Введение к работе
- З -
Построение высокоскоростных систем передачи дискретных сообщений, используших стохастические каналы связи, является весьма актуальным ввиду того, что количество передаваемой по каналам связи информации непрерывно увеличивается. Так, все увеличивающийся объем подлежащих передаче данных диктует необходимость использования для этого не только специально выделенных каналов, но и каналов ухудшенного качества (с коммутацией), а также радиоканалов различного вида.
Стохастические каналы связи с характерным для них эффектом рассеяния энергии передаваемого сигнала во времени (ограничение полосы частот, многолучевое распространение), по частоте (замирания, допплеровские смещения) и в пространстве неизбежно усложняют устройство обработки принимаемого сигнального поля , т.к. на выходе канала текущая реализация поля оказывается зависимой от состояния канала в предыдущие моменты времени в разных точках рассматриваемой пространственно-частотной области обработки. Флуктуационные и сосредоточенные помехи (во времени, по частоте и в пространстве) дополнительно усложняют задачи приема дискретных сообщений в стохастических каналах.
Недостаточность априорных сведений о свойствах конкретно используемого пространственно-временного канала и помех, действующих в нем, приводит к необходимости построения адаптивного приемного устройства, в задачу которого входит не только вынесение решения о передаваемой последовательности дискретных элементов, но и оценивание некоторой совокупности параметров пространственно-временного стохастического канала связи, включая помехи, а также слежение за их изменениями. Характерным примером стохастического канала, в котором все перечисленные эффекты проявляются наиболее полно, является радиоканал декаметрового диапазона.
В теории оптимальных методов приема дискретных сообщений основные результаты первоначально были получены для каналов без временного рассеяния (без памяти) при полной априорной определенности относительно их свойств. Основанная В.А.Котельниковым, эта теория была развита в работах Л.С.Гуткина, Л.М.Финка, В.С.Мельникова, Д.Д.Кловского, И.А.Цикина, Л.И.Филиппова, В.И.Коржика, Н.Е.Кириллова, Дж.Воэенкрафта (J.M.Wozencraft),
Д.Миддлтона (D.Middleton), Ф.Велло (P.A.Bello), Т.Кайласа (T.Kailath), Дж.Турина (G.L.Turin) и ряда других ученых.
Когда память канала стала серьезным препятствием помехоустойчивой высокоскоростной передаче дискретных сообщений, усилия многих ученых были направлены в основном в двух направлениях: поиск такой структуры сигналов, при которой память канала существенно не проявляется, и разработка устройств, корректирующих свойства реального канала связи. Однако с точки зрения теории стататистических выводов подобные подходы не являются оптимальными. Теоретические и экспериментальные исследования, например, параллельных (многоканальных) методов передачи дискретных сообщений, а также корректоров, показали, что в стохастических каналах связи с памятью они становятся весьма не эффективными по сравнению с оптимальным последовательным (одноканальним) способом передачи.
Метод последовательной передачи дискретных сообщений по стохастическим каналам с памятью был предложен Д.Д.Кловским в 1958г. В 1960г. им же было предложено в оптимальном поэлементном приемнике использовать обратную связь по решению (ОСР) для компенсации сигналов межсимвольной интерференции (МСИ), неизбежно возникающей при последовательной высокоскоростной передаче дискретных сообщений. Различные аспекты использования ОСР были обсуждены М.Остином (M.Austin), Н.П.Хворостенко, И.А.Цики-ным и С.Б.Макаровым. Можно считать, что к 1964г. в работах Д.Д.Кловского были сформулированы все идеи, приведшие к созданию в конце 60 годов (совместно с Б.И.Николаевым) субоптимального (основанного на использовании ОСР) алгоритма, названного позже алгоритмом "приема в целом на интервале рассеяния с поэлементным принятием решения" (ПЩШР), или алгоритмом Кловского-Николаева.
Следует отметить, что идеи построения оптимального поэлементного приемника в канале с рассеянием обсуждались К.Хелстро-иом (C.W.Helstroni) в монографии 1963г.
Проблемы оптимального приема в каналах с памятью при последовательном способе передачи дискретных сообщений нашли свое отражение в дальнейших работах Д.Д.Кловского, а также в работах А.Витерби(А.УИегЫ) и Дж.0мура(Лт Оошга), r.topHH(G.D.Forney), К.Абенда (К.Abend) и Б.Фритчмана (B.D.Fritchman), Г.Унгербоека (G.Ungerboeck), Б.И.Николаева. Предложенный А7Вйтерби~іГ1967г7 алгоритм декодирования сверточных кодов (алгоритм Витерби - АВ)
-5 -был приспособлен в 1970г. Дж.Омура (по данным Г.Форни) для решения задачи демодуляции в канале с памятью. Инея важные принципиальные отличия, АВ и ПЦППР реализуют в канале с белым гаус--совским шумом примерно одинаковую помехоустойчивость, что подтверждается анализом, приведенным в данной работе.
Методы преодоления априорной неопределенности и построения адаптивных устройств были развиты работами Б.Р.Левина, Р.Л.Стра-тоновича, Я.З.Пнпкина, В.Г.Репина и Г.П.Тартаковского, В.В.Шах-гильдяна, Ю.Г.Сосулина, Ю.С.Пішакова и других ученых. В данной работе тернин "адаптивный" понимается в смысле "получающий и использующий оценки" параметров канала связи и помех. Это согласуется с оценочно-корреляционным принципон построения оптимального приемника в задаче различения гипотез, развитого Т.Кайласом, Ю.Г.Сосулиннм и другими, и соответствует подходу Б.Уидроу (B.Widrov) и С.Стирнза (S.Steams), рассматривающих методы получения оценок полезных сигналов и помех в системах с фиксированной структурой при априорной неопределенности относительно их свойств. Проблемы построения моделей сигналов и помех и алгоритмов их оценивания (фильтрации, выделения) при разной степени априорной неопределенности относительно свойств сигналов и помех крайне разнообразны. Применительно к задачам, рассматриваемым в диссертации, эти проблемы обсуждались в работах В.И.Тихонова, М.С.Ярликова, В.А.Казакова, А.П.Трифонова, В.Н.Фомина, В.Я.Конторовича и др.
Проблемы борьбы с сосредоточенными (по спектру) помехами рассматривались многими авторами ( Л.М.Финк, Д.Д.Кловский, В.И.Коржик, А.А.Сикарев и А.И.Фалько, В.В.Баранчеев, Н.Е.Кириллов, М.Н.Чесноков и др.) в разных аспектах, причем можно выделить ряд подходов к решению этой задачи: фильтровой ("вырезание" помехи вместе с частью спектра полезного сигнала), компенсационный (оценивание и вычитание из смеси с полезным сигналом и шумом), и алгоритмический (построение решающего правила с учетом действия сосредоточенной помехи).
Импульсные помехи (сосредоточенные во времени ), борьбе с-которыми в системах связи также уделяется большое внимание (Л.М.Финк, В.И.Тихонов, Д.Д.Кловский, А.Ф.Фомин, Ш.М.Чабдаров и А.Т.Трофимов, М.Н.Чесноков, 3.Kypu(Z.Kur2), И.Миллер (І.МШег) , и Ж.Томас (J.Thomas) и др.), подавляются в основном с понозыо нелинейных устройств, либо построением сложно реализуемых решающих правил, либо путем исключения из анализа отсчетов сигнала,
пораженных импульсами помехи, что в свою очередь требует надежной идентификации таких отсчетов.
Повышение помехоустойчивости и эффективности последовательного метода передачи, впрочем как и параллельного (многоканального), связано с использованием кодирования. В связи с интенсивным использованием сверточных кодов, наиболее полно соответствующих непрерывному (последовательному) характеру передачи информации по каналу связи, актуальными стали вопросы совмещения операций демодуляции и декодирования (А.Витерби и Дж.Омура, Г.Унгербоек, Дж.Кларк (G.Clark), Р.Блейхут (R.Blahut), А.И.Тур-кин, В.И.Коржик, М.Н.Чесноков), а также вопросы адаптивного кодирования-декодирования, предложенного P.rearaarepoM Совместное развитие идей и методов выше отмеченных направлений для стохастических пространственно-временных каналов было начато работами А.А.Курикши, С.Е.Фальковича, П.А.Бакута, Д.Д.Кловского и В.А.Сойфера, Л.Г.Красного, Ю.С.Шинакова, М.А.Быховского, Е.И.Глушанкова и др. Дальнейшее развитие этого направления с целью повышения эффективности последовательных высокоскоростных систем передачи дискретных сообщений в каналах с памятью и совокупностью аддитивных сосредоточенных по спектру, в пространстве и во времени помех является весьма актуальным и рассматривается в настоящей работе. Целью работы явилась разработка методов повышения эффективности последовательных систем передачи дискретных сообщений в стохастических пространственно-временных радиоканалах и прак-практическая реализация этих методов для каналов декаметрового, метрового и дециметрового диапазонов. Поставленная цель обусловила основные задачи исследования: разработка математической модели линейного стохастического векторного пространственно-временного канала с памятью и совокупной аддитивной помехой (сосредоточенная по частоте, в пространстве, импульсная, флуктуационная), синтез и анализ алгоритмов оптимального различения векторных случайных полей и алгоритмов фильтрации стохастических полей, разработка методов борьбы с сосредоточенными по частоте, в пространстве и импульсшвшліомехами_в^шостранстеенно^времен-_ них каналах с памятью, разработка методов повышения эффективности декодирования в стохастических каналах с памятью, разработка алгоритмов измерения (оценивания) параметров стохастического канала связи с памятью для реализации адаптивной обработки сигналов, разработка цифровых устройств, реализующих оптимальную (субоптимальную) обработку сигналов по дискретному пространству, экспериментальное исследование помехоустойчивости разработанных устройств. Научная новизна. Разработана математическая модель линейного векторного стохастического пространственно-временного канала связи с памятью, включая совокупность аддитивных покех, в форме уравнений состояния при фиксации пространственной координаты в качестве параметра. Обоснована целесообразность применения в пространственно-временных каналах с памятью для задачи многоальтернативного различения алгоритма "прием в целом на интервале рассеяния с поэлементный принятием решения" (ПЦІШР). Получены алгоритмы фильтрации случайного поля по критерию минимума среднеквадратической ошибки при совокупном действии аддитивных флуктуационных и сосредоточенных по спектру, в пространстве и импульсных помех. Получены новые результаты по оценке помехоустойчивости в канале с памятью алгоритма Витерби и алгоритма ПЦППР. Рассчитана помехоустойчивость оптимального разнесенного приема в стохастическом канале с памятью при действии широкополосных и узкополосных коррелированных помех. Предложены методы адаптивной фильтрации сосредоточенных по спектру, в пространстве и импульсных помех в каналах с памятью. Рассчитан энергетический выигрыш от использования непрерывной по пространственной координате обработки наблюдаемого поля в канале с памятью и аддитивными коррелированными и флуктуаци-онными помехами. Разработаны алгоритмы совместного выполнения операций де-демодуляции и декодирования в каналах с памятью. Предложен метод адаптивного декодирования сверточного кода в канале с памятью при совмещении операций демодуляции и декодирования по алгоритму ПЦППР. Предложен модифицированный алгоритм регуляризации решения - 8 -обратной задачи для оценивания импульсной характеристики канала с памятью. Практическая ценность. Диссертация выполнена на кафедре "Теоретические основы радиотехники и связи" и в отраслевой лаборатории ОНИЛ-5 Поволжского института информатики, радиотехники и связи в соответствии с тенами хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполняемых в течение 1980-1994гг. по решению Директивных органов и по заказу ГНТУ Минсвязи и МПСС, ГУНИОКР концерна "Телеком", в/ч 32152, в/ч 45807-Э. Наиболее важные для практического применения результаты заключены в следующем: Разработано алгоритмическое и программное обеспечение цифрового устройства преобразования сигналов (УПС) для передачи двоичных сообщений по декаметровому каналу со скоростью 1200 и 2400 бит/с в полосе канала ТЧ. УПС выполнено с применением цифрового процессора обработки сигналов (Щ10С) TMS 320с25 и конструктивно представляет собой плату, устанавливаемую на свободный разъем персонального компьютера типа IBM. Проведены лабораторные и трассовые испытания УПС, показавшие его высокую, помехоустойчивость и высокую конкурентноспособность с УПС других типов. Применение таких УПС позволит эффективно использовать загруженный декаметровий диапазон волн для передачи двоичной информации с высокими качественными показателями. Разработано цифровое УПС для передачи дискретных сообщений по тропосферному каналу со скоростью 6 Мбит/с в полосе 6 МГц (УПС бМбит/с "Тропа"). Элементной базой УПС являются базовые матричные кристаллы и микросхемы серии К1500. Разработка данного УПС продемонстрировала принципиальную возможность реализации методов оптимальной обработки сигналов на выходе пространственно-временного тропосферного канала при использовании цифровой обработки в реальном масштабе времени. Разработан цифровой демодулятор для системы сотовой радиосвязи с подвижными объектами в стандарте GSM, предназначенный для обработки сигналов на выходе дециметрового.канала при передаче дискретных сообщений со скоростью 277 кбит/с в полосе 150 кГц. Демодулятор выполнен с применением ІЩ0С TMS 320с25. Проведены лабораторные испытания демодулятора в составе комплекса аппаратуры системы сотовой радиосвязи, показавшие высокую поме-хоустойчивость и эффективность реализованных в демодуляторе^ал-горитмов. -9 -Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы демодуляции, оценивания параметров канала связи и фильтрации помех использованы в - НПО "Красная Зеря" (г.С.-Петербург) при создании перспектив - НПО "Астра" (г.Москва) при разработке систем высокоскоростной - ОКБ "Янтарь" (г.Самара) при создании системы сотовой системы Использование результатов работы подтвергдено соответствущшш документами, прилагаемыми к диссертации. Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс - подготовлен и читается для дипломников кафедры ТОРС курс лекций по цифровой обработке сигналов, поставлена курсовая работа по методам цифровой обработки сигналов и 5 лабораторных работ, выполняемых на ЭВМ, по курсам Теории электрической связи и Радиотехнических систем. Диссертант руководит аспирантом ПИИРС, в кандидатской диссертации которого находят дальнейшее развитие полученные в данной работе результаты. Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на 7 Всесоюзных и Российских научных сессиях, посвященных Дню Радио в 1977, 1980, 1982, 1987, 1993, 1994, 1995гг. 3 Всесоюзных конференциях по теории кодирования и передачи информации в 1978г. (Москва-Еильнюс), 1981г. (Москва-Куйбышев), 1988г. (Москва-Одесса), 2 Выезднных заседаниях секции теории информации ЦП НТО РЭС им. А.С.Попова в 1979г. (Одесса), 1989г. (Ульяновск), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития космической связи", 1983г. (Калуга), Международной научно-технической конференции "Статистические методы в теории и преобразовании информационных сигналов", 1992г. (Киев), Всесоюзный семинар "Статистический синтез и анализ информационных систем", 1992г. (Черкассы), Научной конференции ФАПСИ при Президенте РФ "Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи", 1995г. (Орел), 1-ой Поволжской научно-технической конференции по проблемам - 10 -двойного применения (РАН, Секция прикладных проблем), 1995г. (Самара), - научно- технических конференциях ПИИРС и семинарах секции теории информации Самарского правления НТО РЭС им.А.С.Попова. Получена серебряная медаль ВДНХ 1990г. (павильон "Радиоэлектроника") за экспонат УПС 1,2/2,4 ТЧС. Структура, объем и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и списка использованных источников. Общий объем работы 306 стр., в том числе основная часть работы содержит 215 стр. машинописного текста и 64 рисунка. На зашиту выносятся: модели стохастического векторного пространственно-временного канала с памятью и аддитивных помех, алгоритмы различения пространственно-временных сигналов в каналах с памятью при произвольной статистике помех, алгоритмы фильтрации случайных полей, методы и результаты теоретического исследования помехоустойчивости последовательных систем передачи, анализ помехоустойчивости и потенциальной эффективности разнесенного приема в стохастическом канале связи с памятью при действии коррелированных помех, методы адаптивного приема в канале с памятью при действии импульсных помех, ?) методы адаптивной фильтрации аддитивных коррелированных помех при разнесенном приеме, алгоритмы адаптивного кодирования-декодирования при совмещении операций демодуляции и декодирования, алгоритмы оценивания импульсной характеристики канала связи с памятью, 10) структурные схемы алгоритмов функционирования цифрового УПС
ных образцов УПС для декаметрового диапазона,
передачи дискретных сообщений по тропосферному каналу,
связи с полвиашми-ебьектами в стандарте GSM.
и результаты лабораторных и трассовых испытаний.Похожие диссертации на Методы повышения эффективности последовательных систем передачи дискретных сообщений в пространственно-временных радиоканалах
