Содержание к диссертации
стр.
Введение 4
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИФРОВОЙ 10
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТРАНКИНГОВОЙ РАДИОСВЯЗИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Тенденции развития технологических цифровых 10 транкинговых систем радиосвязи
Сравнительный анализ характеристик сигналов, 14
используемых в цифровых транкинговых системах
1. Общая структура канального кодирования 25
Статистические модели каналов цифровых транкинговых 34 систем с замираниями
Плотность вероятности синфазных и квадратурных 38 компонентов
Статистические характеристики замираний 46 Математические модели сигналов в условиях замираний 52 Постановка задачи исследования 54 Выводы 56
СИНТЕЗ И АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ РАЗЛИЧЕНИЯ 58
ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОЙ
ТРАНКИНГОВОЙ РАДИОСВЯЗИ
Постановка задачи 58
Синтез алгоритма демодуляции сигнала тс/4 DQPSK в 64
случае флуктуационного шума
Синтез алгоритмов различения сигналов при быстрых 66
замираниях
Анализ битовых метрик для DQPSK. 74
Анализ помехоустойчивости передачи сигналов в системах 77
мобильной радиосвязи стандарта TETRA
Помехоустойчивость TETRA в статике 77
Помехоустойчивость TETRA в динамике 84 Декодирование кодовых слов по максимуму апостериорной 89 вероятности для независимых источников
Выводы 91
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ 92 ИНФОРМАЦИИ В ТРАНКИНГОВЫХ СИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ ЗАМИРАНИЙ Динамика каналов с многолучевыми замираниями при 92
стр. пакетной коммутации
Оценка вероятности пакетирования ошибок в блоке 99 информации в канале с замираниями Релея
Алгоритм оценки P(m,n). 102
Программное обеспечение и результаты численной оценки 109 P(m,n).
Выводы. 125
4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ 127
СИСТЕМЫ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Разработка имитационной модели распространения 127
Описание пакета прикладных программ моделирования 135 процесса замираний.
Разработка рекомендаций по модернизации кодеков в 141 условиях замираний
Опытный район цифровой системы технологической 151 радиосвязи железнодорожного транспорта
4.4. Выводы. 154
Заключение 156
Список литературы 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 183
Введение к работе
Актуальность и состояние проблемы.
Системы технологической радиосвязи создаются с целью максимального удовлетворения на современном уровне и в наиболее короткие сроки потребностей предприятий министерств и ведомств в услугах радиосвязи.
Одно из наиболее перспективных направлений развития технологической подвижной радиосвязи для систем производственно-технологического назначения связано с развитием транкинговых систем -систем, в которых абонентам предоставляется канал связи на основе многостанционного доступа к ограниченному числу радиоканалов. Это определяется, в частности, значительно более широкими возможностями таких систем по предоставлению услуг абонентам и значительно более эффективным использованием спектра частот по сравнению с системами с закрепленными каналами.
Настоящий период характеризуется сменой поколений практически
во всех областях телекоммуникационной техники. Новое поколение
транкинговых систем - это поколение цифровых систем, обеспечивающих
повышенное качество радиосвязи в пределах зоны обслуживания,
передачу данных с высокой скоростью и достоверностью, роуминг,
возможность засекречивания информации и др. Получили
распространение новые цифровые транкинговые системы и стандарты iDEN, АРС025, TETRA, TETRAPOL, EDACS и др.
Развитие сетей технологической радиосвязи также связано с внедрением цифровых систем связи.
Во многих отраслях в связи с массовым внедрением новых информационных технологий, автоматизированных систем управления и контроля наблюдается существенное увеличение объема передаваемой информации. Наряду с необходимостью улучшения качества передачи речевой информации появилась необходимость передачи с высокой достоверностью различного рода данных.
Так, например, развитие сетей технологической транкинговой радиосвязи на железнодорожном транспорте России связано с автоматизацией процессов управления движением поездов, требованием по созданию единой сети технологической радиосвязи, объединяющей все
службы, повышением скоростей движения поездов, развитием высокоскоростных магистралей, требованиями по развитию дополнительных услуг для пассажиров и железнодорожных компаний.
Использование цифровых транкинговых систем позволяет
обеспечить организацию высоконадежных каналов диспетчерской
радиосвязи, работников ремонтных подразделений и создать
высокоэффективные системы управления, существенно расширить перечень предоставляемых услуг связи. Особенно эффективно их применение на скоростных и высокоскоростных магистралях, где требования к средствам связи и управления движением существенно возрастают, а реализация этих требований традиционными методами невозможна. Среди множества систем с точки зрения возможности использования на железнодорожном транспорте следует выделить цифровые системы транкинговой связи GSM-R и TETRA.
Поскольку в системах технологической радиосвязи предъявляются повышенные требования к оперативности передачи и достоверности приема информации, проблема обеспечения помехоустойчивости радиоканалов при передаче речевой информации и данных имеет первостепенное значение.
В диссертационной работе рассматриваются проблемы оценки помехоустойчивости в цифровых транкинговых системах подвижной радиосвязи, которые в настоящее время все более широко используются для организации ведомственных и корпоративных, а также систем подвижной связи общего пользования. Анализ таких систем и определение их характеристик необходимо проводить с использованием специальных методик и введением новых оценок, учитывающих специфические способы обработки и передачи сигналов. В частности, рассматривается методика оценки помехоустойчивости системы TETRA.
В цифровых системах радиосвязи для оценки достоверности приема информации, то есть помехоустойчивости, используется величина вероятности ошибки на бит BER [9, 14, 17-19, 39]. Обычно цель оценки помехоустойчивости состоит в получении аналитического выражения для определения вероятности ошибки на бит. Для этого рассматриваются формализованные записи выходных значений оптимальных детекторов -согласованных фильтров или корреляторов, а затем определяется вероятность принятия ложного решения. Таким образом определяется
вероятность ошибки на бит для таких типов модуляции, как двоичные и М-позиционные амплитудная модуляция и фазовая модуляция в условиях аддитивного белого гауссова шума. Для более сложных типов модуляции (тс/4 DQPSK, например) также возможно получение таких аналитических выражений с привлечением более сложного математического аппарата [19]. В общем случае вероятность ошибки на бит зависит от многих факторов, в том числе, от способа кодирования полезной информации на передающей стороне, способа модуляции, условий распространения, то есть характеристик радиоканала, способа декодирования и пр. [5, 10, 19-21, 22-24, 30, 40, 41, 54, 65]. Для различных кодов с использованием методов комбинаторной математики возможно определение верхней границы для вероятности ошибки на бит [38] для простейших типов модуляции. Кроме того, на качество восстановленной на приемной стороне речи сильное влияние оказывает и тип используемого речевого кодека.
В цифровых системах радиосвязи используются специальные методы модуляции [1, 2, 4, 5, 8]. Среди разработанных как наиболее выгодные с точки зрения минимальной ширины канала можно выделить тс/4 DQPSK и GMSK.
В работах [19-21] аналитически получено выражение для вероятности ошибки на бит для четырехфазной DPSK с кодом Грея. С помощью этого же выражения можно оценить вероятность ошибки на бит для тс/4 DQPSK для Гауссовского канала без замираний для случая, когда выборки шума некоррелированы [22].
При определении показателей помехоустойчивости обычно оценивается влияние на их величину типа декодирования. Например, установлено, что в канале с аддитивным белым Гауссовым шумом декодирование с мягким решением по максимуму правдоподобия дает выигрыш в 2 дБ по сравнению с декодированием с жестким решением [19]. В каналах с замираниями Релея улучшение может быть даже более существенным и достигать 6 дБ и выше. Одной из основных сложностей для выполнения систем декодирования с мягким решением является создание эффективного алгоритма декодирования с мягким решением - то есть алгоритма, который эффективно использует информацию с выхода демодулятора.
Вместе с тем, вопросы помехоустойчивости в современных цифровых системах радиосвязи с точки зрения учета совокупности
упомянутых факторов, применяемых способов обработки при передаче и приеме сигналов в условиях замираний, недостаточно проработаны. Так, применение методики численной оценки помехоустойчивости в условиях, например, замираний и необходимости учета применяемых методов модуляции и кодирования, основанной на аналитических выражениях, в реальности затруднено из-за значительной априорной неопределенности включенных в них параметров.
Целью диссертационной работы является разработка методов оценки помехоустойчивости речевой информации и данных при передаче в технологических цифровых транкинговых системах подвижной радиосвязи в условиях интерференционных замираний со сложными видами модуляции, кодирования, перемежения.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
Синтез и анализ оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов в условиях интерференционных замираний, вызванных движением транспортных средств;
Разработка математических моделей для описания состояний радиоканала в цифровых транкинговых системах подвижной радиосвязи в условиях быстрых и медленных замираний;
Разработка методики оценки достоверности передачи речевой информации и данных в цифровых транкинговых системах подвижной радиосвязи в условиях интерференционных замираний сигналов;
Имитационное моделирование разработанных алгоритмов оценки помехоустойчивости передачи информации в условиях интерференционных замираний, пакетирования ошибок при сложных видах модуляции, кодирования, перемежения.
Поставленные задачи решаются в работе с использованием математического аппарата теории вероятности, случайных процессов, математической статистики, математического моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Для цифровых транкинговых систем подвижной радиосвязи на основе анализа доступной информации о статистических характеристиках каналов связи разработаны алгоритмы демодуляции битов, дибитов и кодовых слов в условиях интерференционных замираний;
Предложена математическая модель потока ошибок в виде марковской цепи с тремя состояниями, на основании которой разработан алгоритм оценки вероятности пакетирования ошибок канале радиосвязи с замираниями в условиях помехоустойчивого кодирования и перемежения;
Разработана методика численной оценки помехоустойчивости передачи информации в каналах с интерференционными замираниями при пакетировании ошибок с учетом перемежения на основе результатов имитационного моделирования статистических характеристик сигналов и помех в каналах транкинговой связи;
4. Определены основные показатели помехоустойчивости для
реальных условий технологических сетей и предложены методы оценки
качества цифровой передачи речи и данных.
Основными результатами, полученными в диссертации и выносимыми на защиту, являются:
1. Оптимальные и квазиоптимальные битовые и дибитовые
алгоритмы демодуляции и декодирования кодовых символов и слов при
приеме информации со сложными видами цифровой модуляции (тс/4
DQPSK);
Математическая модель потока ошибок в виде марковской цепи с тремя состояниями для каналов с быстрыми и медленными интерференционными замираниями;
Алгоритмы и численные оценки помехоустойчивости передачи информации в каналах с интерференционными замираниями при пакетировании ошибок и помехоустойчивом кодировании, полученные на основе имитационного моделирования статистических характеристик сигналов и помех, характерных для систем транкинговой радиосвязи;
Рекомендации по совершенствованию методики оценки качества передачи речи и данных в цифровых транкинговых системах в условиях замираний при движении транспортных средств.
Практическая ценность.
Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации руководящих документов Министерства путей сообщения России:
в соответствии с приоритетами НИОКР, утвержденными указанием МПС РФ №138у 27.09.96, проведена НИР "Сеть транкинговой радиотелефонной связи";
в соответствии с Планом научно-технического развития МПС России в 2000 г. от 11.03.2000 и для исполнения Постановления №21 от 03.10.97 Коллегии Министерства путей сообщения, определяющего приоритетные направления развития, была проведена НИР "Цифровые системы технологической радиосвязи".
Полученные в работе результаты могут использоваться при новых разработках аппаратуры цифровых транкинговых сетей технологической подвижной радиосвязи. Результаты имитационного моделирования позволяют выработать рекомендации по применению различных способов обработки принимаемых сигналов в каналах цифровых транкинговых сетей технологической связи.
Результаты работы использованы при разработке «Системного проекта цифровой технологической радиосвязи железнодорожного транспорта России». Отдельные положения работы использованы при разработке программы и методики проведения испытаний в опытном районе цифровой системы технологической радиосвязи железнодорожного транспорта.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на седьмой международной научно-практической конференции «Информационные и телекоммуникационные технологии на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2002 г.); на второй Международной научно-практической конференции "Современные средства управления бытовой техникой" (Москва, 2000г.).
Основные результаты выполненных исследований содержатся в опубликованных научных работах [1-3], [7], [16], [32], [63], [66], [67].
