Содержание к диссертации
Список основных сокращений 4
Введение 6
Системный анализ проблем использования шумоподобных сигналов
в современных спутниковых и наземных персональных системах связи 20
Анализ назначения и характеристик шумоподобных сигналов, применяемых в радиосистемах с многостанционным доступом
Сравнительный анализ ускоренных алгоритмов обнаружения-
Постановка задачи исследования и обоснование структуры диссертации 72
Совместные синтез ускоренных алгоритмов обработки сложных
. Постановка задачи 81
. Алгоритм преобразования р-ичных М-последовательностей в функции Виленкина-Крестенсона 83
Алгоритм приведения сегмента;?-ичной М-последователь-
Обобщенный алгоритм факторизации усеченной и прореженной
Оптимальные алгоритмы усечения матрицы Ф-В-К-Кронекера
Обобщенный алгоритм факторизации усеченной и прореженной
Факторизация усеченных матриц Адамара 100
Сопоставление ускоренных алгоритмов обнаружения сегментов
Эффективность ускоренных алгоритмов обнаружения сложных
Исследование вероятностных характеристик представлений
Постановка задачи 119
Разработка методики анализа энергетических спектров двоичных псевдослучайных последовательностей в
Разработка методики анализа энергетических спектров
Спектральные плотности мощности СлС при частотной
Типичные виды энергетических спектров ПСП 138
Анализ плотностей вероятностей энергетических спектров ПСП 138
Моменты распределения энергетического спектра ПСП 144
Моменты распределения энергетических спектров ПСП,
Разработка методов исследования и анализ помехоустойчивости устройств корреляционной обработки сложных сигналов на фоне
Разработка метода анализа и исследование длительности времени
Постановка задачи 209
Разработка методики анализа и исследование длительности
Разработка методов исследования и анализ эффективности
Постановка задачи 227
Разработка метода анализа и исследование характеристик интермодуляционных помех, образующихся
Анализ эффективности использования мощности нелинейного ретранслятора в системах передачи
Исследование характеристик интермодуляционных помех, образующихся при нелинейной ретрансляции сложных
Разработка методики анализа нропускной способности
Разработка структурных схем устройств формирования и
Анализ сигнально-кодовых конструкций, применяющихся
Разработка методики расчета сигнально-кодовых конструкций
Разработка структурных схем передатчиков АС и Ст.Сопр.
Разработка структурных схем приемников АС и Ст.Сопр.
Во-первых, спутниковые технологии 3G в настоящее время находятся в стадии разработки, и имеется пять предложений по их созданию: SW-CDMA и SW-CTDM Европейского космического агентства (ESA); ICO RTT - ICO Global Communications; SAT-CDMA (Южная Корея); Horizons (Инмарсат), четыре из которых предполагают использование МДКР. Кроме того, в настоящее время функционирует спутниковая ПСС Globalstar, в которой МДКР осуществляется на основе стандарта IS-95, относящегося ко второму поколению стандартов мобильной телефонной связи. Естественным развитием стандарта IS-95 является стандарт третьего поколения cdma-2000, на основе которого предполагается дальнейшее развитие и совершенствование спутниковой ПСС Globalstar. Таким образом, технологии радиосвязи с использованием МДКР получили в настоящее время международное признание. Вместе с тем, отечественные спутниковые ПСС с МДКР предназначены в основном для специального использования. Они не могут широко применяться в коммерческих целях, поскольку находятся на предельном уровне нагрузки, и необходимо как повышение их ресурса, так и разработка новых ПСС, которые могут эффективно использоваться как в коммерческих целях, так и для решения задач двойного применения.
Во-вторых, в современных радиотехнических системах и устройствах цифровая обработка сигналов с помощью микропроцессоров и микро-ЭВМ занимает ведущие позиции, поскольку предоставляет уникальные возможности по совершенствованию и оптимизации всей процедуры выделения полезной информации. В связи с этим возникает необходимость в разработке новых цифровых методов обработки СлС, реализуемых в виде микроэлектронных вычислительных устройств.
В третьих, в течение ряда лет работа велась в соответствии с тематическими планами хоздоговорных НИР Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ), а с 1986 г. она выполняется по заданиям предприятий: НПО Заря, МНИРТИ, МНИИРС, МНИИРС-Ц, НПО Элас, УГП НПЦ "СПУРТ", НИИ Радио. Проведенные исследования использовались в совместной работе с МНИИРС для Главного управления промышленности средств связи государственного комитета РФ по оборонным отраслям промышленности в соответствии с решениями Государственной комиссии по электросвязи середины 90-х годов и, в частности, №134 от 1 ноября 1995 г. "О подготовке программы разработки и внедрения универсальной сотовой системы с кодовым разделением каналов для создания наземных и спутниковых сетей связи двойного назначения".
необходимо произвести совместную разработку ускоренных алгоритмов обнаружения-различения СлС и их больших ансамблей, таких, чтобы любая совокупность СлС из ансамбля могла быть обнаружена с использованием алгоритма максимального правдоподобия, вычислительная сложность которого минимальна, по сравнению с другими известными алгоритмами, при допустимых значениях вероятностных характеристик обнаружения;
разработать методы анализа помехоустойчивости новых оптимальных и квазиоптимальных ускоренных цифровых алгоритмов обнаружения-различения СлС при воздействии структурных широкополосных и узкополосных, а также импульсных и флуктуационных помех;
разработанные алгоритмы цифровой обработки СлС базируются на обоб- щен-ном спектральном анализе, т.е. представлении СлС в новых синтезиро- ^ ванных системах квазибазисных функций конечномерного векторного пространства; поэтому для анализа характеристик эффективности соответствующих устройств обработки СлС при рассогласованиях опорных и принимаемых сигналов не только по времени, но и по частоте, необходимо разработать метод анализа и произвести исследование характеристик спектров СлС как в новых системах векторных функций, представляющих собой базисные или квазибазисные системы конечномерного векторного пространства, так и в системе дискретных экспоненциальных функций, являющихся дискретными аналогами гармонических функций;
произвести оптимизацию и исследование характеристик многоэтапных алгоритмов синхронизации СлС с большими базами по времени и частоте при больших рассогласованиях примаемых СлС относительно опорных СлС; на первом этапе производится обнаружения принимаемых СлС с использованием ускоренных спектральных преобразований, на основе их представления в двух системах базисных или квазибазисных функций конечномерного векторного пространства - "временной" и "частотной"; последующие этапы синхронизации включают оценку частоты, фазы и временного смещения принимаемого СлС относительно опорного в кольцах слежения по частоте и задержке с перекрестными связями;
произвести системный анализ аспектов применения разработанных алгоритмов обработки СлС в спутниковых персональных системах связи и, в частности, произвести анализ характеристик эффективности спутниковых радиоканалов при учете применения новых алгоритмов обработки СлС и соответствующих им структурных схем устройств.
методов теории вероятностей и математической статистики (обнаружение и оценивание на основе критерия максимального правдоподобия);
теории обобщенного спектрального анализа сигналов, заданных на конечных интервалах, их ортогональных разложений и методов цифровой обработки;
абстрактной алгебры и теории абстрактных пространств (теории конечномерных полей и мультипликативных групп, теории полей Галуа);
Синтезированы новые системы квазибазисных функций конечномерного комплекснозначного р-ичного и двоичного векторного пространства, а также соответствующие им алгоритмы быстрых спектральных преобразований, вычислительная сложность которых соответствует обобщенному быстрому преобразованию Фурье в базисе функций Виленкина-Крестенсона (Ф-В-К) или для двоичного пространства - быстрому преобразованию Адамара в базисе функций Рида-Мюллера (Ф-Р-М) соответствующей размерности; новые квазибазисы являются результатами усечения и прореживания базисов Ф-В-К и Ф-Р-М больших размерностей, и поэтому были названы базисами типа Ф-В-К и типа Ф-Р-М, а соответствующие им новые быстрые преобразования - преобразованиями типа быстрого преобразования Фурье и типа быстрого преобразования Фурье-Адамара.
Исследованы свойства и характеристики новых систем квазибазисных функций конечномерного векторного пространства и новых соответствующих им быстрых спектральных преобразований, т.е. свойство асимметричности, характеристики квазиортогональности квазибазисных функций, верхние границы вычислительной сложности. Показано, что эти границы соответствуют MlogpN, где М - размерность пространства, если она больше числа квазибазисных функций, либо М - число квазибазисных функций, если оно превышает размерность пространства; N - размерность пространства из базисных функций которого синтезированы новые квазибазисы меньшей размерности.
Разработаны алгоритмы преобразований новых синтезированных квазибазисных функций конечномерного векторного пространства в сегменты /?-ичных или двоичных линейных рекуррентных последовательностей (ЛРП) максимального периода; начальные блоки сегментов соответствуют номерам квазибазисных функций при их нумерации в базисах Ф-В-К и Ф-Р-М, использовавшихся при синтезе новых квазибазисов; показано, что новые квазибазисы и сегменты ЛРП максимального периода связаны преобразованием типа перестановки столбцов в случае использования их представления в виде матриц; это позволяет вычислять суперпозиции взаимно корреляционных функций ансаблей ПСП из сегментов ЛРП максимального периода с использованием одного из новых быстрых спектральных преобразований, т.е. с вычислительной сложностью на несколько порядков меньшей, чем при традиционном параллельно-последовательном корреляционном алгоритме для типичных длин сегментов и количества вычисляемых значений корреляционных функций.
Проведенные исследования позволили разработать алгоритмы ускоренного вычисления корреляционных функций сложных сигналов, сложность которых соответствует однократному быстрому преобразованию Фурье (БПФ) или быстрому преобразованию Адамара (БПА) этих сигналов.
Выявлены качественные и количественные взаимосвязи между представлениями СлС в различных конечномерных системах квазибазисных функций конечномерного векторного пространства и характеристиками корреляционных функций псевдослучайных последовательностей (ПСП), используемых при их формировании.
На основе разработанных в диссертации методов ускоренной цифровой обработки СлС с большими базами предложены конкретные варианты построения как новых ПСС с МДКР, так и варианты модификации функционирующих отечественных ПСС, позволяющие значительно повысить эффективность их работы на основе снижения более чем на два порядка мощности синхросигналов и адресных СлС, используемых абонентами в процессе вхождения в связь. При этом высокая точность синхронизации абонентской станции со станцией сопряжения по времени до нескольких десятков не, а по частоте до двухсот Гц обеспечивается за десятые доли секунды независимо от радиуса орбиты спутниковой группировки; при этом полезная пропускная способность спутниковых радиоканалов в ПСС второго поколения повышается в среднем на 20-25%, по сравнению со случаем использования традиционных алгоритмов обработки сигналов; аналогичное повышение пропускной способности радиоканалов ПСС третьего поколения может достигать 50% и более.
Для спутниковых мобильных ПСС разработаны методы анализа и получены количественные оценки длительности времени вхождения в синхронизм аппаратуры обработки сложных сигналов и пропускной способности спутниковых радиоканалов (т.е. допустимого числа одновременно действующих абонентов при заданной скорости и качестве передачи информации) на фоне совокупности помех при использовании новых алгоритмов ускоренной обработки СлС.
Методика и результаты сравнительного анализа эффективности ускоренных алгоритмов обнаружения сложных сигналов с большими базами на фоне шумовых помех в соответствии с методом максимального правдоподобия, к которым относятся: параллельно-последовательный корреляционный алгоритм, по- лихотомический алгоритм поиска сложных сигналов на основе последовательностей быстрого поиска (ИБП) Титсворта, модификации алгоритма Уорда, обнаружение сложных сигналов на основе М-последовательностей с использованием быстрого преобразования Адамара.
Метод, позволяющий синтезировать новые системы квазиортогональных векторных функций типа функций Виленкина-Крестенсона и Рида-Мюллера и соответствующие им новые асимметричные алгоритмы быстрых спектральных преобразований типа быстрого преобразования Фурье и типа быстрого преобразования Фурье-Адамара.
Метод, позволяющий разработать новые ансамбли сложных сигналов на основе сегментов линейных рекуррентных последовательностей максимального периода, суперпозиции корреляционных функций которых могут быть вычислены на основе новых быстрых спектральных преобразований.
Метод синхронного многостанционного доступа с кодовым разделением абонентов и соответствующий ему способ кодовой адресации абонентов на основе сегментов линейных рекуррентных последовательностей максимального периода и ускоренные методы вычисления суперпозиций корреляционных функций этих сегментов.
Методика и результаты анализа эффективности применения новых ускоренных алгоритмов максимального правдоподобия для обнаружения-различения сложных сигналов в спутниковых мобильных персональных системах связи, т.е. длительности времени вхождения в связь с вызываемым абонентом при заданных высоких вероятностных характеристиках обнаружения-различения сигна- 19
на основе кодового разделения 20
различения сложных сигналов 42
Выводы 79
сигналов и выбор псевдослучайных последовательностей для их
формирования 81
ности к прореженной функции Виленкина-Крестенсона 89
матрицы Ф-В-К-Кронекера 91
и быстрое преобразование Фурье в базисе Ф-В-К-К 93
матрицы Адамара 96
М-последовательностей больших длин по вычислительной сложности 109
сигналов при реализации синхронного МДКР 110
Выводы 117
сложных сигналов в конечномерных системах функций 119
базисе дискретных экспоненциальных функций 121
четверичных ПСП 131
манипуляции с минимальным сдвигом 133
полученные на основе компьютерного моделирования 148
Выводы 158
совокупности помех 160
4.1 . Анализ характеристик подавления узкополосных, широкополосных структурных и флуктуационных помех
в устройствах корреляционной обработки сложных сигналов 160
Анализ эффективности функционирования устройств корреляционной обработки сложных сигналов на фоне
совокупности помех в СПСС 171
Синтез алгоритма подавления помех при обработке сложных
сигналов 180
Подавление совокупности узкополосных помех с неизвестными параметрами в устройствах
корреляционной обработки сложных сигналов 194
Выводы 207
вхождения в синхронизм аппаратуры обработки сложных сигналов
в СПСС 209
времени вхождения в синхронизм приемника СлС 216
Выводы 226
спутниковых ПСС с МДКР 227
при нелинейной ретрансляции сложных сигналов 228
информации с МДКР 248
сигналов, с использованием компьютерного моделирования 256
ствола спутникового ретранслятора при МДКР и МДЧВР 260
Выводы 280
обработки сложных сигналов для спутниковых персональных
систем связи 282
в ВСПСС с синхронным МДКР 282
линий связи АС-Ст.Сопр. 284
для СПСС и ВСПСС 285
для СПСС и ВСПСС 299
Выводы 314
Основные результаты работы 315
Литература 321
Акты о внедрении 347
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
Аб Пер - абонентский передатчик
Аб Пр - абонентский приемник
Аб Пр-Пер - абонентский приемо-передатчик
АКФ - автокорреляционная функция
АПАКФ - апериодическая автокорреляционная функция
АПВ - автоматическая подстройка времени
АПВКФ - апериодическая взаимно корреляционная функция
АС - абонентская станция
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
БПА - быстрое преобразование Адамара
БПФ - быстрое преобразование Фурье
БС - базовая станция
БФ - блок формирования
ВкНБ - включение начального блока
ВКФ - взаимно корреляционная функция
ВОП - вновь образованная последовательность
Вр.дискр. - временной дискретизатор
ВСПСС - высокоскоростная спутниковая персональная система связи
ВЧ - высокая частота
Ген. - генератор
ГПГ - генератор поля Галуа
ГТИ - генератор тактовых импульсов
ДАКФ - двумерная автокорреляционная функция
ДВКФ - двумерная взаимно корреляционная функция
ДКФ - двумерная корреляционная функция
ДЭФ - дискретные экспоненциальные функции
ЗР - земной ретранслятор
ЗУ - запоминающее устройство
К - коммутатор
Кв - квадратурный (подканал)
Кл - ключ
КОФ - квазиортогональные функции КС - канал синхронизации КФ - корреляционная функция ЛЗ - линия задержки
ЛРП - линейная рекуррентная последовательность МДКР - многостанционный доступ с кодовым разделением МИВКФ - меандро инвертированная взаимно корреляционная функция МП - М-последовательность
МЧ-МДКР - многочастотный МДКР, при котором метод прямого расширения спектра сочетается с частотным дублированием НЦ - накопитель цифровой ОРП - ортогональное разнесение на передаче ПАКФ - периодическая автокорреляционная функция ПБП - последовательности быстрого поиска ПВКФ - периодическая взаимно корреляционная функция ПСП - псевдослучайная последовательность ПСС - персональная система связи ПФ - полосовой фильтр
ПЧ - промежуточная частота
РМ - Рида-Мюллера (последовательность)
РСлС - результирующий сложный сигнал
РСОС - регистр сдвига с обратными связями
РТР - ретранслятор
РУ - решающее устройство
С - синфазный (подканал)
СЗ - схема захвата
СИНХ - синхросигнал
СлС - сложный сигнал
СП - случайная последовательность
СПМ - спектральная плотность мощности
СПСС - спутниковая персональная система связи
СР - спутниковый ретранслятор
Ст.Сопр. - станция сопряжения
СтХ - статистическая характеристика
СхП - схема подтверждения
СЧ - счетчик
УВКН - устройство выделения квазикогерентной несущей УВОС - устройство выделения опорного сигнала УГ - управляемый генератор УзП - узкополосная помеха
УИАС - устройство идентификации абонентской станции
УКО - устройство корреляционной обработки
УКССлС - устройство квазикогерентного суммирования СлС
УОИС - устройство обработки информационного сигнала
УОН - устройство определения номера
УОСлС - устройство обработки сложного сигнала
УПВ - устройство перевода на видеочастоту
УПП - устройство подавления помех
УСЗ - устройство слежения за задержкой
УУОС - устройство ускоренного обнаружения сигнала
УУОСС - устройство ускоренного обнаружения синхросигнала
УЭ - управляющий элемент
ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты
Ф-В-К - функции Виленкина-Крестенсона
Ф-В-К-К - функции Виленкина-Крестенсона, упорядоченные по Кронекеру ФМн - фазовая манипуляция ФНЧ - фильтр нижней частоты Ф-Р-М - функции Рида-Мюллера
ЧМн-МС - частотная манипуляция с минимальным сдвигом
ШП-МДКР - многостанционный доступ с кодовым разделением на основе шумоподобных сигналов с прямым расширением спектра ШПС - шумоподобный сигнал
Введение к работе
Одно из основных направлений развития современных наземных и спутниковых мобильных персональных систем связи (ПСС) базируется на разработке и внедрении методов многостанционного доступа с использованием кодового разделения шумоподобных сложных сигналов (СлС) абонентов [1,6,7,16,18-20,128,137,140154,205,246,260,264-269,317-319,321-324]. Их применение позволяет обеспечить высокоэффективное использование спектра частот, высокую помехоустойчивость устройств обработки сигналов, скрытность и конфиденциальность передачи информации при воздействии всей совокупности структурных широкополосных и узкополосных помех при наличии замираний в радиоканалах, обусловленных как условиями распространения сигналов, так и многолучевостью каналов связи [1,3,4,8,16,8587,144,161,180].
Основные задачи этого направления включают синтез или выбор типов применяемых СлС и сигнально-кодовых конструкций на их основе в зависимости от условий функционирования ПСС, а также разработку оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов и устройств их поиска по времени и частоте, синтез алгоритмов и устройств слежения за временным смещением, частотой и фазой СлС, а также эффективных квазикогерентных алгоритмов обработки информационных СлС на фоне всей совокупности возможных помех.
Известные способы решения указанных задач предложены в работах И.Н. Ами- антова, Л.В.Варакина, А.Г.Зюко, В.П.Ипатова, В.В.Калмыкова, В.И.Коржика, К.А.Мешковского, В.Б.Пестрякова, М.Б.Свердлика, А.А.Сикарева, Н.И.Смирнова, Г.И.Тузова, И.М.Теплякова, М.С.Ярлыкова и др., а также зарубежных авторов Р.Баркера, А.Витерби, Г.Велти, С.Голомба, Р.Диксона, Д. Сарвате, Д.Спилкера, Г.Турина, Р.Уорда, Х.Хармута и др. [1-5,8-10,14-16,59-66,70,99,113,144,115,119, 127,129,145,173,175,180,199,202,204,242,244,248,250,252,272,304,317].
Таким образом, к настоящему времени решены задачи статистического синтеза алгоритмов и многокритериального выбора соответствующих им структурных схем устройств обработки СлС, обладающих высокой помехоустойчивостью при воздействии комплекса шумовых, структурных, сосредоточенных, узкополосных, импульсных, взаимных, имитационных, ретрансляционных и др. помех. Они ориентированы на обеспечение минимума полной вероятности ошибок при обработке информационных СлС, которой характеризуется качество приема дискретных сообщений, и в большинстве случаев обладают одновременно высокой функциональной устойчивостью.
Важнейшее направление повышения эффективности ПСС с многостанционным доступом на основе кодового разделения (МДКР) основывается на повышении точности синхронизации применяемых СлС по времени и частоте в сочетании с кодовой адресацией миллионов абонентов; при этом объемы ансамблей СлС составляют миллионы, а их базы - десятки и сотни тысяч. Это позволяет повысить пропускную способность многолучевых радиоканалов на основе измерения с высокой точностью параметров СлС в условиях многостанционного доступа с кодовым разделением при работе в общей полосе частот одновременно десятков или сотен абонентов из общего их числа, составляющего несколько сотен тысяч или миллионов [1,4,7,16,19,20].
В современных спутниковых ПСС значения базы синхросигналов составляют сотни тысяч [7,16,138-140,225,226], что позволяет существенно улучшить показатели их качества, т.е длительность времени вхождения в связь с вызываемым абонентом и допустимое число одновременно действующих абонентов при требующемся высоком качестве и конфиденциальности связи. Это объясняется тем обстоятельством, что такие синхросигналы задают собственные шкалы времени как станций сопряжения, так и абонентских станций, т.е. определяют границы кадров и тактов, за которыми может производиться непрерывное слежение в приемниках, в том числе и при снижении мощности синхросигналов в паузах речи более чем на порядок. В результате, обеспечивается высокая точность синхронизации станций сопряжения и абонентских станций как по времени, так и по частоте, поскольку оказывается возможным высокоточное измерение в приемниках временного и частотного смещений принимаемых синхросигналов сотен одновременно действующих абонентов относительно друг друга и относительно местных шкал в условиях многолучевого распространения сигналов на фоне как внешних, так и внутрисистемных помех, т.е. от сотен абонентов, функционирующих одновременно в общей полосе частот.
В этом случае для обнаружения адресных СлС по методу максимального правдоподобия при аппроксимации взаимных помех флуктуационным шумом требуется лишь вычисление суперпозиций корреляционных функций этих СлС, каждая из которых вычисляется при известном смещении по времени и частоте опорного и принимаемого СлС, т.е. лишь в одной точке. Однако количество значений корреляционных функций, которые необходимо вычислить, соответствует общему числу абонентов в ПСС, т.е. может достигать нескольких миллионов. С учетом этого обстоятельства, а также характеристик типичных внешних и взаимных помех в ПСС, установлено, что для обеспечения требующихся высоких вероятностных характеристик обнаружения адресных СлС их базы, как и базы синхросигналов, могут составлять десятки тысяч.
В дальнейшем двухэтапная процедура обнаружения-различения СлС, когда на первом этапе измеряются относительные смещения по времени и частоте одинаковых по структуре синхросигналов абонентов, а на втором этапе обнаруживаются адресные СлС с известными задержками по времени и частоте, называется синхронным МДКР. Его реализация на практике требует применения СлС с большими базами, составляющими десятки и сотни тысяч, а также разработки сигнально-кодовых конструкций, обеспечивающих совмещение в общей полосе частот синхросигналов, адресных СлС и информационных СлС сотен одновременно действующих абонентов из общего их числа, составляющего сотни тысяч и миллионы. При этом требующееся быстродействие аппаратуры обработки таких СлС превышает сотни миллиардов операций в секунду в случае использования традиционных алгоритмических методов, т.е. реализуемых с использованием согласованных фильтров и корреляторов.
Это обстоятельство требует введения ограничений как на величину базы обрабатываемых СлС, так и на объем их ансамбля, что существенно снижает показатели эффективности ПСС. Так, например, все абоненты ПСС могут входить в связь с использованием одной и той же или нескольких адресных СлС, т.е. адресных СлС доступа, случайно выбираемых из некоторой их совокупности [7,138-140]. В этом случае лишь в процессе вхождения в связь назначаются адресные СлС, которые в дальнейшем используются абонентами при передаче полезной информации вместе с информационными СлС. При этом процедура вхождения в связь в мобильных ПСС осуществляется не только активными абонентами, но должна время от времени осуществляться всеми абонентами с целью регистрации на станции сопряжения и снижения нагрузки в каналах персонального вызова.
В этом случае мощность синхросигналов и адресных СлС доступа, а затем и информационных СлС, используемых в процессе вхождения в связь в том числе и для передачи номера абонента, должна быть соизмерима с мощностью информационных СлС абонентов, уже ранее вошедших в связь, или даже превосходить ее. Это объясняется тем обстоятельством, что на этапе вхождения в связь, вплоть до назначения адресных СлС, оказывается невозможным реализовать эффективную обработку многолучевых сигналов, обеспечить компенсацию взаимных помех, переход из одной зоны обслуживания в другую без перерывов в связи и т.д. Тогда, учитывая то обстоятельство, что при вхождении в связь используется та же полоса частот, что и при обмене полезной информацией между абонентами с помощью станции сопряжения, получаем, что эта станция вынуждена постоянно контролировать текущее количество абонентов, входящих в связь. Основная цель такого контроля состоит в необходимости предотвращения сбоев при передаче полезной информации и необходимости удержания отношения сигнал/помеха на входах приемников абонентов в заданных пределах. При этом, если в настоящее время в случае максимальной загрузки радиоканала число абонентов, входящих в связь, составляет 10. ..15% от общего числа действующих абонентов, и они снижают пропускную способность радиоканалов в среднем на 25%, то в ПСС третьего поколения при передаче данных в компьютерных сетях снижение пропускной способности в информационных каналах может достигать 50% и более, т.к. такие абоненты будут вынуждены поддерживать режим синхронизации со станцией сопряжения в течение всего промежутка времени, когда может потребоваться связь, т.е. в течение нескольких часов. Это объясняется тем обстоятельством, что требующаяся длительность времени установления связи в компьютерных сетях должна быть менее секунды, в то время как в современных спутниковых ПСС с МДКР она составляет от нескольких секунд до нескольких десятков секунд [7,18,19,20,138-140,225,226].
Поэтому требуется разработка ускоренных цифровых алгоритмов обработки СлС, позволяющих в реальном масштабе времени вычислять суперпозиции корреляционных функций миллионов СлС с базами, составляющими десятки и сотни тысяч. В этом случае при снижении длительности времени вхождения в связь до десятых долей секунды возможно одновременное снижение мощности синхросигналов и закрепленных за каждым из абонентов адресных СлС на несколько порядков при сохранении высоких вероятностных характеристик их обнаружения-различения. При этом повышение полезной пропускной способности спутниковых радиоканалов, т.е. при обмене полезной информацией между абонентами, составит не менее 3 дБ в ПСС с мобильными абонентскими станциями, имеющими мощности передатчиков порядка нескольких Вт и штыревые антенны. В результате такие ПСС будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к ПСС третьего поколения. В частности, полезная пропускная способность радиоканала в одном луче антенны спутникового ретранслятора, превысит 2 Мбит/с в полосе частот с шириной порядка 16МГц, что не позволяют обеспечить спутниковые ПСС второго поколения с малыми абонентскими станциями и МДКР. Отметим, что относительно невысокая пропускная способность спутниковых ПСС объясняется энергетическими характеристиками их радиоканалов с малыми абонентскими станциями, и не может быть увеличена, например, при использовании другого метода многостанционного доступа.
Дополнительное повышение пропускной способности не менее чем на 3...4 дБ может быть достигнуто при увеличении длин информационных псевдослучайных последовательностей (ПСП). Последнее при требующейся скорости передачи информации в выделенной полосе частот обеспечивается как использованием многофазных СлС, формируемых на основе/?-ичных ПСП прир=4,8,16,32, когда увеличивается длина эквивалентных двоичных ПСП, так и на основе т-ичного ортогонального кодирования двоичных информационных импульсов с использованием ПСП, ортогональных в точке, в сочетании с реализацией алгоритмов компенсации взаимных помех информационных СлС [130,138-140,144,145147-151]. Эти алгоритмы будут более эффективными при одновременном синхронном МДКР, поскольку из-за квазикогерентной обработки СлС с большими базами уменьшается уровень их взаимных помех и повышается точность оценки параметров, в том числе - и мощностей СлС на фоне помех.
Наибольший вклад в развитие теории ускоренной обработки СлС с большими базами внесли Д. Спилкер, Титсворт, Р. Уорд, В.В. Лосев, Л.Е. Варакин, Г.И.Тузов, Н.В. Семаков, В.А.Зиновьев, Г.В.Зайцев, Л.В.Канатова, В.А. Сивов [8,15,57,58, 104,112,208,.274,275,281-283]. Однако во всех известных алгоритмах вычисляется одномерная автокорреляционная функция лишь одного СлС с большой базой. Гораздо меньше развиты ускоренные алгоритмы, обеспечивающие "разделение" СлС по форме, т.е. алгоритмы совместного обнаружения неизвестного числа СлС из большого их ансамбля.
Анализ публикаций в этой области показал отсутствие как теоретических, так и практических результатов по разработке ускоренных методов вычислений суперпозиций десятков, сотен тысяч или миллионов двумерных корреляционных функций (ДКФ) СлС с большими базами.
Таким образом, настоятельная потребность в применении новых высокоэффективных систем связи требует разработки перспективных ускоренных алгоритмов обработки СлС, позволяющих использовать в системах их обнаружения и синхронизации ранее не учитываемые ресурсы.
Основная проблема, решаемая в диссертационной работе
Необходимо обеспечить повышение показателей качества спутниковых ПСС с МДКР и малыми абонентскими станциями (т.е. снизить длительность времени вхождения в связь в таких ПСС до десятых долей секунды и одновременно повысить полезную пропускную способность каждого спутникового радиоканала, организуемого в одном луче антенны спутникового ретранслятора, не менее чем до 2 Мбит/с в полосе частот с шириной порядка 16МГц) на основе разработки новых алгоритмов максимального правдоподобия ускоренной цифровой обработки СлС с большими базами, реализуемых в виде функционально законченных микроэлектронных вычислительных устройств.
Следует подчеркнуть, что требования к характеристикам спутниковых радиоканалов выше формулирутся для мобильных ПСС с мощностями передатчиков абонентских станций не более нескольких Вт и штыревыми антеннами.
Актуальность проблемы
Она обусловлена тремя причинами.
Цель и задачи работы
Целью работы является теоретическое обобщение и решение научно-прикладной проблемы, заключающейся в реализации возможностей многоканальной ускоренной цифровой обработки СлС с большими базами в системах обнаружения-различения и синхронизации для повышения показателей качества спутниковых ПСС с МДКР.
Достижение этой цели связано с решением совокупности задач:
Весь комплекс вышеперечисленных актуальных задач характеризуется как теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, направленной на повышение качества функционирования и помехоустойчивости спутниковых мобильных персональных систем связи.
Методы исследований
Теоретические и практические результаты диссертации базируются на использовании:
теории матриц и квадратичных форм.
Научные результаты и их новизна
Практическая ценность
2. Разработанные алгоритмы и программы, моделирующие функционирование ^ устройств ускоренной цифровой обработки СлС, а также программы, предназначающиеся для анализа эффективности этих устройств при действии совокупности помех, используются в ряде предприятий (НПО "Элас", УГП НПЦ "Спурт", МНИРТИ, МТУ СИ).
В ходе работы над диссертацией в отраслевой научно-исследовательской лаборатории МТУ СИ при непосредственном участии диссертанта был создан ряд высокоэффективных алгоритмов и соответствующих им устройств обработки СлС. Эти разработки внедрены на предприятиях НПО "Элас", УГП НПЦ "Спурт", МНИРТИ, НИЧ МТУСИ, в учебный процесс МИЭТ, что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы
Материалы диссертации с 1987 по 2001 год обсуждались в 63 докладах на 24 Всесоюзных, Всероссийских и международных НТК, семинарах и симпозиумах. В том числе:
на Всесоюзной научной сессии, посвященной дню Радио, в Москве в 1989 г. и в 1995 г.;
на Всесоюзных научно-технических семинарах "Статистический синтез и анализ информационных систем" в Москве в 1987 г., в Ульяновске в 1989 г. и в Черкассах в 1992 г.;
на 9 Всесоюзной НТК по теории кодирования и передаче информации в Одессе в 1988 г.;
на НТК "Формирование сложных сигналов" в Суздале в 1988 г.;
на Всесоюзной НТК "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования сигналов и их обработки" в Риге в 1989 г.;
на Всесоюзной НТК "Интегральные информационные системы" в Москве в 1989 г.;
на 1-ой и 2-ой Всесоюзных НТК "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей" в Харькове в 1989 ив 1991 г.г.;
на Международном симпозиуме "Спутниковая связь: реальность и перспективы" в г. Одессе в 1990 г. и в Москве в 1996 г.;
на Всесоюзной НТК "Компьютерные методы исследования проблем теории и техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам " в Евпатории в 1990 г.;
на НТК, посвященной дню Радио, "Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи" в Санкт-Петербурге в 1992 г.;
на НТК "Повышение качества и эффективности устройств синхронизации в системах связи" в Ярославле в 1993 г. и в 2000 г.;
на 2-ой, 3-ей, 5-ой и 6-ой Межрегиональных НТК "Обработка сигналов в системах двухсторонней телефонной связи в Москве и в Пушкино в 1993, 1995, 1996 и в 1997 г.г.;
на 3-ей Всероссийской НТК "Теория цепей и сигналов" в 1996 г.;
на Всероссийской НТК "Направления развития систем и средств радиосвязи" в Воронеже в 1996 г.;
на 2, 3, 4 и 5 Бизнес-форуме "Мобильные системы: Международная конференция: направления развития и новейшие технологии подвижной связи в России и СНГ" в Москве в 1997, 1998, 1999 и 2000 г.г.;
на НТК "Радио и волоконнооптическая связь, локация и навигация" в Воронеже в 1997 г.;
на 5-ой Всероссийской НТК "Повышение эффективности методов и средств обработки информации" в Тамбове в 1997 г.;
на НТК "Сети связи и сетевые технологии" в Суздале в 1997 г.;
на НТК "Спутниковые системы связи и навигации" в Красноярске в 1997 г.,
на 1-ой и 2-ой Международных конференциях "Цифровая обработка сигна-лов и ее применение" в 1998 г. и в 1999 г. в Москве;
на Международной НТК "Информационные технологии в науке, образова-нии, телекоммуникации, бизнесе и охране природных ресурсов" в Гурзуфе в 1999 г.;
на Международном форуме информатизации "Информационные процессы, технологии, системы, коммуникации и сети" в Москве в 1995...2000 г.г.;
на 3,4, 5 международных конференциях "Satellite communications" в Москве в 1998, 1999, 2000 г.г.;
на конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1987...2001 г.г.
Тезисы и содержание докладов опубликованы.
Публикации по работе
По теме диссертации опубликовано 91 печатная работа, в том числе 28 статей в HT журналах и сборниках, 63 печатных тезисов докладов на НТК, семинарах и симпозиумах и одно учебное пособие (изд. МТУСИ). Основные научные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в следующих периодических НТ изданиях, выпускаемых издательствами по списку, утвержденному ВАК: Радиотехника и электроника (5 статей), Радиотехника (4 статьи), Электросвязь (8 статей); Радиоэлектроника (Изв.вузов) (3 статьи), Зарубежная радиоэлектроника (1 статья), Труды учебных институтов связи (1 статья), Техника средств связи (1 статья), Технологии и средства связи (1 статья).
Основные положения, выносимые на защиту.
лов, а также пропускной способности спутниковых радиоканалов при требующемся качестве связи.- 6. Метод и результаты анализа характеристик представлений сложных сигналов в системах базисных и квазибазисных функций конечномерного векторного пространства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка, включающего 333 наименования и приложения, содержащего документы о внедрении результатов диссертации. Она содержит 350 страниц машинописного текста, в том числе 287 страниц основного текста и 63 страницы рисунков и таблиц.
