Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛИНЕАРИЗОВАННЫЙ АЛГОРИТМ СОВМЕСТНОЙ ДЕКОМПОЗИЦИИ ГРУППОВОГО СИГНАЛА В DS-CDMA СИСТЕМАХ НА ФОНЕ НЕГАУССОВСКИХ ПОМЕХ

ЧИКРИН Д.Е.

Казань 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ” на кафедре Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор КНИТУ-КАИ

Надеев Адель Фирадович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Компьютерных систем КНИТУ-КАИ Песошин Валерий Андреевич кандидат физико-математических наук, доцент К(П)ФУ

Рябченко Евгений Юрьевич

Ведущая организация:

ОАО «Российские космические системы», г. Москва

ащита состоится “23” декабря 2011 г. в 14 на заседании диссертационного совета Д212.079.03 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, 31/7 (5-е учебное здание).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте КНИТУ-КАИ, а также на сайте Министерства образования Российской Федерации.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, 31/7, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан “18” ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор Г.И. Щербаков

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы

Современные радиотехнические системы телекоммуникаций принадлежат к группе систем, наиболее интенсивно развивающихся для удовлетворения современных потребностей человека. Значительные темпы роста объема передаваемых данных приводят к необходимости разработок новых решений для повышения эффективности работы сетей, систем и устройств телекоммуникаций.

В диссертации рассматриваются системы с прямым расширением спектра и кодовым разделением каналов (DS-CDMA системы радиосвязи), имеющие широкий спектр применений - от глобальных сетей беспроводной связи до систем передачи данных в пределах тела человека.

В реальных каналах связи ряд факторов в большинстве случаев не позволяет адекватно описывать сложные комплексы помех в рамках гауссовой модели. Вместе с этим, при одновременном присутствии в канале связи многих сигналов пользователей использование однопользовательских алгоритмов, решающих задачи обнаружения и различения неэффективно и обуславливает необходимость использования алгоритмов многопользовательского детектирования. Проблема усложняется показательной вычислительной сложностью (от количества информационных компонент в групповом сигнале) алгоритмов оптимального многопользовательского детектирования.

В рамках подходов научной школы, основанной Ш.М. Чабдаровым; с использованием конструктивного инструмента полигауссовых (ПГ) моделей и методов, автором разработаны линейные по вычислительной сложности схемы приема сигналов, решающие задачу совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA систем при наличии сложного комплекса негауссовских помех. Под задачей совместной декомпозиции здесь и далее понимается задача оптимального многопользовательского детектирования в условиях негауссовских помех. При создании указанных алгоритмов автором были проанализированы труды Я.Д. Ширмана, Ю.С.Шинакова, Б.Р. Левина, Г.П. Тартаковского, В.Г. Репина, А.П. Трифонова, Н.З. Сафиуллина, А.Ф. Надеева, Р.Р. Файзуллина, и др. по системам связи в негауссовой постановке; работы А.М.Шломы, В.Б. Крейнделина, S. Verdu, M. Juntti, A.J. Viterbi и другие публикации в области многопользовательского детектирования.

При построении алгоритма совместной декомпозиции были выявлены требования к оптимальности процедур регулировки мощности. Анализ работ Ю.С. Шинакова, А.И. Фалько, М.С. Шушнова, О.А. Шорина, М.И. Косинова, A. Sadri и M. Rintamaki позволил выявить пути построения алгоритмов регулировки мощности (АРМ), корректно функционирующих в условиях негауссового комплекса помех.

Для применения с синтезированными алгоритмами декомпозиции и регулировки мощности в диссертации используются методы эффективной адаптации параметров вероятностных смесей в реальном времени. Указанные методы были получены с использованием трудов С.А. Айвазяна, С.М. Бухштабера, А.Е. Егорова, A. Dempster, H. Hartley, F. Dellaert и других авторов, рассматривающих вопросы параметрической и непараметрической адаптации параметров случайных процессов.

Объект исследования

Объектом исследования являются современные системы беспроводной передачи информации, навигации и радиосвязи, функционирующие в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.

Предмет исследования

Предмет исследования - физически реализуемые в приложениях реального времени адаптивные алгоритмы совместной декомпозиции сигналов и регулировки мощности в присутствии сложного комплекса негауссовских помех.

Цель и задача работы

Основная цель диссертационной работы:

Повышение помехоустойчивости приема групповых сигналов DS-CDMA систем в условиях негауссовских помех посредством создания линейного по вычислительной сложности адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала.

Основная задача научных исследований:

где для сигнала -го пользователя ; - медианное значение мощности данного пользователя; и соответствуют гипотезам логических нуля и единицы.

Пусть для каждого из системных пользователей задан уровень . Построим АРМ на базе характеристики , аналогичной отношению сигнал-помеха, но для произвольных по вероятностной структуре каналов связи. При этом соответствие между и определяется лишь для каждого отдельно взятого типа распределения (в т.ч. гауссового).

Для определения структуры параметра рассмотрен второй физический смысл отношения сигнал/помеха для АБГШ-каналов:

В гауссовом случае параметр соответствует превышению в константу раз (где зависит от структуры сигнала и выбранного значения ) амплитуды полезного сигнала над СКО помехи: . В связи с тем, что не зависит от вероятностных параметров помехи, доверительная вероятность превышения нормированной величины в АБГШ канале:

.

Таким образом, альтернативный физический смысл отношения сигнал/помеха может быть определен, как соответствие с точностью до константы значению шума с доверительной вероятностью в 0.683.

Определим как соответствие (с точностью до константы , зависящей от структуры сигнала) значению помехового процесса с доверительной вероятностью в , где . С учетом однозначного соответствия и некоторого , параметр записывается в векторном виде:

.

Фиксация на уровне в 68,3% обеспечивает совместимость с традиционным показателем сигнал/помеха для АБГШ-каналов и позволяет производить сравнение помехоустойчивости для каналов связи с негауссовскими помехами с использованием оценок традиционного вида.

Пусть для выбранного канала связи характерны различных типов распределений комплекса помех; для каждого из данных типов распределений составлены таблицы соотношений битовой ошибки () и указанного параметра , при этом целевая мощность сигнала должна обеспечивать однозначное определение и функция должна быть независимой от энергетических характеристик помехи. Для введенных обозначений и ограничений построена процедура регулировки мощности в условиях сложного комплекса негауссовских помех:

1. Блоком адаптации определяются параметры комплекса помех.

2. Для подобранных параметров определяется максимально подходящее вероятностное распределение из характерных типов.

3. Для указанного из заранее созданных таблиц соотношений определяются возможные значения параметра .

4. Для возможных значений определяются значения целевой мощности.

5. Определяется текущая медианная мощность, либо статистически вычисленный уровень битовой ошибки.

6. Осуществляется регулировка мощности.

Введение параметра диктует необходимость изменения самой стратегии выбора вектора мощностей, традиционно оптимальной в смысле минимизации функции вероятности отказа в обслуживании , где - минимально допустимый уровень отношения сигнал/помеха.

Традиционные АРМ обеспечивают такие уровни мощности пользователей , которые бы обеспечивали отношения ; , где - мощность шумов и помех. Самому защитному системному порогу для каждой определенной мощности помех соответствует мощность , которая и является целевым значением алгоритмов АРМ. Из этого следует традиционный (детерминированный) критерий выбора целевой мощности:

1. Определяется средняя спектральная плотность мощности и средняя мощность , где - ширина системной полосы частот.

2. Исходя из значения защитного системного порога определяется требование к целевому значению мощности - .

В отличие от традиционных АРМ, представляемая стратегия выбора вектора мощностей использует вероятностную структуру комплекса помех в канале связи; при этом традиционные АРМ являются подмножеством представленных далее модифицированных систем регулировки мощности.

В соответствии с синтезированным параметром защитный системный порог представлен не единичной скалярной величиной , определяющей требуемое значение сигнал/шум, а вектором:

,

где - доверительная вероятность превышения величины .

Вектор назван модифицированным защитным системным порогом. Пусть - целевая функция модифицированной стратегии АРМ, тогда

.

Разработанная стратегия учитывает вероятностное представление комплекса помех и обеспечивает корректную регулировку мощности в каналах связи с помехой сложной структуры. Далее определен статистический критерий выбора целевого значения мощности:

1. Определяются параметры ПГ-комплекса помех в канале связи:

,

2. Решается интегральное уравнение от переменной , определяющее, при какой будет достигаться с доверительной вероятностью :

.

В результате целевое значение мощности определяется, как .

Предложенная модификация обеспечивает корректный выбор целевого порога в соответствии с структурой комплекса помех. Разработанные алгоритмы не меняют схемы схождения к целевым функциям, что обеспечивает минимальную сложность модификации существующих АРМ.

В заключении главы рассмотрена модификация адаптивных итеративных АРМ с решающей обратной связью с использованием приведенного математического аппарата.

Третья глава - «Имитационное моделирование и исследование характеристик разработанных алгоритмов прием, обработки сигналов и регулировки мощности» - посвящена конкретизации разработанных алгоритмов для параметров реальных систем связи; имитационному моделированию и исследованию характеристик представленных алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности.

В первом разделе рассматриваемой главы приведены основные методы адаптации параметров случайных процессов по экспериментальной выборке.

Для решения задачи оценки параметров сложного комплекса помех в диссертации выбран метод ЕМ-адаптации - благодаря его универсальности и высокой производительности отдельных итераций схождения. ЕМ-адаптация решает оптимизационную задачу вида:

.

ЕМ является при этом аббревиатурой двух этапов решения указанной задачи: оценивания (E - Estimation) и максимизации (M - Maximization).

Для моделирования разработанных алгоритмов в трактах радиосистем с различными параметрами автором разработано ПО Viterbi MkII (рис. 2).

Основные возможности ПО Viterbi MkII:

· Задание структуры сложного комплекса помех в виде ПГ-процесса.

· Формирование сигналов DS-CDMA систем.

· Анализ эффективности ЕМ-адаптации негауссовых процессов.

· Моделирование АРМ в негауссовых каналах связи.

· Анализ помехоустойчивости схем приема и обработки сигналов.

С использованием разработанного ПО произведен анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов. Имитационным моделированием показано, что в случае действия негауссовских помех в канале связи разработанные алгоритмы совместной декомпозиции обеспечивают существенный выигрыш в помехоустойчивости (2,2-2,5 дБ без использования помехоустойчивого кодирования) по сравнению с корреляционными методиками (рис. 2).

Рис. 2: Алгоритмы приема в негауссовом канале - случай 10 активных пользователей

В АБГШ-каналах помехоустойчивость традиционных и разработанных алгоритмов идентична. Показана необходимость применения алгоритмов совместной декомпозиции в случае присутствия в системе многих пользователей.

В заключительной части главы произведен анализ и сравнение характеристик традиционных и модифицированных АРМ(рис. 3).

Рис. 3: АРМ в каналах связи с различной структурой комплекса негауссовых помех

На графиках показана некорректность выбора целевых мощностей традиционными АРМ: в негауссовых каналах независимо от структуры комплекса помех традиционные АРМ дают одно и то же значение мощности, опираясь на средние энергетические характеристики помех. Разработанные АРМ учитывают вероятностную модель комплекса помех и выбирают различные целевые мощности в указанных примерах.

Четвертая глава - «Внедрение разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций различного назначения» - посвящена интеграции разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций.

В представляемой диссертации проведено внедрение разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов в макет ГЛОНАСС/GPS-приемника «Созвездие» с применением указанных алгоритмов в процедурах захвата и слежения сигналов; осуществлено внедрение разработанных алгоритмов регулировки мощности в комплекс информационного обмена и определения местоположения внутри помещений «Лабиринт».

Проведенные эксперименты и результаты внедрения разработанных алгоритмов в реальные радиотехнические системы телекоммуникаций позволяют говорить о физической реализуемости и эффективности алгоритмов, разработанных в рамках представляемой диссертации.

Основные результаты и выводы

В соответствии с основными целью и задачей диссертации в представленной работе проведен комплекс исследований в области адаптивных алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности для DS-CDMA-систем в условиях сложных негауссовских помех. При этом получены следующие основные результаты:

1. Синтезирован линейный по вычислительной сложности от количества пользователей алгоритм совместной декомпозиции группового сигнала в DS-CDMA системах, использующий полигауссовые статистики для представления комплекса внешних помех. Разработанный алгоритм является обобщением оптимального МПД-приемника для каналов связи с негауссовским комплексом помех. Определены основные требования по физической реализации: синхронность системы; специализированные требования к видам модуляции; идентичность энергетических вкладов составляющих.

2. Для применения с разработанным алгоритмом совместной декомпозиции осуществлено построение обобщенной структуры методов M-ичной фазовой модуляции и АФМ; определена применимость предъявляемых алгоритмом совместной декомпозиции требований к традиционным методам модуляции в DS-CDMA (BPSK; QPSK). Показана возможность устранения ограничения на идентичность энергетических вкладов пользователей при оптимальном функционировании систем регулировки мощности (АРМ) при воздействии негауссовских помех. Для адаптации параметров сложных комплексов негауссовских помех произведен анализ методов параметрической и непараметрической адаптации; определена применимость и адекватность ЕМ-адаптации для DS-CDMA систем в реальном времени.

3. Показана принципиальная неоптимальность функционирования АРМ, оперирующих традиционным энергетическим отношением сигнал/помеха в каналах связи с комплексом негауссовских помех; разработаны алгоритмы регулировки мощности, обеспечивающие корректное функционирование в условиях сложного комплекса негауссовских помех. Разработаны рекомендации по модификации традиционных схем АРМ, обеспечивающие более гибкий и корректный выбор целевого порога, в строгом соответствии с вероятностной природой сигнально-помеховой обстановки и потребностями в ресурсах канала связи. Произведена модификация адаптивных итеративных АРМ с решающей обратной связью.

4. Разработано программное обеспечение имитационного моделирования Viterbi MkII, решающее задачи имитационного моделирования и исследования характеристик приема и обработки сигналов и регулировки мощности в трактах радиосистем с различными параметрами. С использованием разработанного ПО произведены следующие эксперименты:

Анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов приема и обработки сигналов. Показано, что для негауссовских каналов обеспечивается существенный выигрыш в помехоустойчивости (2,2-2,5 дБ без использования помехоустойчивого кодирования) разработанных ПГ-алгоритмов совместной декомпозиции по сравнению с традиционными корреляционными методиками. В АБГШ-каналах помехоустойчивость традиционных и разработанных алгоритмов идентична.

Анализ и сравнение характеристик традиционных и разработанных алгоритмов регулировки мощности. Показано качественное различие в выборе целевых векторов мощностей традиционными и разработанными АРМ; некорректность выбора целевых мощностей традиционными АРМ.

Анализ эффективности процедур ЕМ-адаптации для различных комплексов помех на входе приемных радиотрактов различных радиотехнических систем телекоммуникаций.

Для подтверждения физической реализуемости и целесообразности применения разработанных алгоритмов произведена интеграция разработанных алгоритмов для реальных радиотехнических систем телекоммуникаций: разработан макетный образец ГЛОНАСС-приемника «Созвездие», использующего в процедурах захвата и слежения разработанные алгоритмы приема и обработки сигналов. Произведено внедрение модифицированных АРМ в комплекс информационного обмена и определения местоположения объектов внутри помещений «Лабиринт».

Представленные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в работе решена научная задача, заключающаяся в разработке алгоритмов обработки сигналов в DS-CDMA системах при действии негауссовских помех: линеаризованного адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала и модифицированных алгоритмов регулировки мощности. Разработанные алгоритмы позволяют добиться повышения таких показателей систем связи, как помехоустойчивость, чувствительность, системная емкость и качество обслуживания абонентов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК:

1. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Чикрин Д.Е., Файзуллин Р.Р.: Учет вероятностной модели канала связи в системах регулировки мощности // Казань, «Вестник КГТУ», 2011, Т.2. C.53-58.

2. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Чикрин Д.Е., Файзуллин Р.Р.: Линейный по сложности алгоритм полного разрешения сигналов с использованием полигауссовых смесей для аппроксимации негауссовых помех // Йошкар-Ола, «Вестник МарГТУ», 2011, Т.1(11). С.3-12.

3. Чикрин Д.Е.: Построение эффективных систем регулировки мощности в каналах связи с негауссовым комплексом помех // Муром, «Радиотехнические и телекоммуникационные системы», Т.2, 2011. С.78-80.

Другие статьи:

4. Chabdarov S.M., Nadeev A.F., Chickrin D.E., Faizullin R.R.: Unconventional signal detection techniques with Gaussian probability mixtures adaptation in non-AWGN channels: full resolution receiver // Proceedings of the SPIE: Optical Technologies for Telecommunications 2010; Volume 7992, С. 799204-799204-9.

Труды конференций:

5. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Чикрин Д.Е., Ефимов Е.Н.: Моделирование поликорреляционного алгоритма обработки фазоманипулированных сигналов на фоне негауссовских помех // Самара: Материалы VII-й Межд. науч.-техн. конф. «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций»; 2006. С.65.

6. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Чикрин Д.Е., Ефимов Е.Н.: Поликорреляционная обработка сигналов широкополосных систем беспроводного доступа // Казань: доклады IV-й международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества»; 2006. С. 70-72.

7. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Ефимов Е.Н. , Чикрин Д.Е.: Адаптивная обработка сигналов в негауссовских каналах систем подвижной радиосвязи в условиях априорной неопределенности // Казань: доклады V-й международной научно-практическая конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества»; 2007. С. 169.

8. Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Чикрин Д.Е.: Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования при оптимизация параметров QoS в мобильных инфокоммуникационных системах // Сб. трудов VI-й Всерос.научно-техн. конф. RLNC-2007 «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж: ВГУ. 2007. Т.2. С.775-790.

9. Надеев А.Ф., Чикрин Д.Е.: Исследование вопросов ограничения сложности и физической реализации полигауссовых алгоритмов полного разрешения сигнально-помехового комплекса в широкополосных системах радиодоступа // Казань: доклады "АКТО-2008"; 2008.Т.2. С.263-269.

10. Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Чикрин Д.Е.: Моделирование полигауссовых алгоритмов полного разрешения и методов многопользовательского детектирования в широкополосных системах радиодоступа // Казань: доклады VII-й международной научно-практическая конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества»; 2009. С. 97-98.

Размещено на Allbest.ru