Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Стандарт GSM и перспективы его использования в республике Йемен 16
1.1. Стандарт GSM и системы третьего поколения 16
1.2. Перспективы сотовых сетей связи стандарта GSM в республике Йемен 22
1.3. Функциональная схема обратной линии GSM 26
1.3.1 .Основные элементы сети стандарта GSM 26
1.3.2. Общая структура последовательности временных кадров 29
1.4. Модель радиоканала обратной линии GSM 34
1.4.1. Многолучевой канал с рассеиванием по времени и замираниями (статический режим) 34
1.4.2. Многолучевой канал с рассеиванием по частоте (динамический режим) 39
1.5. Проблема адаптации радиоприемников GSM к изменяющимся условиям распространения радиоволн 40
1.5.1. Адаптивный оцениватель канала для максимально правдоподобного последовательного детектирования 41
1.5.2. Адаптивный линейный эквалайзер 44
Выводы по главе 1 52
Глава 2. Основные алгоритмы демодуляции радиоприемников стандарта GSM 54
2.1. Вероятностная модель сигнала на входе приемника базовой станции 54
2.1.1. Частотная манипуляция с минимальным сдвигом 54
2.1.2. Математическая модель излучаемого сигнала 58
2.1.3. Математическая модель сигнала на входе приемника базовой станции 69
2.2. Когерентная демодуляция сигнала ГММС (Алгоритм Витерби).70
2.2.1. Способ формирования опорных фазовых траекторий и решетчатая диаграмма сигнала ГММС 70
2.2.2. Когерентная демодуляция сигнала ГММС в канале с гауссовским белым шумом 75
2.3. Обучение при демодуляции сигнала ГММС 84
2.3.1. Функциональная схема демодулятора приемника базовой станции 84
2.3.2. Оценивание по обучающей последовательности 85
2.3.3. Выравнивание передаточной функции радиоканала 90
2.4. Постановка задачи исследования 93
Выводы по главе 2 95
Глава 3 Новый алгоритм демодуляции сигнала стандарта GSM 97
3.1. Аппроксимация фазовой функции 97
3.2. Новое устройство формирования опорного сигнала 100
3.3. Модифицированный алгоритм когерентной демодуляции 107
3.4. Функциональная схема когерентного демодулятора 113
Выводы по главе 3 116
Глава 4. Экспериментальное исследование алгоритмов демодуляции в системе стандарта GSM 117
4.1.Имитационная модель системы передачи стандарта GSM 117
4.1.1. Имитационная модель передатчика 117
4.1.2. Имитационная модель радиоканала 119
4.1.3. Имитационная модель приемника 121
4.2. Оценка помехоустойчивости приема сигнала ГММС при использовании стандартного алгоритма демодуляции 122
4.3. Оценка помехоустойчивости нового алгоритма приема сигнала ГММС 130
Выводы по главе 4 133
Заключение 134
Слисок литературы 137
Приложение 144
Приложение 1 146
- Многолучевой канал с рассеиванием по времени и замираниями (статический режим)
- Способ формирования опорных фазовых траекторий и решетчатая диаграмма сигнала ГММС
- Модифицированный алгоритм когерентной демодуляции
- Оценка помехоустойчивости приема сигнала ГММС при использовании стандартного алгоритма демодуляции
Введение к работе
Актуальность темы. Бурное развитие цифровых технологий оказало весьма существенное влияние на сферу телекоммуникаций. Особенно большие изменение произошли в области систем связи с подвижными объектами. "Глобальная система подвижной связи" - GSM является в настоящее время самым популярным и самым распространенным стандартом сотовой связи. Большинство стран земного шара приняли стандарт GSM диапазона 900 МГц к реализации или развивают его для построения таких сетей в диапазонах частот 1800 МГц (стандарт DCS 1800 в Европе) и 1900 МГц (стандарт PCS 1900 в США).
Технологии сотовой подвижной связи в Йемене начали развиваться недавно. Их выход на отечественный рынок услуг связи начался в условиях отсутствия правовых и нормативных документов. Создание сетей сотовой связи на базе стандартов GSM 900 и DCS 1800 в Йемене успешно осуществляет компания "Sabafon", первый оператор GSM в Йемене; компания предоставляет услуги связи государственным и коммерческим организациям, гражданам города Сана, столицы Йемена, и других наиболее крупных городов. В начале своей деятельности (июль 2000 года) компания обслуживала 13 000 абонентов в столице Йемена. В настоящее время компания "Sabafon" обслуживает 200 000 абонентов по всей стране, ее сеть насчитывает 240 базовых станций.
Пропускная способность современных сотовых систем связи общего назначения фактически ограничивается пропускной способностью обратного канала (от подвижной станции (ПС) к базовой станции (БС)). Для этих систем характерными являются сложные условия распространения (холмы, застройки, насаждения, подвижность абонента). Узловым наиболее сложным элементом систем является приемник БС и ПС.
Адаптация приемника БС или ПС к изменяющимся условиям распространения, предусматриваемая стандартом GSM, обычно предполагает:
а) оценку импульсной характеристики канала по обучающей последо
вательности;
б) применение эквалайзера для уменьшения влияния многолучевости
или подстройку демодулятора к изменяющейся характеристики канала.
Оба алгоритма являются достаточно сложными для технической реализации. В данной диссертационной работе исследуется возможность построения алгоритмов демодуляции сигналов, которые обладали бы меньшей вычислительной сложностью по сравнению с традиционно используемыми, что можно рассматривать как актуальную задачу для систем 2-го и 3-го поколений.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование нового алгоритма демодуляции сигнала приемника БС стандарта GSM, обладающего меньшей вычислительной сложностью. Эта цель достигается следующим образом:
На основе введения аппроксимации фазовой функции сигнала с гаус-совской модуляцией минимального сдвига (ГММС) строится новая решетчатая диаграмма опорного сигнала для алгоритма когерентной демодуляции, который реализуется как модифицированный алгоритм Витерби; сложность этого алгоритма значительно ниже традиционной его формы, обычно используемой в системах стандарта GSM.
Проверяется, насколько ухудшается качество приема при такой аппроксимации с целью показать, что проигрыш в качестве мал.
Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи: исследованы и выбраны вероятностная модель сигнала на входе приемника базовой станции, алгоритмы адаптации радиоприемников стандарта GSM, метод оценивания импульсной характеристики канала на основе обучающей последовательности, разработана имитационная модель обратной линии системы GSM, составлена программа её реализации на ПЭВМ, составлен план эксперимента и выполнено статистическое моделирование для оценки эффективности предлагаемых рекомендаций.
Методы исследования. Для решения поставленной в работе задачи использованы современные методы математического анализа, основанные на теории вероятностей и математической статистики, а также методы статистической радиотехники, статистической теории связи и теория электрических сигналов.
Проверка теоретических результатов исследования осуществлялась путем имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.
1. Предложен новый способ аппроксимации фазовой функции опорного
сигнала ГММС при демодуляции, который позволяет уменьшить па
мять сигнала в 2 раза.
2. Построена новая решетчатая диаграмма опорного сигнала ГММС с
учетом введенной аппроксимации, число состояний в которой в 2 раза
меньше, чем у традиционно используемой.
Предложен упрощенный вариант алгоритма Витерби, который позволил в 2 раза уменьшить вычислительную сложность алгоритма когерентной демодуляции сигнала ГММС.
Разработана программная реализация нового алгоритма демодуляции.
Выполнено статистическое моделирование нового алгоритма демодуляции, основной результат которого можно сформулировать следующим образом: энергетический проигрыш нового алгоритма по сравнению с традиционно используемым не превышает 0,5 дБ.
Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссертации, включая программное обеспечение для решения поставленных в диссертационной работе задач, получены автором лично.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанный в диссертации адаптивный алгоритм демодуляции сигналов стандарта GSM, обладающий значительно меньшей вычислительной сложностью, обеспечивает возможность реализации когерентного приема
11 сигнала ГММС в тех условиях, в которых традиционный алгоритм когерентного приема не мог использоваться из-за его сложности. Этот алгоритм реализован в виде программ для ПЭВМ в среде системы MATLAB. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре радиотехнических систем МТУ СИ, что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва 2002г.), на Международном форуме информатизации, проводимых на базе МТУСИ (МФИ 2002г.), на заседаниях кафедры радиотехнических систем МТУСИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Основные положения, выносимые на защиту.
Метод аппроксимации фазовой функции сигнала ГММС.
Новая решетчатая диаграмма опорного сигнала ГММС, рекомендуемая для когерентной демодуляции этого сигнала.
Новый алгоритм Витерби для демодуляции сигнала ГММС, вычислительная сложность которого в 2 раза ниже традиционного алгоритма.
Программная реализация нового алгоритма Витерби в среде системы MATLAB.
Результаты статистической оценки помехоустойчивости нового алгоритма когерентной демодуляции сигнала ГММС.
6. Оценки вычислительной сложности нового алгоритма когерентной
демодуляции сигнала ГММС.
Сгруюура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и приложений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунка, список литературы состоит из 87 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определены практическая ценность и область применения результатов, приведены сведения об апробации работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе даны некоторые оценки о роли и перспектив использования стандарта GSM в республике Йемен и в организации глобальной персональной связи; приведены необходимые технические характеристики стандарта GSM, который является результатом фундаментальных исследований ведущих научных и инженерных центров Европы. Разработанные в GSM системные и технические решения могут использоваться для всех перспективных цифровых систем сотовой подвижной связи (ССПС). В первую очередь, к таким решениям относятся: построение сетей GSM на принципах интеллектуальных сетей; распространение модели открытых систем на ССПС; внедрение новых, более эффективных моделей повторного использования частот; применение временного разделения каналов связи - множественный доступ с временным разделением каналов (МДВР); временное разделение режимов приема и передачи пакетированных сообщений; использование эффективных методов борьбы с замираниями сигналов, основанных на частотном разнесении, путем применения режима передачи с медленными скачками по частоте и тестирования канала связи с помощью псевдослучайной последовательности, известной в приемнике; применение блочного и сверточ-ного кодирования в сочетании с прямоугольным и диагональным перемеже-нием; программное формирование логических каналов связи и управления; использование спектрально-эффективного вида модуляции - Гауссовской манипуляции с минимальным частотным сдвигом (ГММС); разработка высококачественных низкоскоростных речевых кодеков; шифрование передаваемых сообщений и закрытие данных пользователей.
Дана оценка состояния сотовых систем стандарта GSM в республике Йемен, где технологии сотовой подвижной связи начали развиваться недавно. Правовая и нормативная базы создания и развития сетей сотовой подвижной связи в Йемене разрабатывались параллельно, а иногда и после введения в строй самих сетей связи, что зачастую приводило к принятию неправильных, ничем не обоснованных решений, осложняющих реализацию услуг связи и деятельность операторов.
В главе рассмотрены также модель радиоканала обратной линии GSM, дан анализ существующих методов решения проблемы адаптации радиоприемников GSM к изменяющимся условиям распространения радиоволн. Кратко изложены некоторые методы оценивания канала для максимально правдоподобного последовательного детектирования с применением адаптивного линейного эквалайзера, обеспечивающего выравнивание передаточной функции канала в полосе частот сигнала ГММС.
Во второй главе дан анализ основных алгоритмов когерентной демодуляции радиоприемников стандарта GSM. Рассмотрены особенности формирования сипіала ММС и сигнала ГММС, приведена математическая модель излучаемого сигнала передатчика стандарта GSM. Разработана математическая модель сигнала на входе приемника базовой станции; отмечено, что при многолучевом распространении радиоволн убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием, оказывается более быстрым, чем в свободном пространстве. Многолучевость также приводит к межсимвольной интерференции. Кроме того, сигнальные компоненты, прибывающие к приемнику по различным путям распространения, суммируются, что приводит к явлению, названному замираниями.
В данной работе сигнал ГММС передается по многолучевому радиоканалу с импульсной характеристикой А(/,г); предполагается, что канал является
многолучевым с числом лучей Р. Каждый луч является широкополосным (не вносит временных искажений в форму сигнала) и имеет два параметра: *"»(0 - комплексный коэффициент усиления с неизвестным значением,
rp(t) - задержка с неизвестным значением.
Выполнен анализ существующих способов демодуляции сигнала ГММС. Для исследования выбрана когерентная демодуляция сигнала ГММС (прием в целом, алгоритм Витерби), рассмотрена традиционный способ формирования опорных фазовых траекторий и построена соответствующая решетчатая диаграмма сигнала ГММС.
Далее в этой главе рассматривается метод оценки импульсной характеристики канала; учитывается, что для обучения при демодуляции сигнала ГММС в стандарте GSM предусматривается наличие 26 обучающих бит в середине информационного пакета. Поэтому оценивание основывается на использовании только обучающей последовательности и метода наименьших квадратов для получения оценок при обучении. Спецификации GSM предусматривают, что эквалайзер должен обеспечивать выравнивание лучей сигналов со средиеквадратическим временем задержки до 16 мкс. Обычно это канальный выравнивающий КИХ-фильтр с конечной импульсной характеристикой g. В заключение сформулированы задачи исследования.
В третьей главе приведено описание нового алгоритма когерентной демодуляции сигнала стандарта GSM. Предлагается аппроксимации фазовой функции, которая приводит к новому алгоритму, с существенно меньшей вычислительной сложностью. Предложенный способ аппроксимации не приводит к накоплению ошибок при построении фазовых траекторий опорного сигнала в когерентном демодуляторе; это означает, что реализации опорного сигнала, формируемые в приемнике по новой решетчатой диаграмме, незначительно отклоняются от реализаций сигнала ГММС, построенных по традиционной решетчатой диаграмме; следовательно, можно ожидать, что помехоустойчивость предлагаемого в данной работе алгоритма когерентной демодуляции сигнала ГММС лишь незначительно хуже помехоустойчивости традиционно используемого алгоритма. В этой главе предлагается новое устройство формирования опорного сигнала ГММС и соответствующий модифицированный алгоритм когерентной демодуляции.
В четвертой главе подчеркивается, что системы связи с подвижными объектами являются достаточно сложными объектами для исследования. Поэтому многие задачи их проектирования, оптимизации и анализа качества не удается решить аналитически. Приходится прибегать к имитационному моделированию. Поэтому имитационные программы (имитаторы), позволяющие имитировать различные элементы или части таких систем, имеют широкое распространение среди специалистов и организаций соответствующего профиля. Цель данной главы - разработать методику и соответствующие технические средства^ которые позволят получить оценки помехоустойчивости предлагаемого в работе алгоритма демодуляции при различных условиях приема.
В главе приводятся данные о разработанной имитационной модели обратной линии стандарта GSM и способе её* реализации в системе Matlab, а также о результатах экспериментальных оценок помехоустойчивости приема сигнала ГММС традиционным и новым алгоритмами Витерби (алгоритмами максимального правдоподобия). Приведены сведения о программной реализации имитационной модели системы стандарта GSM; разработаны две программы System GSM_0J и System GSM_I1 в системе Matlab, которые использованы для получения зависимостей оценок средней вероятности ошибки от отношения сигнал - шум. Показано, что энергетический проигрыш нового алгоритма составляет всего около 0,5 дБ, а его вычислительная сложность в 2 раза ниже.
В заключении приведены основные выводы работы и рекомендации по использованию основных её результатов.
В приложении представлены программы моделирования системы стандарта GSM.
Многолучевой канал с рассеиванием по времени и замираниями (статический режим)
Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени.
В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, содержит ли передаваемая группа речевую информацию или информацию сигнализации. В последнем случае информационный канал (Traffic Channel) "украден" для обеспечения сигнализации.
Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится обучающая последовательность из 26 бит, известная в приемнике. С помощью этой последовательности обеспечивается: оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей; оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера; определение задержек распространения сигнала между базовой и подвижной станциями для оценки дальности связи; эта информация необходима для выравнивания пакетов данных от разных подвижных станций при приеме на базовой станции; удаленные на большее расстояние подвижные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.
FB (Frequency Correction Burst - интервал подстройки частоты) предназначен для синхронизации по частоте. Все 142 бита в этом временном интервале - нулевые, что соответствует немодулированнои несущей со сдвигом на 1625/24 кГц выше номинального значения частоты несущей. FB содержит защитный интервал 8,25 бит так же, как и нормальный временной интервал. Повторяющиеся с некоторой частотой временные интервалы подстройки частоты (FB) образуют канал установки частоты (FCCH). SB (Synchronization Burst - интервал временной синхронизации) используется для синхронизации по времени базовой и подвижной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере кадра и идентификационный код базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся с некоторой частотой интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).
DB (Dummy Burst - установочный интервал) обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB (рис. 1.3.2) и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты, и не передается никакой информации. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.
АВ (Access Burst - интервал доступа) обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. АВ передается подвижной станцией при запросе канала сигнализации. Это первый передаваемый подвижной станцией пакет, следовательно, время прохождения сигнала еще не измерено. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбинация 8 бит, затем - последовательность синхронизации для базовой станции (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. Интервал содержит большой защитный интервал (68,25 бит, длительностью 252 .мкс), что обеспечивает достаточное временное разнесение от пакетов других подвижных станций.
Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM - использование режима SFH - медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи. Главное назначение таких скачков - обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Режим SFH используется во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении подвижных станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA кадра (557 мкс), в каждом последующем кадре передается на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс. Принятая структура кадров и принципы формирования сигналов в стандарте GSM и DCS в совокупности с методами канального кодирования позволили снизить требуемое для приема отношение сигнал/помеха до 9 дБ, тогда как в стандартах аналоговых сотовых сетей связи оно составляет 17-18 дБ.
Полоса частот стандарта GSM относится к дециметровому диапазону. Дециметровые радиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости. При наличии отражающих поверхностей и препятствий (зданий), особенно в условиях города, типичных для применения сотовой связи, появляются отраженные и рассеянные волны, интерферирующие между собой и с волной, прошедшей по прямому пути. Это явление называют многолучевым (или многопутевым) распространением сигналов.
Способ формирования опорных фазовых траекторий и решетчатая диаграмма сигнала ГММС
Представление (2.2.3) комплексной огибающей сигнала ГММС можно положить в основу построения функциональной схемы устройства формирования этого сигнала, которая представлена на рис. 2.2.1. Здесь регистр сдвига с элементами задержки на время Т0 связан через устройства умножения с сумматором функций ,/ = 0,1,2,3. На выходе этого сумматора формируется меняющаяся во времени доля фазы сигнала. Во втором сумматоре накапливается неменяющаяся на этом интервале доля фазы.
Такое представление позволяет построить решетчатую диаграмму состояний сигнала ГММС, с помощью которой сравнительно легко можно рассчитывать значения комплексной огибающей этого сигнала на любом интервале времени с номером /, если известны значение 0І7 вектор состояния [$;-з J/-2 5м] и значение Sj текущего символа. В установившемся режиме диаграмма представляется периодической структурой, один элемент которой представлен на рис. 2.2.2.
Из этого рисунка следует, что число разных состояний равно 32, а число возможных переходов равно 64; не все переходы изображены на рисунке, чтобы не загромождать рисунок. Сплошные стрелки соответствуют переходам, если на 7-м интервале символ st -\, переходы при sf = +1 изображены пунктирными стрелками.
Построение фазовой траектории сигнала ГММС на интервале / г /+7 теперь осуществляется следующим образом. Предполагаются известными значения вектора [вІУ Sj_2, s,-_2» si-\] и» следовательно, состояние слева на решетке. При появлении символа st его значение становится известным. Теперь значения комплексной огибающей можно вычислить по формуле (2.2.3) для всех моментов времени интервала с номером 7. К моменту окончания этого интервала завершается переход по решетке в новое состояние, которое теперь определяется новым вектором. Решетка определяет все возможные переходы для любых возможных значений вектора [#,-, -У/-3 si-2 si-\] и ДвУх возможных значений текущего символа st. В результате оказывается возможным вычислить все возможные значения комплексной огибающей сигнала ГММС на этом интервале (для всех возможных начальных состояний), что необходимо для формирования опорного сигнала при корреляционном способе демодуляции этого сигнала.
Отметим, в заключение, что данная решетчатая диаграмма оказывается полезной при реализации алгоритма «приема сигнала в целом», так как обеспечивает возможность использования алгоритма Витерби, который обладает существенно меньшей вычислительной сложностью по сравнению с традиционным алгоритмом максимального правдоподобия приема в целом сигнала ГММС.
При когерентной демодуляции предполагается, что в приемнике выделяется комплексная огибающая принимаемого сигнала, наблюдаемая на фоне аддитивного гауссовского белого шума. В этом случае для наблюдаемого процесса на входе демодулятора на интервале времени і тйі +1 будем использовать следующее представление: где hit) - комплексная огибающая шума.
В соответствии с рекомендациями стандарта GSM-900 передача осуществляется блоками по 148 бит, так что индекс / в (2.2.4) принимает значения от і-l до і-148. Первые три символа и последние три символа блока известны и равны +1. Остальные символы здесь будем считать информационными, которые могут принимать значения из алфавита {+1, -1}. Для демодуляции будем использовать алгоритм максимального правдоподобия приема в целом всего блока, а для реализации этого алгоритма - алгоритм демодуляции Витерби.
Модифицированный алгоритм когерентной демодуляции
Для каждого способа модуляции существует достаточно много способов демодуляции. Они отличаются друг от друга преобразованиями входного несущего колебания, которые необходимо выполнить для выделения информационных символов, сложностью их практической реализации, качеством демодуляции при различных условиях приема. Качество демодуляции при конкретных условиях приема является наиболее важной характеристикой любого способа демодуляции. С точки зрения абонента прием будет тем лучше, чем меньше будет неправильных решений о переданных информационных символах. Количественно это можно представить средней вероятностью ошибки на один канальный символ или средней вероятностью ошибки на бит [16].
В данной работе исследуется общая функциональная схема демодуляции сигналов стандарта GSM, представленная на рис.2.3.1 разделе 2.3.1. В схеме используется оценивание параметров многолучевого канала по обучающей последовательности. Для коррекции принимаемого сигнала применяется эквалайзер с принудительным обнулением, работающий только в полосе частот сигнала ГММС. Для демодуляции используется алгоритм Витер-би.
Передатчик на каждом интервале длительностью То излучает в канал передачи один из двух канальных символов, каждый из которых переносит один бит информации (0 или 1). Поэтому основная задача, которая должна быть решена при демодуляции несущего колебания заключается в принятии решении о том, какой именно из двух возможных символов был передан на отведенном ему интервале времени длительностью То. Это означает, что в точке приема предполагается известными моменты начала и окончания каждого очередного канального символа, т.е. работа приемника точно синхронизирована с работой передатчика; можно сказать, что в этом случае имеет место идеальная тактовая синхронизация приемника и передатчика (или принимаемого модулированного колебания).
В данной работе мы полагаем, что прием сигнала ГММС предусматривает дискретное оценивание многолучевого канала, с последующей подстройкой корректирующего фильтра (эквалайзера), восстанавливающего форму принимаемого сигнала ГММС, который затем демодулируется с помощью алгоритма Витерби. Мы принимаем, что обучение происходит в каждом кадре, полученную оценку обучения демодулятор использует для демодуляции информационных данных данного кадра, затем оценка обнуляется и обучение заново повторяется в новом кадре.
Основное внимание при этом уделяется наиболее сложному элементу приемника, реализующему алгоритм Витерби. Использование эквалайзера в приемнике позволяет не подстраивать алгоритм Витерби под изменяющийся канала и, следовательно, совокупность всех опорных траекторий сигнала ГММС можно вычислить заранее и хранить в памяти приемнике, что позволит снизить вычислительную сложность преобразований принимаемых колебаний при демодуляции.
С целью дальнейшего снижения сложности демодулятора приемника в данной работе выполняются следующие исследования: 1) на основе введения аппроксимации фазовой функции сигнала ГММС предлагается модифицированный алгоритм демодуляции Витерби, сложность которого значительно ниже сложности традиционных способов его реализации; 2) планируется и осуществляется оценка ухудшения качества демодуляции при такой аппроксимации с целью показать, что проигрыш в качестве оказывается незначительным. 1. Манипуляция с минимальным сдвигом (ММС) может рассматри ваться как фазовая или как частотная модуляция с непрерывной фазой. Этот сигнал имеет постоянную огибающую и занимает меньшую полосу частот по сравнению с обычной частотной манипуляцией. Однако для многих прило жений внеполосная мощность спектра сигнала ММС все еще остается доста точно большой. В стандарте GSM используется гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом (ГММС), основывающаяся на ММС. Радиосигнал при такой модуляции имеет пониженный уровень внеполосных излучений, что позволяет располагать частотные каналы ближе друг к другу, обеспечивая более высокую спектральную эффективность системы связи. 2. Недостатком сигнала ГММС можно считать наличие межсимвольной интерференции, что обуславливает информационную память в последова тельности канальных символов и необходимости использования довольно сложных в вычислительном отношении алгоритмов когерентной демодуля ции, например, алгоритм Витерби. Снижение этой сложности является акту альной задачей, а её решение позволило бы расширить область применимо сти когерентного приема сигнала ГММС. Основная цель данной работы раз работать и исследовать один из возможных способов снижения вычисли тельной сложности алгоритма когерентной демодуляции сигнала ГММС. 3. Исследование в работе выполняются для традиционных условий приема, принятых в стандарте GSM: нестационарной многолучевой канал с релеевскими замираниями. 4. Решетчатая диаграмма сигнала ГММС оказывается полезной при реализации алгоритма «приема сигнала в целом», так как обеспечивает возможность использования алгоритма Витерби, который обладает существенно меньшей вычислительной сложностью по сравнению с традиционным алгоритмом максимального правдоподобия приема в целом сигнала ГММС. 5. Представленный в данной главе алгоритм когерентной демодуляции сигнала ГММС реализует «прием в целом» на основе метода максимального правдоподобия и, следовательно, минимизирует среднюю вероятность ошибки в канале с гауссовским белым шумом. 6. Стандарт GSM предусматривает обучение на основе использования только обучающей последовательности; для получения оценок при обучении можно использовать метод наименьших квадратов.
Оценка помехоустойчивости приема сигнала ГММС при использовании стандартного алгоритма демодуляции
Системы связи с подвижными объектами являются достаточно сложными объектами для исследования. Поэтому многие задачи их проектирования, оптимизации и анализа качества не удается решить аналитически. Приходится прибегать к имитационному моделированию. Поэтому имитационные программы (имитаторы), позволяющие имитировать различные элементы или части таких систем, имеют широкое распространение среди специалистов и организаций соответствующего профиля. Одной из мощных систем построения таких имитаторов является система Matlab. Это интерактивная система, основным элементом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явным образом. Это позволяет легко решать многие задачи, связанные с векторно-матричными вычислениями. Система Matlab одновременно является и операционной средой, и языком программирования. Эта система в данной работе принята в качестве среды, в которой создана имитационная модель системы передачи стандарта GSM. Функциональная схема этой имитационной модели представлена на рис.(4.1.1)
Моделирование системы передачи стандарта GSM в данной работе начинается с источника информации, который формирует блоки (временные кадры) последовательностей символов ±1 { Д-О,..., } с числом символов в блоке Nfa 142. В каждом временном кадре обучающая последовательность занимает 26 бит (Л/=26 бит), информационный блок содержит 114 бит, который разбит на два самостоятельных блока по 57 бит. Два бита является контрольными (см. Рис.1.3.2). Последовательности информационных битов выбираются случайно.
Во времени сигнал на выходе источника представляется как последовательность прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности длительностью То, которую мы используем для нормировки оси времени. В результате получается безразмерное время. Последовательность этих импульсов пропускается через НЧ - фильтр с импульсным откликом и амплитудно-частотной характеристикой, определяемыми равенствами (2.1.5 - 2.1.7), затем она интегрируется. На рис.2.1.7, 2.1.8, показаны частотный импульс и фазовая функция сигнала ГММС при ВТо = 0.3. Таким образом, в имитаторе формируется сигнал, представляющий собой зависимость фазы сигнала ГММС от времени. Комплексная огибающая сигнала с нелинейной модуляцией в имитаторе представлена формулой (2.1.17) при {к — 0 /4/}. Как было описано ранее, в каждом кадре имитатора используется обучающая последовательность, содержащая Nt 26 символов со значениями ±1.
Необходимо принять во внимание, что сигнал ГММС обладает "памятью": все биты, переданные ранее обучающей последовательности, оказывают влияние на текущую фазу символов обучающей последовательности. Четыре непосредственно предшествующих символа вносят различные коррекции значений фазы текущего символа. Однако более ранние символы (пятый, шестой и т.д.) приводят к поправкам с постоянными значениями, кратными ± 7t/2. Таким образом, имитатор передатчика должен формировать последовательность отсчетов комплексной огибающей Y(t) передаваемого сигнала.
Программа для моделирования канала распространения радиосигнала от ПС до БС или в обратном направлении реализована в системе Matlab в виде специальной функции с именем fadesim [35]. Данная функция реализует одну из самых распространенных моделей канала с рассеянием по времени и по частоте при дискретной многолучевостью. Для каждого луча реализуется ре-леевская модель.
Исследования распространения радиоволн с частотами несущих гармонических колебаний от 50 МГц до 3 ГГц при расстояниях от нескольких десятков длин волн до нескольких десятков километров показали, что статистические характеристики комплексной огибающей принимаемого радиосигнала очень близки к соответствующим характеристикам вероятностной модели радиоканала, обычно называемого релеевским [27]. На основании физических соображений это позволяет предположить, что электромагнитное поле в любой точке зоны приема можно рассматривать как сумму нескольких горизонтально перемещающихся плоских волн со случайными амплитудами, фазами и углами прихода. Мгновенная фаза суммарной волны является случайной и равномерно распределена на интервале от 0 до 2л; а ее случайная амплитуда имеет распределение Релея. При этом можно считать, что амплитуда и фаза для произвольных моментов времени являются независимыми случайными величинами.
При перемещении ПС в зоне приема радиосигнала комплексный коэффициент передачи радиоканала изменяется случайным образом во времени. Скорость таких изменений возрастает с ростом скорости движения ПС. В результате комплексный коэффициент передачи приходятся рассматривать как случайный процесс. Движение ПС из - за эффекта Допплера приводит к расширению спектральной линии, которое можно оценить по следующей формуле:
