Введение к работе
Актуальность темы исследования. Отличительной особенностью современного этапа развития мобильных инфокоммуникационных систем является прогрессирующий рост потребностей в качественных высокоскоростных услугах связи, используемых практически во всех сферах деятельности современного информационного общества.
Эффективность мобильных инфокоммуникационных систем, базирующихся на технологии кодового разделения каналов (CDMA-системы), ограничена множеством факторов, включающих влияние внутрисистемных помех множественного доступа (MAI - Multiple Access Interference), неустойчивость и многообразие вероятностных распределений помехового комплекса, нестационарность канала, случайные флуктуации комплексных множителей канала, замирания радиосигналов и пр. Реальная эффективность CDMA-систем с негауссовскими каналами во многом определяется достижимыми характеристикам помехоустойчивости, системной емкости и вычислительной сложности используемых алгоритмов и устройств совместной обработки случайного числа сигналов в сложном помеховом комплексе, характерном для современных CDMA-систем.
Обострившийся в последние годы дефицит частотного, энергетического и пространственного ресурса радиоканалов, а также особенности помехового комплекса CDMA-систем требуют использования адекватных моделей вероятностного описания реальных негауссовских помех, обеспечивающих разработку и внедрение новых алгоритмических и технических решений, направленных на повышение эффективности CDMA-систем в интересах надежной передачи интегрального пакетного трафика в сложных и изменчивых условиях информационного взаимодействия пользователей.
Исследованию негауссовских помех, разработке математических моделей и методов помехоустойчивой обработки сигналов в условиях априорной неопределенности посвящены работы Ф.Е.Фальковича, Р.Л.Стратоновича, Ю.Г.Сосулина, Я.Д.Ширмана, Б.Р.Левина, Ю.С.Шинакова, А.П.Трифонова, В.Шварца, О.И.Шелухина, В.И.Тихонова, Ш.М.Чабдарова, Н.З.Сафиуллина, Р.Л.Малахова, Ю.П.Кунченко, И.Г.Карпова, В.А.Шевцова, И.А.Колтунова, И.А.Голяницкого, В.И.Мудрова, М.А.Миронова, В.А.Метлицкого и др.
Для решения задач повышения системной емкости при использовании некоррелированных или слабокоррелированных сигналов активно разрабатываются методы многопользовательского приема сигналов с компенсацией помех MAI. Многопользовательские алгоритмы совместно обрабатывают сигналы пользователей с учетом текущих оценок уровня и структуры MAI, а также оценок вероятностных характеристик каналов связи, обеспечивая повышение качества демодуляции сигналов активных пользователей и повышение пропускной способности сети в целом.
Среди наиболее значимых результатов в разработке теории и приложений многопользовательского приема в классе CDMA-систем нужно указать научные работы М.А.Быховского, А.М.Шломы, В.Б.Крейнделина, В.П.Ипатова, Д.Ю.Панкратова, Е.В.Гончарова, А.В.Гармонова и др., а также работы зарубежных ученых: S.Verdu, R.Lupas, A.Viterbi, A.Duel-Hallen, X.Wang, M.Juntti, J.Holtzman, P.Patel, Z.Zvonar, V.Poor, B. Aazhang, S. Moshavi, D. Divsalar, M. Varanasi, A. Kajiwara, M. Nakagawa, F.Zheng, S.Barton, R.Mueller, S.Miller, A.Rajeswari, P.Stavroulakis, K.Kettunen, T.Wong, G.Xu, Z.Lei, L.Hanzo, M.Honig, и др. В работах указанных авторов изложены вопросы синтеза оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов многопользовательской демодуляции с различными уровнями вычислительной сложности, устойчивых к проблеме «ближний-дальний» для синхронных и асинхронных каналов.
Важно отметить, что для рассматриваемого класса систем обработка входного колебания связана с проблемой определения количественного и качественного состава текущей комбинации полезных сигналов и помех множественного доступа по результатам обработки группового сигнала с последующим выделением битового профиля детектированных сигналов каждого из пользователей.
Указанные обстоятельства позволяют сформулировать актуальную научную проблему и ключевое направление научных исследований - оптимальное многопользовательское разрешение случайного числа сигналов в комплексе внутрисистемных, в том числе негауссовских помех, которые не описываются адекватно отдельными стандартными малопараметрическими распределениями вероятностей. В данной трактовке задача разрешения сигналов адекватна многим актуальным задачам современной теории многоканальной связи и статистической радиотехники, а ее решение в указанных условиях функционирования позволяет повысить емкость CDMA-систем и показатели надежности связи в негауссовских каналах.
Научная проблема заключается в теоретическом обосновании и разработке методов помехоустойчивой обработки сигналов на фоне негауссовских помех в интересах повышения эффективности систем мобильных телекоммуникаций с кодовым разделением каналов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
Объект исследования - широкополосные системы мобильной связи с кодовым разделением каналов.
Предмет исследования - научно-обоснованные методы и технические решения обработки сложных сигналов, позволяющие повысить эффективность работы многоканальных систем сотовой связи с кодовым разделением каналов в негауссовских помехах.
Цель исследования - повышение помехоустойчивости и системной емкости широкополосных CDMA-систем с негауссовскими каналами.
Для достижения поставленной цели научного исследования в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
Разработан комплексный подход к совместному исследованию, анализу и синтезу математических моделей адекватного описания сигнально-помехового комплекса в каналах CDMA-систем, алгоритмов помехоустойчивой обработки сигналов и реализующих их мультипроцессорных вычислительных структур, обеспечивающих сбалансированные с точки зрения «эффективность- вычислительная сложность» алгоритмические и системотехнические решения.
Разработаны оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы и мультипроцессорные устройства полного разрешения многоэлементных сигналов (МЭС) в негауссовских каналах для случайной, детерминированной и квазидетерминированной моделей сигнала на основе полигауссовых (ПГ) и марково-смешанных полигауссовых (МС-ПГ) моделей. Даны оценки эффективности и вычислительной сложности синтезированных алгоритмов разрешения.
Разработаны адаптивные процедуры оценки параметров помехового комплекса в условиях априорной неопределенности, реализованные в структуре алгоритма разрешения сигналов. Разработаны процедуры многоотсчетной обработки коротких групп сигналов для повышения быстродействия и достоверности адаптивных устройств принятия решений по сигналу «в целом».
Выполнен сравнительный анализ линейных и итеративных нелинейных алгоритмов многопользовательского приема и получены оценки их помехоустойчивости и достижимой системной емкости в широком диапазоне моделируемых сигнально-помеховых ситуаций.
Разработаны адаптивные алгоритмы многопользовательского разрешения многоэлементных сигналов на основе синтезированных МС-ПГ алгоритмов разрешения и процедур многопользовательского приема с отсечением MAI, обеспечивающие повышение системной емкости и качества обслуживания интегрального трафика в негауссовских каналах.
Разработаны патентоспособные мультипроцессорные устройства многопользовательского разрешения многоэлементных сигналов, обладающие полиномиальной вычислительной сложностью.
Выполнено комплексное статистическое и имитационное моделирование синтезированных адаптивных алгоритмов и мультипроцессорных устройств многопользовательского разрешения сигналов для близких к реальным сигнально-помеховым ситуациям и получены оценки базовых характеристик эффективности их работы в негауссовских каналах по отношению к известным методам многопользовательской демодуляции.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой работы послужили исследования в области статистической теории связи, статистической радиотехники, теории вероятностных смесей случайных явлений, теории многопользовательского детектирования, теории сложных сигналов, теории статистических решений, а также статистическое компьютерное моделирование на базе специализированного программного обеспечения и программной среды MatLab, полунатурное моделирование на базе специально разработанного программно-аппаратного имитационного комплекса и современных интегрированных инструментальных сред разработки приложений для ПЛИС.
Научная новизна
Разработан комплексный подход к совместному исследованию, синтезу, анализу и моделированию посткорреляционных моделей и методов помехоустойчивой обработки сигналов и реализующих их мультипроцессорных структур, позволяющий оптимизировать общий многоэтапный процесс проектирования устройств помехоустойчивой обработки сигналов в мобильных CDMA-системах с негауссовскими каналами.
Разработаны полигауссовы и марково-смешанные полигауссовы адаптивные алгоритмы и устройства разрешения: детерминированных сигналов на фоне негауссовских помех, произвольно флуктуирующих сигналов и помех, квазидетерминированных сигналов на фоне негауссовских хаотических импульсных помех в условиях априорной недостаточности.
Разработаны адаптивные полигауссовы алгоритмы многопользовательского разрешения с параллельным отсечением помех множественного доступа, обеспечивающие повышение помехоустойчивости и емкости мобильных CDMA-систем в негауссовских каналах.
Разработана классификация способов многопользовательского приема и выполнен сравнительный анализ наиболее эффективных и технически рентабельных решений на базе линейных одношаговых и итеративных квазиоптимальных многопользовательских алгоритмов с отсечением взаимных помех множественного доступа.
Выполнено статистическое моделирование и сравнительный анализ характеристик помехоустойчивости, системной емкости и асимптотической эффективности синтезированных алгоритмов многопользовательского разрешения в широком диапазоне изменяемых вероятностно-временных параметров сигнально-помехового комплекса по отношению к известным методам многопользовательской демодуляции.
Разработан адаптивный мультипроцессорный Poly-PIC приемник, обеспечивающий наилучшие характеристики приема (с точки зрения качества разрешения случайного числа сигналов) для заданных параметров негауссовского сигнально-помехового комплекса и состояния канала связи. Полученный приемник сочетает свойства внутреннего параллелизма, многоканальности, конвейерности, и рекуррентности вычислений с экономичной реализацией на основе быстродействующих ПЛИС и унифицированных программно-аппаратных средствах.
Практическая значимость работы
Разработанные алгоритмы разрешения сигналов в комплексе негауссовских помех приводят к универсальным техническим решениям мультипроцессорных устройств, обладающих полиномиальной вычислительной сложностью и адекватных эффективной реализации на базе однородных вычислительных сред. Разработанные адаптивные квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского разрешения сигналов являются основанием для разработки патентоспособных устройств многопользовательской демодуляции в CDMA-системах, обеспечивающих повышение эффективности их работы в негауссовских каналах.
Полученные оценки эффективности работы разработанных алгоритмов и устройств в широком диапазоне моделируемых сигнально-помеховых ситуаций позволяют выработать практические рекомендации по их применимости в составе базовых станций, а также разработке инженерных методик планирования сетей связи в сложных объектно-помеховых условиях.
Универсальность и единообразие использованных в работе математических моделей и методов обработки сигналов позволяют практически применять полученные результаты при разработке технических устройств различного назначения в широком диапазоне приложений: мобильные и фиксированные телекоммуникации, системы с активным ответом, радиолокация, радионавигация, обработка изображений, широкополосный радиодоступ, идентификация подвижных объектов, медицинская диагностика.
Разработан программно-аппаратный имитационный комплекс, обеспечивающий комплексное моделирование и анализ эффективности широкого класса алгоритмов и устройств обнаружения-различения-разрешения и многопользовательского приема сигналов с использованием современных интегрированных инструментальных сред разработки приложений для ПЛИС и процессоров ЦОС. Разработанный комплекс является универсальным средством повышения эффективности работы разработчиков алгоритмов и аппаратуры современных систем передачи и обработки информации, позволяющим существенно уменьшить временные и финансовые издержки при проведении полунатурных испытаний разрабатываемых изделий.
Основные положения, выносимые на защиту
Проблема оптимального полного разрешения сигналов в мобильных инфокоммуникационных CDMA-системах с негауссовскими каналами, решаемая в рамках комплексного подхода к исследованию, синтезу, моделированию и оптимизации посткорреляционных математических моделей, адаптивных алгоритмов и программно-аппаратных средств помехоустойчивой обработки сигналов в интересах повышения системной емкости и качества обслуживания интегрального трафика.
Оптимальные и квазиоптимальные полигауссовы и МС-ПГ алгоритмы и оригинальные устройства разрешения произвольно флуктуирующих сигналов и помех, детерминированных сигналов и квазидетерминированных многоэлементных сигналов в комплексе негауссовских помех, обеспечивающие выигрыш в помехоустойчивости по сравнению с корреляционным алгоритмом и обладающие многоканальной унифицированной структурой с высокой степенью внутреннего параллелизма, конвейерности и рекуррентности вычислений.
Адаптивный алгоритм разрешения многоэлементных сигналов, учитывающий в реальном времени динамику изменения вероятностных параметров негауссовской помехи. Процедура некогерентной совместной нелинейной обработки векторов отсчетов огибающей входного колебания, обеспечивающая повышение достоверности принимаемых решений по сигналу «в целом» и быстродействия соответствующих адаптивных устройств.
Адаптивный квазиоптимальный алгоритм многопользовательского разрешения сигналов в комплексе внутрисистемных и негауссовских помех, основанный на комбинированных решениях параллельного отсечения взаимных помех с инкапсулированными процедурами полигауссовой адаптивной обработки группового сигнала, обеспечивающий повышение помехоустойчивости и емкости CDMA-систем с негауссовскими каналами по отношению к известным алгоритмам многопользовательской демодуляции.
Результаты статистического и имитационного моделирования линейных и нелинейных итеративных многопользовательских алгоритмов, алгоритмов многопользовательского разрешения сигналов в виде оценок их помехоустойчивости, асимптотической эффективности и достижимой системной емкости в негауссовских каналах при ограничениях на состав, вероятностно-временные и энергетические параметры сигнально-помехового комплекса.
Личный вклад автора. Все основные результаты, составляющие содержание диссертации, включая теоретические и экспериментальные исследования, получены соискателем самостоятельно. Автору принадлежит обоснованная постановка и теоретическая разработка научной проблемы в целом. Автором сформулированы конкретные исследовательские задачи, разработаны методы, алгоритмы и оригинальные мультипроцессорные устройства многопользовательского разрешения сигналов, проведены статистическое и имитационное моделирование разработанных алгоритмов и устройств многопользовательского разрешения сигналов в негауссовских каналах. Результаты экспериментальных исследований и практическое макетирование прототипов устройств выполнены под руководством и непосредственном участии автора.
Основные результаты диссертационной работы внедрены:
в НИР и НИЭР Федерального научно-производственного центра по радиоэлектронным системам и информационным технологиям им. В.И.Шимко; научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках ООО Конструкторское бюро «Навигационные технологии»; проектных работах по развитию 3G-сетей КФ ОАО «Вымпелком» и ОАО «МТС» в РТ, что подтверждается соответствующими актами.
в образовательный процесс по специальностям: 210404 - Многоканальные телекоммуникационные системы; 210402-Средства связи с подвижными объектами и 210304 - Радиоэлектронные системы; при чтении курсов лекций, курсовом и дипломном проектировании, учебных пособиях и учебно-методических комплексах в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы прошли апробацию на следующих научно-технических конференциях и семинарах. 50-я…55-я, 60-я Научная сессия НТО РЭС им.А.С.Попова (Москва, 1995,…, 2000,2005), II-я Всерос. конф. «Распознавание образов и анализ изображений» (Ульяновск, 1995); Межд.НТК «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» (Харьков, 1995); Всерос. конф. «Направления развития систем и средств радиосвязи» (Воронеж, 1996); V-я,…,XVII-я Межд. конф. «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 1999,2001,2007,2009,2011), Межд. конф. по телекоммуникациям IEEE/ICC2001 (С.-Петербург, 2001), Межд. науч.конф. к 95-летию академика В.А.Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова» (Москва,2003), I-я,…,VII-я Межд. научно-практ. конф. «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2003, …, 2009), Межд. конф. и Российская научная школа «Системные проблемы надежности, качества, информационных технологий» (Москва, 2006,2007), VII-я Межд. научно-техн. конф. «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006), VII-я Межд. научно-техн. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007), IX-я Межд. научно-техн.конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», посвященная 100-летию со дня рождения академика В.А.Котельникова (Казань,2008), VI-я Всерос. научно-практ.конф. «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2009), X-я Межд. научно-техн. конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», посвященной 150-летию со дня рождения А.С.Попова (Самара, 2009), V-я Межд. научно-практ. конф. «Авиакосмические технологии и оборудование». (АКТО-2010). (Казань, 2010).
Публикации. Включенные в диссертацию научные результаты опубликованы в 43 печатных работах, в том числе 15 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ, 7 патентах и одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 286 наименований и трех приложений на 74 стр., в том числе акты, подтверждающие внедрение и использование результатов исследований. Основной текст диссертации изложен на 300 стр. и содержит 76 рис.
