Введение к работе
Актуальность темы
Современные радиотехнические системы телекоммуникаций принадлежат к группе систем, наиболее интенсивно развивающихся для удовлетворения современных потребностей человека. Значительные темпы роста объема передаваемых данных приводят к необходимости разработок новых решений для повышения эффективности работы сетей, систем и устройств телекоммуникаций.
В диссертации рассматриваются системы с прямым расширением спектра и кодовым разделением каналов (DS-CDMA системы радиосвязи), имеющие широкий спектр применений – от глобальных сетей беспроводной связи до систем передачи данных в пределах тела человека.
В реальных каналах связи ряд факторов в большинстве случаев не позволяет адекватно описывать сложные комплексы помех в рамках гауссовой модели. Вместе с этим, при одновременном присутствии в канале связи многих сигналов пользователей использование однопользовательских алгоритмов, решающих задачи обнаружения и различения неэффективно и обуславливает необходимость использования алгоритмов многопользовательского детектирования. Проблема усложняется показательной вычислительной сложностью (от количества информационных компонент в групповом сигнале) алгоритмов оптимального многопользовательского детектирования.
В рамках подходов научной школы, основанной Ш.М. Чабдаровым; с использованием конструктивного инструмента полигауссовых (ПГ) моделей и методов, автором разработаны линейные по вычислительной сложности схемы приема сигналов, решающие задачу совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA систем при наличии сложного комплекса негауссовских помех. Под задачей совместной декомпозиции здесь и далее понимается задача оптимального многопользовательского детектирования в условиях негауссовских помех. При создании указанных алгоритмов автором были проанализированы труды Я.Д. Ширмана, Ю.С.Шинакова, Б.Р. Левина, Г.П. Тартаковского, В.Г. Репина, А.П. Трифонова, Н.З. Сафиуллина, А.Ф. Надеева, Р.Р. Файзуллина, и др. по системам связи в негауссовой постановке; работы А.М.Шломы, В.Б. Крейнделина, S. Verdu, M. Juntti, A.J. Viterbi и другие публикации в области многопользовательского детектирования.
При построении алгоритма совместной декомпозиции были выявлены требования к оптимальности процедур регулировки мощности. Анализ работ Ю.С. Шинакова, А.И. Фалько, М.С. Шушнова, О.А. Шорина, М.И. Косинова, A. Sadri и M. Rintamaki позволил выявить пути построения алгоритмов регулировки мощности (АРМ), корректно функционирующих в условиях негауссового комплекса помех.
Для применения с синтезированными алгоритмами декомпозиции и регулировки мощности в диссертации используются методы эффективной адаптации параметров вероятностных смесей в реальном времени. Указанные методы были получены с использованием трудов С.А. Айвазяна, С.М. Бухштабера, А.Е. Егорова, A. Dempster, H. Hartley, F. Dellaert и других авторов, рассматривающих вопросы параметрической и непараметрической адаптации параметров случайных процессов.
Объект исследования
Объектом исследования являются современные системы беспроводной передачи информации, навигации и радиосвязи, функционирующие в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.
Предмет исследования
Предмет исследования – физически реализуемые в приложениях реального времени адаптивные алгоритмы совместной декомпозиции сигналов и регулировки мощности в присутствии сложного комплекса негауссовских помех.
Цель и задача работы
Основная цель диссертационной работы:
Повышение помехоустойчивости приема групповых сигналов DS-CDMA систем в условиях негауссовских помех посредством создания линейного по вычислительной сложности адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала.
Основная задача научных исследований:
Разработка алгоритмов приема, обработки сигналов и регулировки мощности в DS-CDMA системах в условиях комплекса негауссовских помех.
Основная задача диссертационной работы может быть решена посредством решения следующих подзадач:
-
Разработка линейного по вычислительной сложности адаптивного алгоритма совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA-систем в условиях негауссовских помех.
-
Модификация существующих систем регулировки мощности для обеспечения корректной работы в негауссовых каналах связи.
-
Создания программного обеспечения для исследования разработанных алгоритмов в радиотехнических телекоммуникационных системах.
-
Проведение интеграции разработанных алгоритмов в радиотехнические системы телекоммуникаций различного назначения.
Методы исследований
Основные результаты в рамках диссертации были получены путем систематизации, анализа и теоретического обобщения достижений в области разработки и повышения эффективности функционирования алгоритмов приема, обработки сигналов, а также регулировки мощности в радиотехнических телекоммуникационных системах.
Теоретические результаты базируются на использовании теории вероятности и математической статистики, теории полигауссовых случайных процессов, общего аппарата статистической радиотехники и теории информации.
Экспериментальные исследования проводились c использованием современного программного обеспечения математического и системного моделирования: Embarcadero CodeGear 2010; MatLAB 2011a; MathCAD 14a; Xilinx ISE Foundation 12.1; IAR ARM Compiler 5.41.
Научная новизна диссертационной работы
-
Синтезирован линейный по вычислительной сложности от количества пользователей адаптивный алгоритм совместной декомпозиции группового сигнала DS-CDMA систем в условиях негауссовских помех. Определены основные ограничения по физической реализации разработанного алгоритма, в рамках которых осуществлен синтез сигнальных созвездий ФМ и АФМ модуляции различной кратности.
-
Синтезирована векторная характеристика – параметр , состоящая из целевого значения сигнал/помеха и доверительной вероятности обеспечения заданного целевого значения в канале связи. На базе указанного параметра разработаны алгоритмы регулировки мощности, обеспечивающие корректную работу в сложном комплексе негауссовских помех, и созданы рекомендации по модификации существующих систем АРМ с итеративной регулировкой мощности.
-
В результате имитационного моделирования показан существенный выигрыш в помехоустойчивости ПГ-алгоритмов совместной декомпозиции по сравнению с корреляционными алгоритмами. Анализ результатов моделирования свидетельствует о необходимости использования в условиях действия негауссовских помех АРМ на основе предложенной векторной характеристики .
Практическая ценность диссертационной работы
-
Обеспечено повышение помехоустойчивости в DS-CDMA системах при использовании линеаризованных адаптивных алгоритмов совместной декомпозиции, обеспечивающих улучшенную обработку структурно подобных перекрывающихся сигналов в условиях негауссовских помех.
-
Разработаны рекомендации по модификации АРМ с итеративной регулировкой мощности для обеспечения корректного функционирования при воздействии негауссовских помех.
-
Создано программное обеспечение Viterbi MkII, решающее задачи имитационного моделирования и исследования характеристик представленных алгоритмов приема и обработки сигналов и регулировки мощности в широком классе радиотехнических телекоммуникационных систем.
-
Разработаны макетные образцы устройств, входящих в состав радиотехнических систем телекоммуникаций и использующих разработанные алгоритмы приема и обработки сигналов и регулировки мощности.
Реализация результатов работы
Диссертация выполнялась в соответствии с планом научных работ кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем КНИТУ-КАИ.
Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе внедрены и использованы в научно-производственной деятельности ООО КБ «Навигационные Технологии», а также в КНИТУ-КАИ в ряде плановых бюджетных и хоздоговорных работ, а также в учебном процессе по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Использование результатов диссертации подтверждается актами о внедрении.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и представлялись на следующих конференциях:
IV Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2008»;
VI-й Всероссийской научно-технической конференции
«Радиолокация, навигация, связь»;
IX-ой Международной научно-технической конференции
«Проблемы техники и технологии телекоммуникаций»;
IV, V-ой и VII-ой ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии Глобального информационного общества».
Публикации
Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 10 работах, в том числе в 4 статьях (из них – 3 в рецензируемых изданиях из списка ВАК).
Научные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие научные положения, выдвигаемые на основе полученных в диссертационной работе результатов:
-
Процедура синтеза и анализ ограничений линеаризованных адаптивных алгоритмов совместной декомпозиции группового сигнала в DS-CDMA системах на фоне негауссовских помех.
-
Процедура синтеза АРМ с итеративной регулировкой мощности в каналах связи с сложным комплексом негауссовских помех.
-
Экспериментальные результаты работы представленных в диссертации алгоритмов в радиотехнических системах телекоммуникаций.
-
Описание радиотехнических систем телекоммуникаций «Созвездие» и «Лабиринт», использующих разработанные алгоритмы приема, обработки сигналов и регулировки мощности.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 90 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 10 работ автора и содержит 163 страницы основного машинописного текста, 63 рисунка, 1 приложение.
