Введение к работе
Актуальность темы. Особенностью передачи информации в беспроводной сети является искажение полезного сигнала различными видами интерференции, вызванной многолучевым распространением в радиоканале, коллективным использованием канала несколькими источниками и другими причинами. К традиционным методам борьбы с интерференцией, вызванной одновременной передачей в канале различных источников информации, относят разделение ресурса канала по частоте, времени или пространству так, чтобы избежать взаимных помех. Однако развитие современных телекоммуникационных протоколов диктует необходимость поиска новых методов устранения интерференции в беспроводных сетях.
Одним из направлений развития беспроводных систем передачи информации является внедрение одночастотных сетей цифровой широковещательной передачи (single frequency networks, SFN). Такие сети образуются набором передатчиков (базовых станций, ретрансляторов), которые синхронно передают один и тот же цифровой сигнал на одной частоте. В результате, с одной стороны, обеспечивается непрерывное покрытие сигналом всей зоны действия сети. С другой стороны, одновременный прием абонентом копий сигнала от разных передатчиков приводит к межсимвольной интерференции (МСИ). Методы приема сигнала в каналах с межсимвольной интерференцией исследовались в многочисленных работах отечественных и зарубежных ученых, таких как Л. М. Финк, Д. Д. Кловский, Дж. Прокис, Д. Н. Годард и др. Однако отклик канала в одночастотных сетях, образованных набором синхронных передатчиков, гораздо длиннее, чем в случае традиционного многолучевого распространения от одного передатчика. В результате сложность известных алгоритмов устранения МСИ в одночастотных сетях возрастает, что стимулирует к поиску новых алгоритмов, в том числе основанных на комбинации различных методов.
Другой тенденцией развития беспроводных централизованных сетей является значительное увеличение числа подключенных к сети устройств, осуществляющих обмен информацией без участия человека (системы типа «машина-к-машине», М2М). В системах М2М к одной базовой станции одновременно могут быть подключены десятки тысяч абонентских устройств, которые в случайные моменты времени отправляют на базовую станцию короткие сообщения. В таких условиях эффективным методом доступа к каналу является случайный множественный доступ (СМД). Впервые, алгоритмы СМД были предложены Н. Абрамсоном, а затем развиты в работах Б. С. Цыбакова, В. А. Михайлова, Дж. Капетанакиса, Н. Д. Введенской и др. Перспективным направлением повышения эффективности систем СМД, предложенным Г. Б. Гианнакисом, является комбинация традиционных алгоритмов разрешения конфликтов СМД с так называемой процедурой погашения интерференции, которая при возникновении конфликта позволяет восстановить часть переданных данных без необходимости их повторной передачи. Однако вопрос
реализации данной процедуры на физическом уровне современных беспроводных сетей на сегодняшний день изучен довольно слабо.
Целью работы является исследование и разработка методов устранения интерференции, вызванной приемом сигнала от нескольких источников информации в современных беспроводных сетях.
Задачи диссертационного исследования:
-
Классифицировать источники интерференции в современных беспроводных сетях и методы борьбы с интерференцией в зависимости от типа источника.
-
Разработать алгоритм устранения межсимвольной интерференции, возникающей при синхронной передаче сигнала несколькими станциями одночастотнои сети.
-
Провести исследование разработанного алгоритма устранения межсимвольной интерференции в каналах с постоянными и переменными параметрами.
-
Разработать и исследовать алгоритм погашения интерференции множественного доступа в системах с многочастотной модуляцией.
-
Исследовать характеристики алгоритмов управления доступом абонентов к каналу в системах случайного множественного доступа с погашением интерференции.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы общие методы системного анализа, методы цифровой обработки сигналов, методы теории вероятностей, численные методы, а также методы имитационного моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработан комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала для систем с одночастотнои модуляцией, отличающийся от известных тем, что включает в себя поэтапный переход от алгоритмов без обратной связи к алгоритмам с обратной связью от декодера.
-
Впервые предложен алгоритм итеративного погашения интерференции случайного множественного доступа для систем с ортогональным частотным мультиплексированием.
-
Впервые предложен алгоритм декодирования конфликтного сигнала в векторном дизъюнктивном канале и методика оценки вероятности ошибки декодирования.
-
Предложена модификация алгоритма дробления, позволяющая увеличить скорость передачи в системах СМД в векторном дизъюнктивном канале.
Практическая ценность полученных результатов. Разработанный комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала может использоваться для приема одночастотного сигнала в каналах со сложным многолучевым распространением, вызванным синхронной передачей нескольких станций. В том числе разработанный алгоритм может быть использован в приемниках цифрового телевещания.
Комбинированные алгоритмы СМД с погашением интерференции могут быть использованы для увеличения скорости передачи информации в режиме случайного доступа в централизованных системах связи с большим числом абонентов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: Научных сессиях ГУАП (Санкт-Петербург, Россия, 2008-2012); 12-м международном симпозиуме «On Wireless Personal Multimedia Communications» (Рованиеми, Финляндия, 2008); 8-ой международной конференции «On Next Generation Teletraffic and Wired/Wireless Advanced Networking» (Санкт-Петербург, Россия, 2008); 18-ой международной конференции «On Analytical and Stochastic Modeling Techniques and Applications» (Венеция, Италия, 2011); 11-ой международной конференции «On ITS Telecommunications» (Санкт-Петербург, Россия, 2011); Всероссийской научной конференции по проблемам информатики «СПИСОК-2012» (Санкт-Петербург, Россия, 2012); 13-м международном симпозиуме «On Problems of Redundancy in Information and Control Systems» (Санкт-Петербург, Россия, 2012); 12-ой международной конференции «FRUCT» (Оулу, Финляндия, 2012).
Внедрение результатов. Результаты работы были использованы в рамках проекта «Эквализация сигналов цифрового телевидения», осуществляемого ЗАО «Интел А/О». Кроме того, теоретические результаты работы используются в учебном процессе кафедры безопасности информационных систем СПбГУАП.
Публикации. Результаты, представленные в диссертационной работе, опубликованы в 15 печатных работах. Из них 3 работы в изданиях, включенных в список ВАК, и 1 заявка на патент.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Комбинированный алгоритм эквализации и оценки параметров канала для систем с одночастотной модуляцией.
-
Алгоритм итеративного погашения интерференции случайного множественного доступа в системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием.
-
Алгоритм декодирования конфликтного сигнала в векторном дизъюнктивном канале и методика оценки вероятности ошибки декодирования.
-
Модификация алгоритма дробления применительно к векторному дизъюнктивному каналу.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников (84 наименования) и двух приложений. Диссертационная работа содержит 136 страниц, включая одну таблицу и 45 рисунков.
