simplified Implementation of the MAP Decoder for Convolutional Codes // IEEE Transactions on Communications. February 1998.-Vol. 16.-№ 2.-P. 260-264.

22. Berrou C., Glavieux A., Thitimajshima P. Near Shannon limit error-correction coding and decoding: Turbo Codes // ICC. 1993.-P. 1064-1070.

23. Lee W.C.Y., Yeh Y.S. On the Estimation of the Second-Order Statistic of Log Normal Fading in Mobile Radio Environment // IEEE Associate Editor for Radio Communications of the IEEE Communications Society. June 1974.-P. 869-873.

24. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника // M.: Радио и связь, 1982. -624 с.

25. Viterbi A.J. Soft Handoff Extends CDMA Cell Coverage and Increases Reverse Link Capacity. // IEEE Journal on Selected Areas in Communication. October 1994.-Vol. 12.-№ 8.-P. 1281-1288.

26. Wang S.W., Wang I. Effects of Soft Handoff, Frequency Reuse and Non-Ideal Antenna Sectorization on CDMA System Capacity // Proceedings of the IEEE Technology Conference, 1993.-P. 850-854.

27. Verdu S. Optimum Multi-user Signal Detection // Ph.D. thesis: University of Illinois, Dept. Of Electrical Engineering, Urbana, IL, September 1984.

28. Lupas R. Near-far Resistant Linear Multiuser Detection // Ph.D. thesis: Princeton University, Princeton, NJ, January 1989.

29. Jung P., Nasshan M. Dependence of the error performance of turbo-codes on the interleaver structure in short transmission systems // Electronic Letters. Febr. 1994.-Vol. 30. -№ 4.

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

31. Thompson J.S., Grant P.M. Smart Antenna Arrays for CDMA Systems // IEEE Personal Communications. October 1996.

32. Thompson J.S., Grant P.M. Performance of Antenna Array Receiver Algorithms for CDMA // Globecom, 1996.

33. Ярлыков M.C., Черняков M.B. Оптимизация асинхронных адресных систем радиосвязи // М.: Связь, 1979. 216 с.

34. Фирсов К.В., Востроилов В.И. Методы оптимизации процедур soft/softer handoff в сотовых системах CDMA // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 5 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1999.

35. Chang Po-Rong, Wang Bor-Chin. Adaptive Fuzzy Power Control for Mobile Radio Systems // IEEE. 1995 .-P. 927-931.

36. Verdu S. Optimum Multiuser Asymptotic Efficiency // IEEE Transactions on Communications. September 1986.-Vol. COM-34.-№ 9.-P. 890-897.

37. Verdu S. Minimum probability of error for asynchronous Gaussian multiple-access channels // IEEE Transactions on Communications and Information Theory. Jan. 1986.-Vol. IT-32.-P. 85-96.

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

39. Lupas-Golaszewski R, Verdu S. Asymptotic efficiency of linear multiuser detectors // Proc. 25th Conf. Decision Contr. 1986. Athens, Greece.

40. Anderson R.R., Foschini G.J. The minimum distance for MLSE digital data systems of limited complexity // IEEE Transactions on Communications and Information Theory. July 1974.-Vol. IT-20-P. 479-489.

41. Forney G.D. Maximum likelihood sequence estimation of digital sequences in the presence of intersymbol interference. // IEEE.

42. Messerschmitt D.G. A geometric theory of intersymbol interference. Part 2: Performance of the maximum likelihood detector // Bell Systems Technology Journal. November 1973.-Vol. 52.-P. 1521 1539.

43. Aulin Т., Sundberg C.E. On the minimum Euclidean distance for a class of signal space codes // IEEE Transactions on Communications and Information Theory. Juny 1982.-Vol. IT-28.-P. 43-45.

44. Fredricsson S.A. Optimum transmitting filter in digital sequences in the presence of intersymbol interference // IEEE Transactions on Communications and Information Theory. May 1972.-Vol. IT-18.-P. 363-378.

45. Seshadri N., J. Anderson. Minimum distance of heavily filtered continuous phase modulation // IEEE Int. Symp. Inform. Theory. June 1985.-P.101-120.

46. XIE Z., Short R.T., Rushforth G.K. A Family of Suboptimum Detectors for Coherent Multiuser Communication. // IEEE Journal on selected areas in communications. May I990.-Vol. 8.-№ 4.-P. 683-690.

47. Wu В., Wang Q. New Sub-Optimal Multiuser Detectors for Synchronous CDMA System // IEEE Transactions on Communications.

48. Zvonar Z., Stojanivic M. Performance of Multiuser Diversity Reception in Nonselective Rayleigh Fading CDMA Channels // IEEE Personal Communications. 1994.-P. 171-175.

49. Varanasi M. On Multiuser Detection in Noncoherent CDMA Channels // IEEE Globecom. 1991.-P. 25A.3.1-25A.3.5.

50. Varanasi M., Aazhang B. Multistage detection in Asynchronous Code-Division Multiple-Access Communications // IEEE Transactions on Communications. April I990.-Vol. 38.-№ 4-P. 509-519.

51. Varanasi M., Aazhang B. Near-Optimum Detection in Synchronous Code-Division Multiple-Access Systems // IEEE Transactions on Communications. May 1991.-Vol. 39.-№ 5.-P. 725-736.

52. Varanasi M., Aazhang B. Optimally Near-Far Resistant Multiuser Detection in Differentially Coherent Synchronous Channels // IEEE Transactions on Communications and Information Theory. July 1991.-Vol. 37.-№ 4.-P. 1006-1018.

53. Duel-Hallen A., Holtzman J., Zvonar Z. Multiuser Detection for CDMA Systems // IEEE Personal Communications. April 1995.-P. 46-58.

54. Kempf P. On Multiuser Detection Schemes for Synchronous Coherent CDMA Systems // IEEE. 1995.

55. Madhow U., Honig M. MMSE interference suppression for direct-sequence spread spectrum CDMA // IEEE Transactions on Communications. December 1994.-Vol. 42.-P. 3178-3188.

56. Rapajic P., Vucetic B. A linear adaptive fractionally spaced single user receiver for asynchronous CDMA systems // IEEE Int. Symp. On Inform. Theory. January 1993. San Antonio, TX.-P. 45-49.

57. Abdulrahman M., Falconer D.D., Sheikh A.U.H. Equalization for interference cancellation in spread spectrum multiple access systems // Proceeding of IEEE Vehicular Technology Conference. May 1992. Denver, CO.

58. Elders-Boll H., Herper M., Busboom A. Adaptive Receivers for Mobile DS-CDMA Communication Systems // Institut fuer Elektrische Nachrichtentechnik, Aachen, Deutschland.

59. Honig M., Madhow U., Verdu S. Blind Adaptive Multiuser Detection // IEEE Transactions on Communications and Information Theory. July 1995.-Vol 41-JSfo 4.

60. Cheung K.P., Kennedy R. Improved blind adaptive detection for synchronous multiuser CDMA systems // Telecommunication Engineering Group, RSISE, Australian National University, Canberra ACT 0200, Australia.

61. Cheung P., Rapajic P., Kennedy R. Effect of new users on blind adaptive synchronous multiuser DS-CDMA detection // Telecommunication Engineering Group, RSISE, Australian National University, Canberra ACT 0200, Australia.

62. Wang X., Poor V. Blind Adaptive Multiuser Detection in Multipath CDMA Channels Based on Subspace Tracking // IEEE Transactions on Signal Processing. November 1998.-Vol. 46.-№ 11.

63. Mueller R, Huber J.B. Multiuser Detection of CDMA by Iterated Soft-Cancellation. (Turbo Multiuser Detection) // Lehrstuhl fuer Nachrichtentechnik, Universitaet Erlangen-Nuernberg, Deutschland.

64. Гармонов A.B., Гончаров E.B., Манелис В.Б. Статистический анализ алгоритмов многопользовательского детектирования // Радиолокация, навигация и связь: Тез. докл. 5 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1999.

65. Mitra U., Poor Н. Analysis of an adaptive decorrelating detector for synchronous CDMA Channels // Dept. Of Electrical Engineering, Princeton University, USA.

66. Yoon Y., Kohno R., Imai H. Cascaded Co-Channel Interference Canceling and Diversity Combining for Spread Spectrum Multiple-Access over Multipath Fading Channels // IEICE Transactions on Communications. February 1993.-Vol. E76-B.-№ 2.-P. 163-168.

67. Patel P., Holtzman J. Analysis of a Simple Successive Interference Cancellation Scheme in a DS/CDMA System // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. June 1994.-Vol. 12.-№ 5.-P. 796-807.

68. Zvonar Z. Combined Multiuser Detection and Diversity Reception for Wireless CDMA Systems // IEEE Transactions on Vehicular Technology. February 1996.-Vol. 45.-№ 1.

69. Elders-Boll H., Schotten H.D., Busboom A. The Influence of Spreading Sequences on the Performance of Asynchronous CDMA Systems with Linear Multiuser Detection // Institut fuer Elektrische Nachrichtentechnik, Technology Universitaet Aachen.

70. Kumar P.S., Holtzman J. Power Control for Spread Spectrum System with Multiuser Receivers//IEEE, 1995.

71. Авторское свидетельство 1305892 МПК4 H 04 L 27/22. Устройство для когерентного приема многолучевых сигналов / Д.Л. Бураченко, М.А. Вознюк, В.Н. Богатырев, О.С. Ткаченко, С.Н. Шляпцев. Заявлено 23.04.87; Опубл. бюл. № 15.

72. Многопользовательское детектирование в системах связи CDMA / А.В. Гармонов, Е.В. Гончаров, В.Б. Манелис, А.Э. Жданов // Цифровая обработка сигналов и ее применение: Сб. докл. 2 Международной конференции, М., 1999.

73. Гармонов А.В., Гончаров Е.В., Кузнецов В.И. К вопросу об использовании ортогональных функций в широкополосных системах связи // Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Воронеж, 1997.

74. Гончаров Е.В., Карпитский Ю.Е. Многопользовательское детектирование в системах связи множественного доступа // Радиолокация, навигация, связь: Тез. докл. 4 Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж, 1998.

75. Гончаров Е.В. Многопользовательское детектирование в CDMA // М.: Электросвязь, 1998. № 12. С. 14-17.

76. Гончаров Е.В. Многопользовательское детектирование в обратном канале CDMA // Ежемесячный библиографический указатель № 4 (316), М.: 1998. Деп. в ВИНИТИ РАН 12.02.98, № 423-В98.

77. В.И. Кузнецов. Системное проектирование радиосвязи. Часть 1 // Изд-во ВНИИС, Воронеж, 1994. 287 с.

78. Варакин JI.E. Формирование и обработка сложных сигналов в радиолокационных и радиосвязных системах // М.: Московский электротехнический институт связи, Редакционно-издательский отдел ВЗЭИС, 1967.

79. Дядюнов Н.Г., Сенин А.И. Ортогональные и квазиортогональные сигналы // М.: Связь, 1977. 224 с.

80. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех // М.: Радио и связь, 1986. 264 с.

81. Журавлев А.К., Лукошкин А.П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках // Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1983. 240 с.

82. Пузинков С.А. Системы CDMA: разработка и планирование // М.: Электросвязь, 1998. №11-12.

83. Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем // М.: Радио и Связь, 1981.-288с.

84. Jakes W.C. Microwave Mobile Communications // John Wiley and Sons, New York, 1974. 642 p.

85. Теория и применение псевдослучайных сигналов / А.И. Алексеев, А.Г. Шереметьев, Г.И. Тузов, Б.И. Глазов. // М.: Наука, 1969. 365 с.

86. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов // М.: Советское Радио, 1970. -376 с.

87. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов // М.: Советское Радио, 1978. -304 с.

88. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы // М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1978. 832 с.

89. ITU-R М. 12251, Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-200. (Question ITU-R 39/8).1. УТВЕРЖДАЮ

90. Начальник НТО-19, к.т.н. Начальник отдела, к.т.н. Начальник сектора, к.т.н.1. Гармонов А.В.1. Савине кий П.Л.1. Ясырев Ю.В.1. СУ^