Введение к работе
Обеспечение заданных характеристик качества приема в условиях воздействия помех является одной из основных задач при проектировании и реализации систем передачи дискретной информации (СПДИ). Решение данной задачи носит комплексный характер и зависит как от выбора сигнальных форматов, так и от алгоритмов обработки сигнала. Распространяясь по реальным каналам связи, сигнал, как правило, искажается вследствие неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) канала и характеристики группового времени запаздывания (ГВЗ) в полосе частот, занимаемой спектром сигнала. Особенно актуально это для каналов радиосвязи, когда в результате многолучевого распространения сигнала возникают межсимвольные искажения (МСИ), что является одной из основных причин неустойчивого приема. Так, в системах сотовой связи GSM, WCDMA или беспроводных сетях Wi-Fi, WiMAX при распространении радиоволн в условиях плотной городской застройки или холмистой местности может происходить сильное фазовое подавление сигнала из-за МСИ, что порождает замирания, вследствие чего мощность принимаемого сигнала может резко падать (на 20-30 дБ). В таком случае детектирование передаваемых информационных символов становится затруднительным или даже невозможным без дополнительной обработки сигнала.
Одним из эффективных методов компенсации МСИ является применение адаптивных выравнивателей (АВ), направленных на эквализацию АЧХ и ГВЗ канала связи. АВ представляет собой цифровой фильтр с перестраиваемыми весовыми коэффициентами (ВК), который добавляется в приемном устройстве перед демодулятором. Перестройка ВК АВ осуществляется в соответствии со специальными алгоритмами выравнивания, среди которых известен класс алгоритмов, способных функционировать только на основе анализа параметров входного сигнала, что позволяет отказаться от применения дополнительных информационных символов в передаваемом сигнале (обучающей последовательности для алгоритма компенсации МСИ) и наиболее эффективно использовать полосу пропускания канала связи. Данный класс алгоритмов имеет собственное название - адаптивное выравнивание вслепую (ABC).
Кроме алгоритмов обработки сигнала, направленных на компенсацию МСИ, качество приема во многом определяется выбором сигнальных форматов, а также способами их демодуляции. Класс модулированных сигналов с непрерывной фазой (МИФ) представляется перспективным для использования в современных СПДИ вследствие хороших спектральных и энергетических характеристик. Класс сигналов МНФ имеет много степеней свободы,
что позволяет подбирать оптимальные комбинации параметров сигнала для конкретных систем связи. Простейший сигнал из класса МНФ имеет собственное название - ММС (манипуляция с минимальным сдвигом; англ. Minimum Shift Keying, MSK). Сигналы MSK и основанные на них сигналы GMSK (гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом, англ. Gaussian Minimum Shift Keying) широко применяются в современных СПДИ.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на решение проблемы улучшения качества приема MSK-сигнала в условиях воздействия МСИ. Рассматриваемые в работе МСИ характерны для каналов систем сотовой связи и беспроводных сетей в условиях городской застройки и холмистой местности.
Цель работы состоит в повышении скорости и достоверности передачи сигналов, манипулированных с минимальным сдвигом, по каналам с неравномерными в полосе передачи АЧХ и ГВЗ, определяемыми многолучевым распространением сигнала, за счет применения новых алгоритмов настройки адаптивного выравнивания вслепую.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
разработка методики создания новых алгоритмов компенсации межсимвольных помех под конкретные сигнальные конструкции;
разработка и исследование алгоритмов компенсации межсимвольных помех при приеме MSK-сигнала;
разработка и исследование алгоритмов ускорения вычислений в адаптивном выравнивателе;
разработка и исследование алгоритмов ускорения сходимости;
разработка программной среды создания новых алгоритмов компенсации межсимвольных помех и моделирования процессов.
На защиту выносится теоретическое и экспериментальное обоснование применения разработанных алгоритмов для приема MSK-сигнала в условиях воздействия МСИ.
Основные научные положения работы, выносимые на защиту:
разработанные алгоритмы ABC обеспечивают повышение скорости сходимости и уменьшение СКО по сравнению с алгоритмом Годара при обработке MSK-сигнала;
применение в приемнике разработанных алгоритмов ABC позволяет в типовых многолучевых каналах радиосвязи, характерных для условий городской застройки, улучшить при приеме MSK-сигнала отноше-
ниє сигнал-шум до 1,5 дБ при вероятности ошибки 5*10" по сравнению с применением алгоритма Годара;
применение разработанного алгоритма распараллеливания вы
числений позволяет наращивать вычислительные мощности АВ за счет
увеличения количества параллельных вычислителей. Так, при увеличении
количества параллельных потоков до восьми скорость обработки отсчетов
сигнала в АВ возрастает более чем в четыре раза.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен подход к построению новых алгоритмов ABC и разработана специальная программная среда, позволяющая создавать алгоритмы адаптации под конкретные сигнальные конструкции;
предложены новые целевые функционалы (ЦФ), наиболее полно использующие априорную информацию о структуре MSK-сигнала и сигналов МНФ с рациональными индексами модуляции по сравнению с известными ЦФ, а также разработаны алгоритмы ABC на их основе;
предложен алгоритм распараллеливания вычислений в АВ;
предложен алгоритм изменения шага подстройки АВ для ускорения адаптации эквалайзера.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
предлагаемый принцип построения новых алгоритмов ABC позволяет для конкретных сигнальных конструкций улучшить характеристики качества приема, такие как скорость вхождения в связь, среднеквадратичная ошибка (СКО) восстановления принятого сигнала и вероятность ошибки;
на основе предложенных ЦФ получены новые алгоритмы ABC, показавшие для MSK-сигнала улучшение помехоустойчивости приема, увеличение скорости сходимости и уменьшение СКО по сравнению с алгоритмом ABC Годара;
проведены исследования программной реализации предлагаемого алгоритма распараллеливания вычислений в АВ, подтвердившие его работоспособность при компенсации МСИ и возможность наращивания производительности АВ за счет увеличения количества параллельных вычислителей;
разработана программная система, предназначенная для создания новых алгоритмов ABC под конкретные сигнальные конструкции и дальнейшего исследования их работоспособности и эффективности.
В рамках апробации работы результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, сессиях и се-
минарах:
третий расширенный семинар "Использование методов искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений в аэрокосмических исследованиях" (Переславль-Залесский, 2003 г.);
56-ая Научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2007 г.);
заочная электронная конференция РАЕ «Фундаментальные исследования» (2008 г.);
заочная электронная конференция РАЕ «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (2008 г.);
научно-техническая конференция «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов» (Москва, 2011 г.).
Внедрение основных результатов:
Полученные при выполнении диссертационной работы результаты внедрены в НИОКР, выполняемой по программе Союзного государства «СКИФ-ГРИД», а также в учебный процесс в МГТУ МИРЭА. Разработанная в рамках диссертационной работы программная система включена в реестр Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, что подтверждается свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Основное содержание диссертации опубликовано в 8 работах, включая тезисы докладов. Одна статья опубликована в издании, включенном в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, списка сокращений, списка обозначений, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 132 страницы текста, включающего 51 рисунок и 6 таблиц.
