Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ 2
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 7
Введение 8
1.0 Анализ известных методов и алгоритмов демодуляции и фильтрации параметров канала связи20
1.1 Обобщенная модель канала в системе беспроводной связи 20
1.1.1 Модель канала в системе CDMA 20
Случай однолучевой синхронной модели 21
Случай однолучевой асинхронной модели 22
Случай многолучевой асинхронной модели 25
1.1.2 Модель канала в системе с линейным STC 27
Случай BLAST 28
Случай схемы Аламоути 30
Общий случай 32
1.2 Демодуляция дискретных сигналов при известных параметрах канала связи 35
1.2.1 Многопользовательская демодуляция в системах CDMA36
Традиционный многопользовательский демодулятор .37
Оптимальный многопользовательский демодулятор...40
Декоррелятор 41
Многопользовательский демодулятор, использующий критерий МСКО 42
Анализ характеристик и вычислительная сложность алгоритмов многопользовательской демодуляции 43
1.2.2 Демодуляция в системах с линейным ортогональным STC46
Система с матрицей Аламоути 46
Система с ортогональной STC-матрицей общего вида 48
1.2.3 Демодуляция в системах с квазиортогональными STC матрицами 49
Оптимальный демодулятор 49
Линейные демодуляторы 50
Квазиоптимальный V-BLAST-демодулятор 51
Анализ характеристик и вычислительная сложность... 52
1.3 Анализ чувствительности характеристик алгоритмов многопользовательской демодуляции к ошибкам фильтрации параметров канала связи 55
1.4 Фильтрация неизвестных параметров канала связи
1.4.1 Полигармоническая модель беспроводного канала связи при движении абонента в условиях города (Модель Джейкса)58
1.4.2 Характеристики традиционного метода фильтрации 60
Точность фильтрации 61
Помехоустойчивость демодуляции в условиях рэлеевских замираний 62
1.5 Совместная демодуляция дискретных сигналов и фильтрация
неизвестных параметров канала связи 65
1.5.1 Алгоритм с переприсвоением 67
1.5.2 Алгоритм с обратной связью по вектору дискретных параметров (обратной связью по решению) 68
1.6 Выводы 70
2.0 Нелинейные итерационные методы и алгоритмы демодуляции дискретных сигналов 72
2.1 Нелинейная итерационная демодуляция 73
2.2 Нелинейная рекуррентная демодуляция 81
2.3 Синтез нелинейной функции
2.3.1 Общий случай 84
2.3.2 Гауссовский случай 87
2.3.3 Аппроксимация 88
2.4 Выводы 96
3.0 Фильтрация параметров канала связи 97
3.1 Метод полигармонической фильтрации параметров канала связи97
3.1.1 Описание метода 97
3.1.2 Точность фильтрации 100
3.1.3 Помехоустойчивость демодуляции в условиях рэлеевских замираний 101
3.2 Полигармоническая фильтрация параметров канала MIMO 103
3.2.1 Случай двух передающих и двух приемных антенн 104
Алгоритм фильтрации 104
Точность фильтрации 106
3.2.2 Общий случай произвольного числа передающих и
произвольного числа приемных антенн 107 Алгоритм фильтрации 108
Точность фильтрации ПО
3.2.3 Характеристики помехоустойчивости демодуляции в условиях рэлеевских замираний 111
Случай BLAST
Случай схемы Аламоути 114
3.3 Выводы 117
4.0 Многопользовательская демодуляция для систем с кодовым разделением каналов 118
4.1 Линейные итерационные многопользовательские демодуляторы 118
4.1.1 Итерационный демодулятор типа 1 119
4.1.2 Итерационный демодулятор типа 2 122
4.1.3 Итерационный демодулятор типа 3 125
4.1.4 Демодулятор, основанный на применении фильтра Калмана127
4.1.5 Анализ характеристик и вычислительная сложность... 129
4.2 Нелинейные итерационные многопользовательские демодуляторы 134
4.2.1 Нелинейные итерационные демодуляторы типов 1, 2 и 3135
4.2.2 Нелинейный рекуррентный демодулятор 138
4.2.3 Анализ характеристик и вычислительная сложность... 139
4.3 Совместная многопользовательская демодуляция и декодирование
144
4.3.1 Демодулятор с раздельным декодированием 144
4.3.2 Демодулятор, использующий операции кодирования и декодирования на каждой итерации. Случай постоянного числа итераций 146
4.3.3 Демодулятор, использующий операции кодирования и декодирования на каждой итерации. Случай переменного числа итераций 153
4.3.4 Анализ характеристик и вычислительная сложность. Применение для системы сотовой подвижной связи 3-го поколения с кодовым разделением каналов стандарта CDMA2000 156
4.4 Обобщение линейных и нелинейных итерационных алгоритмов многопользовательской демодуляции на случаи однолучевой асинхронной и многолучевой моделей канала связи 160
4.4.1 Случай однолучевой асинхронной модели канала связи 160
Линейные алгоритмы
Нелинейные алгоритмы 166
4.4.2 Случай многолучевой асинхронной модели канала связи 168
Линейные алгоритмы 168
Нелинейные алгоритмы 176
4.5 Выводы 179
5.0 Построение эффективных STC-матриц и синтез квазиоптимальных итерационных алгоритмов демодуляции для систем с STC... 180
5.1 Построение новых квазиортогональных STC-матриц с высокой спектральной и энергетической эффективностью 180
5.1.1 Обобщение матрицы Golden на случай числа передающих антенн, большего двух 180
5.1.2 Новые STC-матрицы с высокой энергетической эффективностью 186
5.1.3 Общий метод построения STC-матриц 190
5.2 Итерационные алгоритмы демодуляции для систем беспроводной связи с квазиортогональными STC-матрицами 191
5.2.1 Линейный итерационный алгоритм 192
5.2.2 Нелинейный итерационный алгоритм 194
5.2.3 Анализ помехоустойчивости и вычислительная сложность196
5.3 Выводы 200
6.0 Совместная итерационная многопользовательская демодуляция и фильтрация параметров канала связи в системах с кодовым разделением каналов 201
6.1 Синтез обобщенного итерационного алгоритма совместной демодуляции и фильтрации параметров канала связи 201
6.1.1 Постановка задачи 201
6.1.2 Синтез алгоритма 204
6.2 Совместная итерационная однопользовательская демодуляция и фильтрация параметров канала связи на примере системы сотовой подвижной связи 3-го поколения с кодовым разделением каналов стандарта CDMA2000 220
6.2.1 Постановка задачи 221
6.2.2 Синтез алгоритма 222
6.2.3 Анализ помехоустойчивости и вычислительная сложность2
6.3 Совместная итерационная многопользовательская демодуляция и фильтрация параметров канала связи 227
6.4 Выводы 234
7.0 Совместная итерационная демодуляция и фильтрация параметров канала связи в системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием 236
7.1 Системы связи с ортогональным частотным мультиплексированием. Постановка задачи фильтрации параметров канала связи236
7.2 Фильтрация параметров канала связи с использованием пилот-сигналов I Л 239
7.3 Совместная итерационная демодуляция и фильтрация параметров канала связи с использованием пилот-сигналов и информационных символов 245
7.3.1 Алгоритм фильтрации комплексных множителей под несущих.
248
Основной алгоритм 248
Упрощенный алгоритм 249
7.3.2 Алгоритм мягкой демодуляции комплексных информационных символов 253
7.4 Характеристики точности фильтрации и помехоустойчивости. Применение для системы беспроводного абонентского радио доступа стандарта IEEE 802.16е... 254
7.5 Выводы 259
Заключение 260
Библиографический список 263
Приложение 1.0.Модель принимаемого сигнала в обратном канале (линия вниз ) системы сотовой подвижной радиосвязи стандарта CDMA2000 : 291
Приложение 2.0.Исследование характеристик алгоритмов обработки сигналов методом статистического моделирования на примере алгоритмов многопользовательской демодуляции 297
Приложение 3.0.Акты о внедрении или использовании результатов диссертации 303
Введение к работе
Под воздействием повышающихся требований к доступности услуг связи в любое время и в любом месте беспроводная связь превратилась в один из крупнейших и наиболее быстро развивающихся секторов глобальных телекоммуникаций. Более полутора миллиардов человек в мире пользуются системами сотовой подвижной связи, поддерживающими скорости передачи данных от 9,6 кбит/с и выше. По прогнозам, в ближайшее десятилетие скорости передачи данных по сетям беспроводной связи достигнут диапазона 100 Мбит/с - 1Гбит/с [49].
В связи с постоянным ростом количества абонентов современные и перспективные системы беспроводной связи должны обеспечивать достоверный прием информации в сложной помеховой обстановке. При этом высокое качество работы системы связи должно обеспечиваться при наличии высоких скоростей передачи информации и высоких скоростей движения абонентов в условиях плотной городской застройки. Поэтому в системах беспроводной связи поколений 3G и 4G применяются технологии кодового разделения каналов (CDMA), пространственно-временного кодирования (STC) и ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM). Эти технологии за счет сложного кодирования информации позволяют существенно увеличить число обслуживаемых абонентов, повысить помехоустойчивость и спектральную эффективность системы связи.
Системы связи с кодовым разделением каналов известны уже несколько десятилетий [263]. Их теория получила свое развитие в многочисленных трудах отечественных и зарубежных ученых [1]...[4], [11], [12], [174], [178], [179], [181], [186]...[190], [193]...[195], [207]...[210], [214], [216]...[219],[231],[246],[250].
В системах сотовой подвижной радиосвязи 3G, использующих технологию CDMA, весьма остро стоит проблема увеличения числа абонентов, одновременно обслуживаемых в пределах одной соты/сектора. От успешного решения этой проблемы зависит коммерческая эффективность использования таких систем.
Одним из перспективных путей ее решения является использование на приемной стороне алгоритмов многопользовательской демодуляции [7], [10], [249]. Эти алгоритмы учитывают корреляцию между сигналами различных абонентов и компенсируют внутриканальные помехи путем совместной обработки сигналов в приемнике. В настоящее время известен ряд алгоритмов многопользовательской демодуляции, которые можно разделить на две группы [7], [10], [11], [14]...[16], [19]...[24], [249], [250], [254], [255]:
линейные алгоритмы (декоррелятор, демодулятор, оптимальный по критерию минимума среднеквадратической ошибки (МСКО));
нелинейные алгоритмы (демодулятор, оптимальный по критерию максимального правдоподобия (МП), различные квазиоптимальные нелинейные демодуляторы).
Практическая реализация известных алгоритмов
многопользовательской демодуляции при большом числе активных абонентов в соте/секторе весьма затруднена либо из-за их высокой вычислительной сложности, либо из-за их низкой эффективности.
В работах [25], [26], [30], [129], [148], [150], [152], [153], [156], [157], [159], [220], [257], [258] предложен и исследован новый подход к синтезу алгоритмов многопользовательской демодуляции, основанный на применении теории итерационных методов решения систем линейных алгебраических уравнений и теории решения некорректно поставленных задач, основанной на применении функционала Тихонова. На основе этого подхода был получен ряд нелинейных алгоритмов многопользовательской демодуляции, обладающих невысокой вычислительной сложностью при характеристиках помехоустойчивости, близких к характеристикам демодулятора, оптимального по критерию МП.
Улучшения характеристик алгоритмов многопользовательской демодуляции можно достичь, если ввести процедуры декодирования и кодирования внутрь итерационного процесса. При этом, если сигнал какого-либо абонента на данной итерации декодирован правильно, то его можно исключить из дальнейшего процесса демодуляции и декодирования.
В работах [33], [34], [199] показано также, что применение алгоритмов многопользовательской демодуляции требует более высокой точности фильтрации комплексного множителя канала связи по сравнению с традиционными корреляционными алгоритмами демодуляции. При движении абонента в условиях городской застройки имеет место эффект доплеровского расширения спектра сигнала [1], [2], [204], [207], [210], [305], который затрудняет использование традиционных алгоритмов фильтрации комплексного множителя канала связи (алгоритмы фазовой автоподстройки частоты), поскольку в этом случае при выборе полосы пропускания системы фазовой автоподстройки частоты часто невозможно достичь удовлетворительного компромисса между уровнями флуктуационной и динамической ошибки. В работах [264], [266], [269], [270] предложен и исследован новый метод полигармонической фильтрации комплексного множителя канала связи, основанный на представлении фильтруемого процесса суммой небольшого числа квазигармонических составляющих с различными частотами, фазы которых есть случайные винеровские процессы. Результаты исследований показали высокую эффективность метода полигармонической фильтрации в условиях, когда имеет место доплеровское расширение спектра сигнала.
В системах CDMA, в которых используются алгоритмы многопользовательской демодуляции, повышения точности фильтрации комплексного множителя канала связи (а следовательно, и повышения помехоустойчивости приема информации и увеличения числа активных абонентов в соте/секторе) можно достичь, используя энергию не только пилот-сигнала, но и энергию информационного сигнала данного абонента, а также энергию сигналов других абонентов. Данные подходы предложены и исследованы в работах [196], [198], [200], [201], [203], [288]...[291].
Системы связи с ортогональным частотным мультиплексированием давно известны. Их теория и практика получила свое развитие в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [13], [178], [186], [222], [294]...[299], [302], [303], [311], [322]...[324], [331], [332], [334].
В системах беспроводной связи 4G, использующих технологию OFDM, актуальна проблема повышения скорости передачи информации в заданной полосе частот (т.е., повышения спектральной эффективности) при быстром движении абонентов в условиях городской застройки. В этих условиях точность фильтрации комплексных множителей поднесущих сигнала OFDM снижается, и для компенсации этого снижения необходимо увеличивать плотность расположения пилот-символов на частотно-временной плоскости. Это приводит к уменьшению числа передаваемых информационных символов и, следовательно, к снижению скорости передачи информации. Чтобы избежать этого эффекта, в работах [314]...[320] предложен и исследован подход, основанный на совместной демодуляции сигнала OFDM и фильтрации комплексных множителей его поднесущих. При этом для повышения точности фильтрации используются энергии не только пилот-символов, но и энергии информационных символов.
Системы беспроводной связи с пространственно-временным кодированием (STC) берут свое начало с работы [75]. Несмотря на то, что история создания таких систем насчитывает только 10 лет, технология STC вошла в стандарты систем беспроводной связи 3G и 4G [1]...[6], [11], [13], [36], [49], [80], [211], [222], [307]...[309], [311], [322], [329], [330].
В системах беспроводной связи 4G, в которых используется STC (и технология OFDM), как уже было указано выше, актуальна проблема повышения скорости передачи информации в заданной полосе частот (т.е., повышения спектральной эффективности) при одновременно предъявляемых требованиях высокой помехоустойчивости. Эти требования являются противоречивыми.
При использовании ортогонального STC обеспечивается высокая помехоустойчивость, но спектральная эффективность при этом оказывается недостаточно высокой. При использовании квазиортогонального STC (например, системы BLAST) можно получить высокую спектральную эффективность, но при этом помехоустойчивость снижается, особенно при использовании неоптимальных алгоритмов демодуляции [36], [37], [41], [44], [326], [327].
В настоящее время имеется много работ, где предложен и исследован ряд пространственно-временных матриц (STC-матриц), использование которых в системах беспроводной связи позволяет получить либо высокие характеристики помехоустойчивости, либо высокую спектральную эффективность [37]...[39], [41]...[44], [47], [49], [82]...[84], [222], [311], [326], [327]. Однако, во многих случаях достигнуть приемлемого компромисса между требуемыми помехоустойчивостью и спектральной эффективностью не удалось.
В работах [50], [53], [54], [55], [57], [59], [70], [71], [79] предложен метод построения и построены новые квазиортогональные STC-матрицы, позволяющие обеспечить более высокую помехоустойчивость при сохранении высокой спектральной эффективности, по сравнению с известными матрицами.
Максимальная помехоустойчивость в случае использования в системе беспроводной связи квазиортогональных STC-матриц может быть достигнута при применении оптимального по критерию МП алгоритма демодуляции. К сожалению, этот алгоритм на практике весьма трудно (часто невозможно) реализовать из-за его высокой вычислительной сложности. Известно много работ, где предложен ряд квазиоптимальных алгоритмов демодуляции, имеющих меньшую вычислительную сложность, чем сложность оптимального алгоритма, но при этом имеющих худшие характеристикик помехоустойчивости [37], [39], [41], [43], [45], [76]...[78], [137], [222], [296], [306], [311], [322], [326], [327]. Следует отметить, что во многих случаях достигнуть компромисса между требуемой помехоустойчивостью и приемлемой вычислительной сложностью не удалось.
В работах [58], [62]...[64], [73], [74], [292], [293] предложен и исследован ряд квазиоптимальных алгоритмов демодуляции для систем связи с квазиортогональными STC-матрицами, применение которых позволяет получить характеристики помехоустойчивости, незначительно уступающие характеристикам оптимального алгоритма демодуляции, при гораздо более низкой вычислительной сложности, которая позволяет применять их на практике.
Все основные результаты диссертации опубликованы в монографии [335]. Целью диссертационной работы является решение имеющей важное хозяйственное значение крупной научно технической проблемы повышения эффективности систем беспроводной связи третьего и четвертого поколений, построенных на основе технологий кодового разделения каналов, ортогонального частотного мультиплексирования и пространственно-временного кодирования, заключаещееся в разработке новых методов и алгоритмов формирования и демодуляции сигналов, фильтрации изменяющихся во времени параметров канала связи.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Разработка нового нелинейного итерационного метода решения систем линейных уравнений с учетом дискретности множества значений вектора неизвестных параметров и в условиях наличия шума, основанного на использовании критерия минимума эмпирического риска в форме функционала Тихонова;
2. разработка нового метода полигармонической фильтрации изменяющихся во времени параметров канала связи, работоспособного в условиях наличия доплеровского расширения спектра;
3. синтез новых квазиоптимальных нелинейных итерационных алгоритмов многопользовательской демодуляции, основанных на использовании итерационного метода решения систем линейных уравнений, позволяющих существенно увеличить число активных абонентов в соте системы связи CDMA, по сравнению с известными алгоритмами многопользовательской демодуляции при невысокой вычислительной сложности;
4. разработка нового метода построения STC-матриц, позволяющего получить STC-матрицы, которые дают возможность заметно повысить помехоустойчивость системы беспроводной связи по сравнению с системой, использующей известные STC-матрицы, при сохранении спектральной эффективности;
5. синтез новых квазиоптимальных нелинейных итерационных алгоритмов демодуляции пространственно-временных сигналов, основанных на использовании итерационного метода решения систем линейных уравнений, позволяющих при невысокой вычислительной сложности обеспечить характеристики помехоустойчивости, близкие к характеристикам помехоустойчивости оптимального по критерию МП алгоритма демодуляции; 6. разработка нелинейного итерационного метода совместной многопользовательской демодуляции и фильтрации параметров канала связи для системы CDMA, использующего энергию как пилот-сигналов, так и информационных сигналов всех активных абонентов, что позволило достигнуть точности фильтрации, необходимой для реализации потенциальных возможностей многопользовательской демодуляции;
7. разработка нелинейного итерационного метода совместной демодуляции и фильтрации параметров канала связи для системы связи с OFDM, использующего энергию как пилот-сигналов, так и информационных сигналов всех поднесущих, что позволило уменьшить число пилот-сигналов и тем самым повысить спектральную эффективность системы связи.
При проведении исследований в диссертационной работе используется следующий математический аппарат: теория оценивания, статистической теории связи, теория линейной и нелинейной фильтрации марковских процессов, теория случайных процессов, теория численных методов, линейная алгебра и теория матриц, теория вероятностей и математическая статистика, теория оптимизации, теория вычислительной сложности алгоритмов, а также статистическое моделирование.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработан квазиоптимальный нелинейный итерационный метод демодуляции дискретных сигналов, основанный на минимизации эмпирического риска в форме функционала Тихонова;
2. разработан нелинейный итерационный метод совместной демодуляции дискретных сигналов и фильтрации изменяющихся во времени параметров канала связи, основанный на рекуррентном решении уравнения Стратоновича;
3. разработан новый метод полигармонической фильтрации параметров канала связи, позволяющий достичь высокой точности фильтрации в условиях доплеровского расширения спектра;
4. на основе разработанного нелинейного итерационного метода синтезирован ряд квазиоптимальных алгоритмов многопользовательской демодуляции для систем CDMA;
5. на основе разработанного нелинейного итерационного метода синтезирован ряд квазиоптимальных алгоритмов демодуляции сигналов для систем беспроводной связи, использующих квазиортогональные STC-матрицы; 6. на основе разработанного нелинейного итерационного метода синтезированы квазиоптимальные алгоритмы совместной фильтрации изменяющихся во времени параметров канала связи и многопользовательской демодуляции для систем CDMA;
7. на основе разработанного нелинейного итерационного метода синтезированы квазиоптимальные алгоритмы совместной фильтрации изменяющихся во времени параметров канала связи и демодуляции информационных символов для систем OFDM;
8. разработан метод построения квазиортогональных STC-матриц, на основе которого получен ряд новых матриц для систем с STC.
Практическая ценность диссертации состоит в следующем.
1. разработанные теоретические положения являются основанием для синтеза квазиоптимальных алгоритмов демодуляции цифровых сигналов и фильтрации параметров канала связи. Эти результаты использованы для разработки новых патентноспособных практических устройств многопользовательской демодуляции сигналов в системах CDMA, демодуляции квазиортогональноых пространственно-временных сигналов, а также для совместной демодуляции и фильтрации изменяющихся во времени параметров канала связи в системах CDMA и OFDM;
2. разработанные новые квазиоптимальные методы и алгоритмы многопользовательской демодуляции для систем CDMA позволяют повысить пропускную способность (число активных абонентов в соте) при полиномиальной вычислительной сложности, по сравнению с известными алгоритмами;
3. разработанные новые квазиоптимальные итерационные алгоритмы демодуляции сигналов STC, в частности, сигналов BLAST, позволяют создавать практически реализуемые алгоритмы и устройства обработки сигналов в условиях, когда в системе используются неортогональные STC-матрицы, позволяющие получить высокую спектральную эффективность системы беспроводной связи.
4. получены новые квазиортогональные STC-матрицы, позволяющие повысить помехоустойчивость систем беспроводной связи по сравнению с известными, включенными в стандарты 4G, матрицами, при сохранении высокой спектральной эффективности. Результаты исследований, проведенных в диссертации, внедрены в разработках базовых станций систем сотовой подвижной радиосвязи стандарта CDMA2000, базовых станций (точек доступа) систем абонентского радиодоступа стандарта ШЕЕ 802.16, оборудования системы коротковолновой радиосвязи специального назначения в ОАО Концерн Созвездие , ФГУП НИИР, ФГУП СОНИИР, ООО НОРТЕЛ НЕТВОРКС, что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Кроме того, результаты исследований, проведенных в диссертации, были использованы в учебном процессе в учебном процессе МТУСИ при чтении автором лекций по дисциплинам "Сети ЭВМ и телекоммуникации" и "Беспроводные сети передачи данных", а также нашли отражение в ряде учебных пособий [68], [162]...[165], что подтверждается соответствующим актом об использовании.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новый нелинейный итерационный метод демодуляции дискретных сигналов, основанный на решении системы линейных алгебраических уравнений с шумом и минимизации эмпирического риска в форме функционала Тихонова, учитывающий дискретный характер компонент оцениваемого вектора информационных символов, не требущий перебора всех возможных состояний оцениваемого вектора информационных символов и имеющий полиномиальную вычислительную сложность.
2. Новый метод полигармонической фильтрации комплексного множителя канала связи, позволяющий существенно повысить точность фильтрации при движении абонентов системы беспроводной связи в условиях города, по сравнению с традиционными методами фильтрации, что позволило существенно снизить энергетические потери в системах беспроводной связи, в случае, когда имеет место движение абонентов в условиях городской застройки.
3. Новые нелинейные итерационные алгоритмы многопользовательской демодуляции, полученные с помощью метода п. 1., имеющие низкую (полиномиальную) вычислительную сложность и характеристики, приближающиеся к характеристикам нелинейного демодулятора, оптимального по критерию МП.
4. Новый метод построения квазиортогональных STC-матриц, позволивший получить новые STC-матрицы, обеспечивающие энергетический выигрыш (1.3...1.4) дБ при BER=0.01 при равной символьной скорости (т.е. при равной спектральной эффективности) по сравнению с известными квазиортогональными STC-матрицами, предусмотренными современными и перспективными стандартами систем беспроводной связи (IEEE 802.1 бе, IEEE 802.16m, IEEE 802.1 In).
5. Нелинейный итерационный алгоритм демодуляции сигналов в системах беспроводной связи с квазиортогональным пространственно-временным кодированием, полученный с помощью метода п. 1. и обеспечивающий энергетический выигрыш (1.0...2.2) дБ при BER=0.01 (в зависимости от вида используемой в системе связи STC-матрицы) по сравнению с известным алгоритмом V-BLAST при более низкой вычислительной сложности.
6. Новый метод синтеза итерационных алгоритмов совместного оценивания вектора дискретных параметров и фильтрации вектора непрерывных параметров сигнала, основанный на рекуррентном решении уравнения Стратоновича, позволивший получить конструктивные квазиоптимальные алгоритмы совместной демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи.
7. Новый итерационный алгоритм однопользовательской демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи, полученный с помощью метода п. 6., применение которого позволило существенно повысить помехоустойчивость (на 2..3 дБ) системы беспроводной связи с кодовым разделением каналов стандарта CDMA2000 по сравнению с традиционно используемыми раздельными алгоритмами демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи;
8. Новый итерационный алгоритм совместной многопользовательской демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи, полученный с помощью метода п. 6., применение которого позволило реализовать потенциальные возможности многопользовательской демодуляции и повысить число активных абонентов в соте системы беспроводной связи стандарта CDMA2000 в 2...5 раз по сравнению с раздельно применяемыми алгоритмами многопользовательской демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи.
9. Новый алгоритм совместной итерационной демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи, позволивший уменьшить плотность расположения пилот-сигналов в системах беспроводной связи OFDM стандарта IEEE 802.1 бе, работающих в условиях движения абонентов и городской застройки, в 8 раз и тем самым повысить спектральную эффективность таких систем в 1.8 раза без снижения помехоустойчивости.
Новизна и практическая ценность предлагаемых решений подтверждается патентами (в том числе, патентами Российской Федерации, США, Канады и др.).
Работа состоит из семи глав.
В первой главе проводится анализ предметной области исследований. С этой целью рассматриваются модели канала связи в системах CDMA и STC. Показывается, что модель канала связи для таких систем представляет собой систему лнейных алгебраических уравнений с шумом. Рассматриваются также известные методы демодуляции сигналов в таких системах. Проводится анализ чувствительности характеристик алгоритмов многопользовательской демодуляции к ошибкам фильтрации параметров канала связи. Также проводится анализ характеристик традиционного метода фильтрации неизвестных параметров канала связи при движении абонента в условиях города. Рассматриваются известные методы совместной демодуляции дискретных сигналов и фильтрации неизвестных параметров канала связи. По результатам анализа предметной области исследований определен круг решаемых в работе задач, определяющих актуальность поставленной проблемы: увеличения емкости и помехоустойчивости систем беспроводной связи, использующих технологии CDMA, OFDM и STC.
Во второй главе получен нелинейный итерационный метод демодуляции дискретных сигналов, основанный на решении системы линейных алгебраических уравнений с шумом и минимизации эмпирического риска в форме функционала Тихонова [129]. Проведен синтез нелинейной функции, которая используется в разработанном методе [142].
В третьей главе разработан метод полигармонической фильтрации параметров канала связи, основанный на представлении фильтруемого процесса суммой небольшого числа квазигармонических составляющих с различными частотами, фазы которых есть случайные винеровские процессы [264]...[266], [269], [270].
Приводятся характеристики точности фильтрации и помехоустойчивости приема информации в различных условиях.
В четвертой главе на основе нелинейного итерационного метода проведен синтез и анализ характеристик помехоустойчивости и вычислительной сложности ряда линейных и нелинейных итерационных алгоритмов многопользовательской демодуляции для систем CDMA. Произведено обобщение синтезированных алгоритмов на случаи однолучевой асинхронной и многолучевой моделей канала связи [25]...[31], [148]...[153], [156], [159], [160], [161], [220], [257], [258]. Проведен также синтез и анализ характеристик совместных алгоритмов многопользовательской демодуляции и декодирования, и рассмотрено их применение в системах подвижной связи 3G, работающих в стандарте CDMA2000.
В пятой главе разработан метод построения квазиортогональных STC-матриц для систем связи, использующих технологию STC. На основе этого метода получен и исследован ряд новых STC-матриц систем связи с различным числом передающих антенн [50], [52]...[54], [55], [59], [61], [70], [71], [79]. На основе нелинейного итерационного метода проведен синтез и анализ характеристик помехоустойчивости и вычислительной сложности ряда линейных и нелинейных итерационных алгоритмов демодуляции для систем связи, использующих технологию STC [48], [58], [62]...[64], [73], [74].
В шестой главе разработан метод синтеза итерационных алгоритмов совместного оценивания вектора дискретных параметров и фильтрации вектора непрерывных параметров сигнала, основанный на рукуррентном решении уравнения Стратоновича. На основе этого метода получены итерационный алгоритм однопользовательской демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи и итерационный алгоритм совместной многопользовательской демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи для системы CDMA [196], [198], [200], [201], [203], [288], [289], [316], [317]. Проведены исследования точности фильтрации, помехоустойчивости и вычислительной сложности указанных алгоритмов и рассмотрено их применение в системах подвижной связи 3G, работающих в стандарте CDMA2000.
В седьмой главе на основе метода синтеза итерационных алгоритмов совместного оценивания вектора дискретных параметров и фильтрации вектора непрерывных параметров сигнала получен итерационный алгоритм совместной демодуляции и фильтрации комплексного множителя канала связи для систем связи, использующих технологию OFDM [314]...[317], [320]. Проведено исследование точности фильтрации и помехоустойчивости указанного алгоритма и рассмотрено его применение в системах беспроводной связи 4G, работающих в стандарте IEEE 802.1 бе.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре "Синхронизация в широкополосных системах связи", (Минск, 1991), конференции Бизнес-Форума Мобильные системы - 2000 (Москва, 2000), Международном семинаре "Европейское сотрудничество в области развития мобильной персональной связи" (Москва, 2002), 57-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2002), 58-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2003), Международной научно-технической конференции "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций" (Рязань, 2004), "International Conference on Circuits and Systems for Communications" (Moscow, 2004), 59-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2004), 60-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2005), 61-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2006), 14-й Межрегиональной научно-технической конференции Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания (Нижний Новгород, 2006), Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (DSPA - 2007), г.Москва, 28-30 марта 2007 года, 62-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2007), Московской отраслевой научно-технической конференции "Технологии информационного общества" (МТУСИ, 2007), Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIC - 2007), г.Москва (МИРЭА, 23-27 октября 2007 года), 63-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2008), Второй отраслевой научно-технической конференции "Технологии информационного общества" (МТУСИ, 2008), Международной научно-технической школы-конференции "Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию" (Москва, 2008), Третьей отраслевой научно-технической конференции "Технологии информационного общества" (МТУСИ, 2009), 64-й Научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова (Москва, 2009).
Результаты исследований по теме диссертации регулярно докладывались на ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1993...2006 гг.
Основные материалы по теме диссертации были опубликованы в 96 печатных работах, в том числе в 28 статьях, опубликованных в журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России, 5 учебных пособиях, 14 патентах на изобретения, а также отражены в трех монографиях, в том числе в одной монографии без соавторства.
Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат результаты, относящиеся к разработке новых методов решения систем линейных алгебраических уравнений с шумом, полигармонической фильтрации, совместной демодуляции и фильтрации параметров канала связи. В работах, выполненных совместно с Д.Ю.Панкратовым, автору принадлежит ведущая роль в постановке задач, а также в выборе и обосновании методов их решения. В работах, выполненных совместно с аспирантами А.В.Колесниковым и Л.А.Варукиной, автор осуществлял непосредственное научное руководство.
