Введение к работе
"~"~~~
Актуальность работы. Наблюдаемое в настоящее время активное развитие сотовых систем радиосвязи приводит к значительному снижению стоимости услуг связи и, как следствие, быстрому росту количества потенциальных абонентов, которые могут быть обслужены этими системами. Такое увеличение обусловливает возрастающие требования к емкости систем связи и помехоустойчивости алгоритмов, применяемых при обработке сигналов. Понятие емкости определяется в системах радиосвязи как количество одновременно обслуживаемых пользователей в соте. Кроме того, появление современных сетей обмена информацией типа Интернет предъявляет также новые требования к скорости передачи информации и надежности канала распространения.
Все эти принципы на протяжении вот уже более десятка лет обусловливают развитие методов обработки сигналов в системах сотовой радиосвязи и появление новых типов и стандартов этих систем. Последнее достижение в этой области - система связи, построенная по принципу кодового разделения каналов (Code Division Multiple Access - CDMA) в соответствии с требованиями стандарта Is-95 (International Standard - 95). В настоящее время также разрабатываются стандарты третьего поколения сотовых систем, основанные на технологии CDMA - системы связи по стандартам UMTS (Universal Mobile Telephone Service), cdma2000 и другие. Эти стандарты определяют будущее сотовых систем радиосвязи в третьем тысячелетии и предоставляют пользователю новый набор сервисных функций, таких, как высокоскоростные каналы передачи данных, возможность выхода в сети Интернет, определение местоположения абонента (location service) и т.д.
Системы CDMA являются асинхронными адресными системами, в которых сигналы различных пользователей передаются в общей полосе частот, и разделение пользователей осуществляется по форме используемого ими сигнала, — каждому пользователю присваивается своя уникальная функция (в CDMA она называется скремблирующей функцией). Поскольку сигналы различных пользователей приходят на приемную сторону с произвольными задержками, то в таких системах обеспечение полной взаимной ортогональности сигналов оказывается невозможным. В связи с этим актуальной является задача совместного различения и оценки параметров сигналов всех пользователей, одновременно обрабатывающихся на приемной стороне. Эта проблема в зарубежной литературе получила название задачи "многопользовательского детектирования".
В последнее время в литературе появляется большое количество публикаций, посвященных данной тематике. Тем не менее, несмотря на огромный интерес к этой области, и в настоящее время здесь существует много нерешенных вопросов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка новых и совершенствование известных алгоритмов многопользовательского детектирования с целью увеличения емкости сотовых систем радиосвязи с кодовым разделением каналов.
Достижение этой цели обеспечивается двумя направлениями исследований:
-
синтез и анализ оптимальных/квазиоптимальных алгоритмов различения и оценки параметров коррелированных сигналов CDMA;
-
исследование связей между алгоритмами многопользовательского детектирования и параметрами сотовой системы как целого.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи по первому направлению исследований:
1. Анализ известных алгоритмов многопользовательского
детектирования, сравнение этих алгоритмов между собой и получение
потенциально достижимых характеристик помехоустойчивости алгоритмов
многопользовательского детектирования.
-
Синтез и анализ новых квазиоптимальных алгоритмов, сравнение характеристик этих алгоритмов с характеристиками известных методов обработки сигналов, применяемых в настоящее время.
-
Проверка и тестирование качества предлагаемых алгоритмов для следующих систем связи: прямого и обратного каналов CDMA по стандартам Is-95, обратного канала cdma2000, а также обратного канала CDMA по стандарту UMTS.
4. Исследование реализуемости предлагаемых алгоритмов, сравнение их
вычислительной сложности со сложностью известных алгоритмов.
Задачи по оценке влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы (второе направление исследований) конкретизировались следующим образом:
1. Анализ известных математических моделей сотовой системы
радиосвязи с точки зрения надежности и достоверности описания в них связей
между алгоритмами многопользовательского детектирования и емкостью
сотовой системы.
-
Формирование математической модели сотовой системы, соответствующей условиям ее функционирования.
-
Получение оценок эффективности различных алгоритмов многопользовательского детектирования на основании построенной модели.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория статистических решений, методы радиотехники и радиофизических измерений, методы теории вероятности и математической статистики. Основные статистические результаты были проверены методами компьютерного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Показано, что используемые в настоящее время в литературе границы потенциально достижимой помехоустойчивости многопользовательского детектирования являются значительно завышенными. Для всех исследовавшихся конфигураций канала распространения получены уточненные границы потенциально достижимых характеристик многопользовательского детектирования.
Синтезированы новые квазиоптимальные алгоритмы
многопользовательского детектирования, отличающиеся от известных методикой оценки мешающего влияния сигналов различных пользователей друг на друга, а также методом компенсации этого мешающего влияния.
Получены характеристики алгоритмов многопользовательского детектирования как синтезированных в настоящей работе, так и известных алгоритмов, причем существенная часть результатов получена для условий, более приближенных к реальным, чем описанных в литературе.
Проведено тестирование разработанных алгоритмов, включающее в себя моделирование полного тракта обработки сигнала CDMA строго в соответствии с требованиями стандартов связи второго (Js-95) и третьего поколения (UMTS и cdma2000) сотовых систем радиосвязи.
Выполнен анализ влияния многопользовательского детектора на свойства сотовой сети в целом. Рассмотрена возможность применения алгоритмов многопользовательского детектирования при условии перехода пользователей из соты в соту.
Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая значимость работы заключается в следующем. Применение алгоритмов многопользовательского детектирования позволяет улучшить характеристики системы связи, а именно:
увеличить емкость системы;
снизить стоимость связи;
снизить излучаемую мощность передатчика, то есть улучшить электромагнитную совместимость устройств связи, снизить мощность вредного для здоровья человека излучения, обеспечить экономию энергетических ресурсов.
Результаты исследований, представленные в работе, были использованы при выполнении НИР "Канада" с целью увеличения пропускной способности сотовых систем связи CDMA стандарта Is-95, а также при выполнении ОКР "Кодокан" с целью увеличения емкости базовых станций CDMA в Воронежском научно-исследовательском институте связи.
Положения, выносимые на защиту:
- несколько новых квазиоптимальных алгоритмов
многопользовательского детектирования для систем радиосвязи с кодовым
разделением каналов;
результаты анализа алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные как для предложенных, так и для известных алгоритмов в реальных условиях канала связи;
границы потенциальной помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные для различных стандартов систем связи;
компьютерная модель системы связи, соответствующая существующим на сегодняшний день стандартам сотовой радиосвязи и дополненная алгоритмами многопользовательского детектирования;
анализ влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы в целом (ее емкость).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 3-й, 4-й и 5-й научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация и связь". Воронеж, 1997, 1998, 1999 гг.; 2-й Международной конференции DSPA'99 "Цифровая обработка сигналов и ее применение". М., 1999.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах: в 2 научных статьях, 2 депонированных рукописях и 6 докладах на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 91 наименования. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков.
