Содержание к диссертации
Введение 4
1 Метрические пространства и теория аппроксимации 11
1.1 Нормированные метрические пространства сигналов 11
1.2 Теория аппроксимации сигналов 18
1.3 Процедуры и последовательность обработки информации 28
1.4 Выводы 31
2 Обработка информации большими системами 33
2.1 Проблемы интеграции и взаимодействия больших систем 33
2.2 Теория игр и взаимодействие больших систем 38
2.3 Принцип максимума в теории больших систем 42
2.4 Идентификация и управление структурой риска 44
2.5 Методы оптимизации 48
2.6 Синхронизация больших систем 59
2.7 Эффективность алгоритмов компенсации помех 60
2.8 Выводы ' 65
3 Теория статистических решений 66
3.1 Исходные предпосылки 66
3.2 Классическая теория статистических решений 70
3.3 Критерии оптимальности 74
3.4 Принцип гарантированного результата 88
3.5 Выводы 95
4 Оптимальное выделение сигналов на фоне негауссовых и нормальных помех много-позиционными адаптивными системами
4.1 Пространственно-временная обработка сигналов активно-пассивными системами обнаружения
4.2 Оптимальная обработка в гауссовых помехах 103
4.3 Примеры активно-пассивных систем 106
4.4 Оптимальные алгоритмы обработки и электро-магнитная совместимость 107
4.5 Пространственно-временные статистические характеристики негауссовых процессов
4.6 Оптимальная обработка негауссовых процессов 117
4.7 Активно-пассивные системы обнаружения сигналов в негауссовых помехах 123
4.8 Выделение комплексных нормальных процессов 127
4.9 Анализ эффектов джиттера и вандера 129
4.10 Выводы 137
5 Статистический анализ эффективности синхронизации сетей связи 139
5.1 Сети синхронизации и анализ эффективности 139
5.2 Частотный метод анализа эффективности синхронизации 151
5.3 Когерентность и коррелированность синхросигналов 158
5.4 Оптимизация сетейхинхронизации с обменным и взаимным хронированием 171
5.5 Оптимальные алгоритмы синхронизации с компенсацией гауссовых помех 181
5.6 Выводы 189
6 Фильтрация случайных помех и сигналов 192
6.1 Корреляционная теория трансверсально-рекурсивных фильтров 192
6.2 Спектрально-корреляционные связи 196
6.3 Негауссовы распределения вероятностей и нестационарные свойства угловой модуляции
6.4 Распределения вероятностей негауссовых процессов на выходе фильтров 204
6.5 Согласованные фильтры 209
6.6 Модели радиосигналов и алгоритмы обработки 220
6.7 Реализация оптимальных и эвристических обнаружителей 244
6.8 Выводы 261
7 Моделирование оптимальных и реально используемых алгоритмов обработки
7.1 Исходные предпосылки 265
7.2 Моделирование оптимальных матричных алгоритмов обработки 266
7.3 Результаты моделирования реальных систем 272
7.4 Моделирование оптимальных линейных и нелинейных обнаружителей 278
7.5 Обсуждение результатов 283
7.6 Выводы 290
Заключение 294
Литература 300
Введение к работе
В перечне приоритетных направлений развития науки и техники, утвержденных Правительством Российской Федерации, направление «информационно-телекоммуникационные технологии» занимает одно из главенствующих мест. Действительно, переход цивилизации в начале этого века к постиндустриальному, информационному обществу ставит во главу угла проблемы связанные с обеспечением высококачественной, высокоинформативной и вседоступной связью, вещанием, доступом к информационным ресурсам. Без внедрения современных информационно-телекоммуникационных технологий в государственные структуры не мыслимо эффективное управление государством, экономикой, обеспечение безопасности и обороны страны.
Одной из важнейших проблем развития современных радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных систем и сетей является загруженность частотного диапазона. Частотный ресурс в современном информационном обществе становится не менее важным природным ресурсом, чем ресурс энергоносителей. Это связано с бурным развитием систем радиосвязи как фиксированной, так и мобильной, развитием спутниковых, наземных и интегрированных, телекоммуникационных технологий, развитием многофункциональных радиоэлектронных систем радиомониторинга и позиционирования. Усиливается актуальность противодействия конфликтам в информационной сфере [1, 54, 55]. На повестку дня встают проекты увеличения скорости и объемов обмена информацией в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и, как следствие, расширение полосы передаваемых сигналов.
В области мобильной радиосвязи разрабатываются проекты создания систем поколения «IMT - 2000 and beyond» со скоростями передачи данных от 144 кбит/с для высокомобильных абонентов до 2,048 Мбит/с - для стационарных, увеличения объема передаваемой мультимедийной информации [2]. Развиваются беспроводные локальные сети, а также мобильные мультимедийные сети связи ММАС (Multimedia Mobile Access Communication) использующие OFDM - модуляцию, поддерживающие скорость передачи данных до 54 Мбит/с на несущих, близких к 5 ГГц. Среди кандидатов для создания будущей интегрированной системы связи рассматриваются: сети мобильной связи (Mobile Networks); сети беспроводной фиксированной радиосвязи (Fixed Wireless Networks); беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Networks); сети цифрового радио (DAB), а также телевизионного наземного и спутникового вещания (DVB, DVB-S) [3,4]. Одним из важнейших направлений, как в радиосвязи, так и в радиолокации, является создание сверхширокополосных радиосистем. В радиолокации это направление связано с созданием принципиально новых высокоинформативных систем радиомониторинга, а в радиосвязи с созданием высокоинформативных систем передачи данных, речи и мультимедиа, работающих в совместных полосах частот с другими радиотехническими системами. Происходит интеграция информационно-телекоммуникационных систем, так, например, неотъемлемой составляющей технологий мобильной связи становятся технологии местоопределения абонентов как в режиме «хендовер», так и в качестве отдельной услуги [5]. Остаются на повестке дня проблемы присущие всем радиоэлектронным информационно-телекоммуникационным системам - это проблемы устойчивой синхронизации сетей, борьбы с замираниями сигналов, проблемы многолучевого распространения, наличия внеполосных излучений и внутрисистемных шумов и помех в радиосвязи (последнее особенно актуально для систем связи с кодовым разделением каналов - CDMA), проблемы борьбы с шумами и помехами в радиолокации и радионавигации. В подавляющем большинстве случаев обработка полезных сигналов в информационно-телекоммуникационных системах ведется на фоне негауссовых, нестационарных во времени и не изотропных в пространстве шумов, помех и мешающих сигналов.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной научно-технической задачи - развития теории и разработки методов оптимальной обработки сигналов на фоне гауссовых и негауссовых помех в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и сетях.
Целесообразность и расширение спектра применения естественно-математических и инструментальных методов в области обработки сигналов на фоне шумов и помех в телекоммуникациях и радиотехнике является мотивированной, что, в частности, подтверждается нарастанием интенсивности потока научных публикаций по этой проблематике в настоящее время практически для всех научных сообществ в мире. Исследованию проблем радиоэлектронных и телекоммуникационных систем и, в частности, теории и методам обработки сигналов на фоне шумов и помех, посвящено большое количество публикаций. Исследованию моделей негауссовых помех посвящены работы: Ф.Е. Фальковича [6], Э. Сэйджа [7], Г. Уилкинсона [8], Б.Р. Левина [9] (прямые вероятностные модели); П.А. Бакута [10], В. Шварца [11], Я.Д. Ширмана [12], В.И. Тихонова [13] (локально-вероятностные модели); А.Н. Малахова [14], Ю.П. Кунченко [15], Дж. Менделя [16] (моментно-кумулянтные модели); Р.Л. Стратоновича [17], Ю.Г. Сосулина [18], (марковские модели); А.А. Колосова [19], Ш.М. Чабдарова, Н.З. Сафиуллина, А.Ю. Феоктистова [20] (полигауссовы модели); Д. Хьюбера [21], В.И. Мудрова и В.Л. Кушко [22] (родственные полигауссовым модели). Большое внимание исследователей посвящено методам оптимизации информационно телекоммуникационных систем, работающих в условиях шумов и помех. Я.Д. Ширманом предложены и исследованы высокоэффективные методы сжатия сигналов и квадратурной автокомпенсации помех в радиолокации [23].
В качестве наиболее всеобъемлющего обобщения полученных к настоящему времени результатов в этой области следует отметь справочник [24] и учебное пособие[25]. В этих книгах приведена подробная классификация и оценка состояния исследований в области теории и методов построения радиотехнических информационных и телекоммуникационных систем, приведена классификация моделей и шумов, действующих в радиоканале, рассмотрены основные критерии оптимизации систем, приведена классификация методов приема сигналов на фоне негауссовых помех, описаны методы компенсации помех, используемые в радиолокации. Дальнейшее развитие описанных проблем нашли в трудах И.А. Голяницкого [26, 27, 28], которым получены многомерные распределения вероятностей совокупности модулированных сигналов на фоне помех и их нелинейно-инерционной фильтрации, получены оптимальные адаптивные многопозиционные пространственно-временные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех с их компенсацией, развиты методы анализа эффективности радиолокационных систем.
Все перечисленные результаты в основном направлены на оптимизацию радиолокационных систем. В настоящее время, в связи с бурным развитием систем телекоммуникаций, радиосвязи, интеграцией их в многофункциональные информационно-телекоммуникационные системы, актуальным является развитие теории методов оптимальной обработки сигналов на фоне негауссовых помех в близкой по задачам предметной области - радиосвязи, обладающей, однако, своей спецификой и требующей разработки присущих ей моделей шумов и помех.
Цель диссертационной работы заключается в развитии теории и разработке методов оптимальной обработки сигналов на фоне гауссовых и негауссовых помех в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и сетях. Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены следующие научные задачи:
• Исследование нелинейных метрических пространств сигналов, существенно влияющих на эффективность процедур их обработки;
• Исследование многомерных распределений вероятностей совокупности сигналов и помех с учетом многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;
• Развитие методов компенсации мешающих сигналов и помех в системах радиосвязи, действующих в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных цифровых трактах;
• Разработка эффективных пространственно-временных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с FDMA, FDMA и CDMA;
• Разработка эффективных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с учетом действия мощных активных помех, насыщенной электромагнитной ситуации и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;
• Оценка эффективности разработанных алгоритмов и адекватности предложенных моделей сигналов и помех.
Интегрально научные результаты, полученные автором в рамках диссертационного исследования, имеют характер вновь созданных объектов интеллектуальной собственности научно-прикладного характера, в диссертации развит нетрадиционный подход к оптимальному синтезу и статистическому анализу эффективности современных и перспективных информационно телекоммуникационных систем и сетей, что позволило развить теорию приема сигналов и устойчивого функционирования многофункциональных информационно-телекоммуникационных систем в условиях действия негауссовых, нестационарных во времени и неизотропных в пространстве помех и мешающих сигналов. Результаты диссертационного исследования представляют собой: систему методологических принципов оптимизации обработки сигналов на фоне негауссовых помех в современных и перспективных информационно-телекоммуникационных системах и сетях; базовый математический инструментарий, описывающий свойства метрических пространств, влияющие на формирование правил принятия решений при обнаружении сигналов на фоне помех и применимости критериев оптимизации информационно-телекоммуникационных систем и сетей; методы синтеза и анализа алгоритмов обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных цифровых трактах с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех; математический инструментарий для исследования статистических характеристик смеси сигналов и негауссовых и нестационарных помех, используемый при оптимизации характеристик обнаружения сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.
Диссертация отличается высокой степенью научной новизны как в вопросах теории оптимальных методов обработки сигналов в информационно телекоммуникационных системах и сетях, так и в вопросах технического и прикладного характера применительно к сетям мобильной радиосвязи стандартов «IMT-2000 and beyond», радиолокации и радиопротиводействию. Получены следующие новые результаты:
1. Исследованы свойства метрических пространств при аналоговой и цифровой обработке сигналов на фоне негауссовых помех и исследованы особенности границ областей принятия решений [29].
2. Получены оптимальные алгоритмы обработки сигналов в больших информационно - телекоммуникационных системах и сетях при обнаружении сигналов, оценке их параметров и идентификации (различении и разрешении) при использовании процедур компенсации мешающих сигналов и помех [29, 30, 36].
3. Исследованы области практической применимости критериев оптимальности больших систем, их связь с известными из теории статистических решений критериями с оценкой их преимуществ и недостатков при оптимизации информационно-телекоммуникационных систем и сетей [29].
4. Исследованы оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне негауссовых нестационарных и не изотропных в пространстве помех (как частный случай - на фоне гауссовых помех) с учетом проблемы электромагнитной совместимости радиосистем, многолучевости распространения сигналов, а также эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций [29,31].
5. Синтезированы оптимальные системы синхронизации с учетом помех и мешающих сигналов, и проведен статистический анализ эффективности процедур синхронизации в реально используемых радиолокационных системах и сетях радиосвязи, при отсутствии и наличии процедуры компенсации помех и мешающих сигналов [29, 32, 33, 34].
6. Исследованы многомерные статистические характеристики смесей сигналов и негауссовых помех на выходе узкополосных цепей аналогового типа и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров, изучены нелинейные приемники обнаружения-измерения. Показана необходимость адаптации структуры приемника в зависимости от вида нестационарности помех [29, 35].
7. Приведены результаты имитационного моделирования всех основных теоретических выводов диссертационной работы и показано совпадение результатов экспериментов с теоретическими выводами. Показано, что применение процедуры компенсации помех позволяет увеличить соотношение сигнал/помеха до 25 - 30 дБ - в сочетании с нелинейной обработкой; в сочетании с согласованной фильтрацией - на 20 -25 дБ, в сочетании с адаптацией - на 15 -20 дБ с указанием технических ограничений и возможных перспективных решений [29].
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в совершенствовании устройств и методов обработки сигналов на фоне помех в больших информационно-телекоммуникационных системах и сетях. В силу общности использованных в работе математических моделей ее результаты применимы при анализе и синтезе технических решений в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, в телекоммуникационных и вещательных сетях.
Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов в больших информационно - телекоммуникационных системах при идентификации сигналов и синхронизации сетей с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.
Исследованы области практической применимости критериев оптимальности в теории больших информационно - телекоммуникационных систем на базе обобщенной теории статистических решений.
Предложены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех в активно-пассивных радиолокационных системах и сетях радиосвязи в условиях электромагнитной совместимости радиосистем, в условиях многолучевости распространения сигналов в радиоканале и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем.
Найдены показатели эффективности реально используемых систем синхронизации в радиолокации и радиосвязи с применением процедур компенсации мешающих сигналов и помех в радиоканале.
Проведен анализ статистических характеристик сигналов и помех на выходе узкополосных аналоговых и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров с учетом негауссовости и нестационарности распределения вероятностей входных помех для различных моделей сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и для возможных эвристических схем обнаружителей.
Проведено имитационное моделирование всех основных рассмотренных в диссертации оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и мешающих сигналов.
Предложены новые, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ [5, 37 - 49] устройства и способы обработки сигналов в многофункциональных информационно-телекоммуникационных системах.
Основные результаты диссертации нашли применение в работе ФГУП НИИ ТП «Создание унифицированного ряда модификаций высоконадежной бортовой аппаратуры радиотехнических командно-измерительных систем управления космическими аппаратами с высокой помехозащищенностью «Куб-Контур» и «Компарус», удостоенной Премии Правительства РФ в области науки и техники за 2002 г.; на предприятиях ОАО ЦКБ «Алмаз», ОАО «Корпорация «Фазотрон - НИИР», ОАО «Мобильные Теле Системы»; внедрены в учебный процесс [64] на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ по подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника»; нашли отражение в научно исследовательских отчетах, выполненных в рамках Единого заказ-наряда и проектов по инновационным и научно-техническим программам Минобразования РФ; неоднократно докладывались на научно-технических конференциях и семинарах. [32, 35, 50, 51, 56 - 64]. На защиту выносятся следующие положения:
1. Методы описания функций разграничения в пространстве сигналов информационно-телекоммуникационных систем, функционирующих в условиях действия негауссовых помех, на основе евклидовой метрики.
2. Области применимости критериев оптимизации информационно-телекоммуникационных систем.
3. Методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.
4. Методы синхронизации информационно-телекоммуникационных сетей на основе компенсации рассогласования частотно-временных параметров узлов.
5. Статистические характеристики смеси сигналов и негауссовых нестационарных помех, используемые при оптимизации характеристик обнаружения сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.
