Методы приема сигналов в системах множественного доступа с разреженным кодированием Климентьев Вячеслав Петрович

Введение к работе

Актуальность работы обусловлена необходимостью осуществления оценки состояния канала с требуемой точностью и последующего декодирования сигналов МДРК с приемлемыми вычислительными затратами, а также синтеза кодовых книг.

Целью работы является разработка и анализ методов приема сигналов МДРК, включающих синтез кодовых книг, оценку состояния канала и декодирование.

Основные задачи диссертации:

1. Разработка алгоритма декодирования сигналов МДРК, требующего вычислительных затрат, меньших по сравнению с известными алгоритмами.

2. Разработка метода синтеза кодовых книг, не требующего оптимизации базового созвездия.

3. Анализ влияния погрешности оценки состояния канала связи в системе МДРК на её помехоустойчивость.

4. Оптимизация процедуры совместного оценивания состояния канала связи и декодирования сигналов МДРК.

5. Определение необходимого числа пилот-сигналов для оценки состояния канала связи.

Научная новизна:

6. Предложен алгоритм декодирования сигналов МДРК, который требует на порядок меньших вычислительных затрат по сравнению с МП-алгоритмом для кодовых книг малой размерности.

7. Предложен метод синтеза кодовых книг, не требующий оптимизации базового созвездия, в котором оптимизационная задача решается непосредственно для кодовых книг.

8. Исследовано влияние погрешности оценки состояния канала связи на помехоустойчивость различных схем МДРК.

9. Показано, что оптимизация процедуры совместного оценивания состояния канала и декодирования сигналов МДРК позволяет сформулировать правило распределения итераций МРА-алгоритма между этапами оценки канала и декодирования.

10. Показано, что использование схемы с разнесением позволяет уменьшить необходимое число пилот-символов для оценки состояния канала связи по сравнению со схемой без разнесения.

Теоретическая и практическая значимость.

11. Предложенный алгоритм декодирования, основанный на решении переопределенных систем линейных уравнений, обеспечивает помехоустойчивость, близкую к МП-алгоритму, для кодовых книг с одинаковой мощностью символов при меньших вычислительных затратах.

12. Предложенный метод синтеза позволяет получать кодовые книги, обеспечивающие энергетический выигрыш в АБГШ-канале по сравнению с известными кодовыми книгами.

13. Предложенные методы совместного оценивания состояния канала и декодирования сигналов МДРК позволяют гибко регулировать компромисс между качеством декодирования и вычислительными затратами.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании систем беспроводной передачи информации, предполагающих наличие большого числа пользователей или абонентских устройств, таких как сети датчиков и «Интернет вещей».

Методы исследования. Для решения сформулированных задач используется математический анализ, аппарат статистической радиотехники и теории вероятностей, а также статистическое моделирование.

Основные положения, выносимые на защиту:

14. Предложенный алгоритм декодирования в АБГШ-канале, требующий в 14-16 раз меньших вычислительных затрат по сравнению с МП-алгоритмом для кодовых книг (6 пользователей, 4 ортогональных ресурса) с одинаковой мощностью символов, проигрывающий не более 0,1 дБ при BER = 10"⁴, при этом выигрывающий более 1 дБ у алгоритма Max-Log-MPA с 5 итерациями при вычислительных затратах, меньших в 2,5-3 раза.

15. Предложенный метод синтеза кодовых книг, не требующий оптимизации базового созвездия, и кодовые книги, обеспечивающие асимптотический энергетический выигрыш, равный 0,77 дБ, в АБГШ-канале по сравнению с лучшими известными.

16. В рэлеевском канале для наиболее распространенных кодовых книг с уменьшенным числом проекций и стандартных кодовых книг в кодированной системе с 1024-битными блоками энергетические потери по сравнению с идеальным случаем при дисперсии ошибки оценки канала, равной 10~², составляют порядка 0,55 дБ и 0,65 дБ соответственно при BER = 210~⁵, при большей дисперсии ошибки эти потери начинают быстро возрастать; таким образом, данное значение дисперсии можно считать практическим верхним пределом допустимого.

17. В результате оптимизации процедуры совместного оценивания состояния канала и декодирования сигналов МДРК установлено, что при увеличении числа итераций МРА-алгоритма свыше 5, из которых 2 итерации следует применять на этапе оценки канала и 3 итерации для финального декодирования, энергетический выигрыш практически не увеличивается.

18. В схеме с разнесением минимальное число требуемых пилот-символов для оценки состояния канала в блоке ресурсов не менее чем в обратный коэффициент разреженности раз меньше по сравнению со схемой без разнесения, что позволяет увеличить спектральную эффективность системы.

Реализация и внедрение результатов. Часть основных полученных в работе результатов была использована при разработке программных модулей классификации радиосигналов в ФГУП «РНИИРС». Также часть полученных научных результатов была использована при выполнении научно-

исследовательских работ на факультете радиотехники и телекоммуникаций СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках Государственного задания Минобрнауки РФ по темам: ГЗБ/РЭС-59 «Конвергенция технологий передачи, обработки и управления информационными потоками в интеллектуальных радиотехнических системах и инфокоммуникационных сетях»; ГЗБ/РЭС-62 «Теория создания и моделирования когнитивных технологий формирования и обработки информационных потоков в перспективных радиоэлектронных системах инфокоммуникации, локации и навигации».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на 14 международных и региональных научно-практических конференциях: 18-й и 20-й международной конференции Conference of Open Innovations Association (FRUCT), Санкт-Петербург, 2016, 2017 г.; 15-м международном симпозиуме IEEE International Symposium on Problems of Redundancy in Information and Control Systems, Санкт-Петербург, 2016 г.; международной конференции International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Москва, 2016 г.; 23-й международной конференции European Wireless Conference, Дрезден, Германия, 2017 г.; международной конференции IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), Санкт-Петербург, 2017, 2018 г.; 18-й, 19-й, 20-й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA), Москва, 2016-2018 гг.; 69-й, 70-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 2016, 2017 гг.; 5-й школе-семинаре «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире», Санкт-Петербург, 2015 г.; секции радиоэлектроники Дома Учёных им. М. Горького РАН, Санкт-Петербург, 2016 г.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 15 статьях и материалах конференций, из которых: 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 7 публикаций в зарубежных изданиях, индексируемых в базах Scopus и Web of Science, 6 статей в прочих изданиях и материалах конференций.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 167 страниц основного текста, 79 рисунков, 2 таблицы. Список литературы состоит из 114 позиций.