Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы
Повышение помехоустойчивости - одна из главных задач, решение которой необходимо для увеличения эффективности работы современных телекоммуникационных систем. Ее актуальность подтверждается ростом внутрисистемных интерференции, вызываемых множественным доступом, шумов от промышленных объектов и радиоэлектронного оборудования, а также влияния замираний сигналов в застраивающихся высотными зданиями городах.
Теория потенциальной помехоустойчивости была разработана Котельниковым В.А. и получила развитие в работах Финка Л.М., Мидлтона Д., Харкевича А.А., Левина Б.Р., Тихонова В.И., Кловского Д.Д., Ван Триса Г., Андронова И.С., Стратоновича Р.Л., Кайлата Т., Варакина Л.Е., Шахгильдяна В.В., Зюко А.Г., Фалько А.И., Сикарева А.А., Шинакова Ю.С., Коржика В.И., Цикина И.А., Хворостенко М.П. и многих других ученых.
С недавнего времени в число перспективных направлений исследований по увеличению помехоустойчивости телекоммуникационных систем входит применение широкополосных сигналов (ШПС) с нулевой зоной корреляции, формируемых с помощью специальных последовательностей, также называемых ZCZ-кодами (от Zero Correlation Zone). Свое название они получили по характерному для них свойству -нулевой зоне автокорреляционной и взаимной корреляционной функций - позволяющему использовать их в широкополосных системах связи для повышения эффективности борьбы с интерференциями многолучевого распространения сигналов и множественного доступа, а также вызванными сигналами соседних базовых станций.
В 2000 г. в рамках проекта 3GPP2 был предложен стандарт сотовой связи LAS 2000+-їх (от Large Area Synchronized), в основе которого лежат одноименные последовательности. Но в большой степени из-за недостаточно хороших корреляционных свойств и сложностей синтеза LAS-кодов технология не была принята. Ее неуспех также был вызван неудовлетворительным уровнем имеющихся знаний в области анализа последовательностей с нулевой зоной корреляции и сведений о реальном выигрыше, получаемом при их использовании.
Таким образом, актуальность исследований определяется необходимостью улучшения качества мобильной связи на высоких скоростях передачи данных в условиях воздействия интерференционных помех, вызванных многолучевым распространением сигналов, множественным доступом с кодовым разделением каналов и сигналами от соседних базовых станций.
Настоящая работа посвящена исследованию вопросов применения ZCZ-кодов в широкополосных системах с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (DS-CDMA - Direct Sequence Code Division Multiple Access), получивших наибольшее применение при построении сотовых сетей. В диссертации предлагаются новые последовательности с нулевой зоной корреляции, выполняется анализ их свойств и характеристик.
Цель работы заключается в исследовании эффективности применения широкополосных сигналов с нулевой зоной корреляции при кодовом разделении каналов, формировании новых ZCZ-последовательностей и изучении их свойств.
Основные задачи исследования:
-
Синтез адаптивных алгоритмов приема ШПС с обучением при использовании последовательностей с нулевой зоной корреляции в каналах с многолучевостью.
-
Анализ помехоустойчивости приема ШПС в системах с кодовым разделением каналов с учетом влияния интерференционных помех для случая традиционного доступа с DS-CDMA и при использовании сигналов с нулевой зоной корреляции.
-
Разработка алгоритмов формирования новых семейств последовательностей с заданным условием на ширину нулевой зоны автокорреляционных и взаимных корреляционных функций.
-
Анализ характеристик и свойств полученных систем ZCZ-кодов в сравнении с известными LAS-, LS- и LA-кодами.
-
Разработка компьютерной модели структурной схемы канала для исследования эффективности применения ШПС с нулевой зоной корреляции в DS-CDMA-системе; проведение машинного эксперимента на основе разработанной модели.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовался математический аппарат теории статистической радиотехники и корреляционного анализа, а также компьютерное моделирование в среде MATLAB.
Новые научные результаты:
-
Синтезированы адаптивные алгоритмы приема ШПС с нулевой зоной корреляции в системах с кодовым разделением каналов, подверженных влиянию многолучевости. Новизна заключается в том, что получены алгоритмы приема одновременно с правилами формирования оценок неизвестных параметров многолучевого сигнала по обучающей выборке в виде принятой смеси рабочих посылок сигнала с помехами.
-
Выполнен сравнительный анализ помехоустойчивости приема ШПС для традиционной DS-CDMA-системы и по технологии ZCZ-CDMA. Показано, что применение последовательностей с нулевой зоной корреляции позволяет повысить помехоустойчивость систем с кодовым разделением каналов.
-
Предложен алгоритм формирования нового семейства (Х-коды) последовательностей с нулевой зоной апериодических автокорреляционных и взаимных корреляционных функций. Обоснована целесообразность их использования в широкополосных системах.
-
Предложен алгоритм формирования новых ZCZ-последовательностей (X -коды), позволяющих образовывать групповой сигнал без пассивных пауз в многочастотных системах с кодовым разделением каналов.
-
В сравнении с известными ZCZ-последовательностями семейств LA, LS, LAS выполнен анализ свойств предложенных кодов, а также рассмотрены положительные и отрицательные моменты их применения в системах с DS-CDMA.
-
С помощью компьютерного моделирования в среде MATLAB получены графики вероятности ошибочного приема в зависимости от отношения сигнал/шум для сигналов на основе сформированных последовательностей при квазисинхронном приеме по всем каналам системы с ZCZ-CDMA и влиянии многолучевости. Выполнено сравнение полученных характеристик с аналогичными для случаев применения последовательностей Уолша и LAS. Показано преимущество предложенных последовательностей.
Личный вклад
Выносимые на защиту результаты работы получены автором лично. Из десяти опубликованных работ одна выполнена в соавторстве. Научные положения диссертации соответствуют пунктам 2 и 8 паспорта специальности 05.12.13.
Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечивается корректностью применения используемого аналитического аппарата. Достоверность положений и выводов подтверждается результатами компьютерного моделирования.
Практическая ценность работы заключается в возможности применения синтезированных адаптивных алгоритмов при построении приемников, а новых последовательностей - в качестве расширяющих при разработке систем с кодовым разделением каналов.
Компьютерная модель может использоваться для получения характеристик помехоустойчивости множественного доступа с кодовым разделением каналов как на основе традиционных последовательностей (Уолша, например), так и в случае ZCZ-кодов для различных параметров многолучевых каналов.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре Беспроводных информационных систем и сетей (БИСС) и в НИР ЗАО «Институт сотовой связи», что подтверждено актами внедрения.
Апробация работы
Основные научные результаты и положения, приводимые в диссертации, обсуждались на международных и всероссийских форумах, среди которых наиболее значимыми являются: Международная сибирская конференция по управлению и связи «SIBCON-2011», г. Красноярск, СФУ, 2011, Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», г. Казань, КГТУ, 2011 и Российская научно-техническая конференция СНТОРЭС им. А.С. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, СибГУТИ, 2010-2012.
Публикации
По результатам исследований, выполненных по теме диссертационной работы, опубликовано 10 печатных работ: 4 статьи (из которых 3 - в журналах из перечня ВАК) и 6 тезисов и текстов докладов в сборниках трудов конференций.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Применение сигналов с нулевой зоной корреляции позволяет повысить помехоустойчивость CDMA-систем, подверженных влиянию многолучевости. Это справедливо в случае, если сигналы кодовых каналов и их лучевые компоненты, задержанные во времени, попадают в границу нулевой зоны корреляции.
-
Применение последовательностей-множителей, определенных в диссертации, позволяет формировать новые коды с нулевой зоной корреляции.
-
Использование предложенных в диссертационной работе Х- и X -кодов, обладающих нулевой зоной корреляции, позволяет повысить эффективность технологии ZCZ-CDMA.
-
Выбор последовательностей семейства X для применения в многочастотных системах с кодовым разделением каналов позволяет исключить появление пассивных пауз.
5) Результаты анализа компьютерного моделирования, подтверждающие высокую эффективность применения Х- и X -кодов в ZCZ-CDMA-системах.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 54 наименования; изложена на 109 страницах машинописного текста (в том числе 17 страниц приложений), содержит 23 рисунка и 6 таблиц.
Похожие диссертации на Формирование новых последовательностей с нулевой зоной корреляции и исследование эффективности их применения в широкополосных системах
