DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 08.08.2011

Материалы

загрузка...

Полигауссовы методы и устройства многопользовательского разрешения сигналов в мобильных инфокоммуникационных системах

Файзуллин Рашид Робертович, 08.08.2011

 

Блок полигауссовой обработки в процессе обработки группового сигнала «снабжает» вышестоящие коммуникационные уровни данной информацией с целью оперативной корректировки классифицируемых параметров QoS при изменении вероятностно-временных параметров сигнально-помеховой обстановки и условий работы в сети. В этом случае, протокольные процедуры физического и канального уровней сети (MAC/RLC), в зависимости от текущей сигнально-помеховой ситуации, загруженности сети, уровня битовой ошибки, уровня взаимных помех, осуществляют оптимизацию параметров пропускной способности системы в интересах повышения качества обслуживания внутрисетевого трафика. Косвенная информация от канальных декодеров в виде вектора оценок, вычисляемых на основе апостериорных поликорреляционных отношений правдоподобия для каждого бита, используется для принятия мягких решений в отношении битового профиля каждого из детектированных сигналов. Такой подход обеспечивает более точное восстановление реплики сигнала и повышает качество демодуляции пользовательских сигналов.

. (26)

матрица обработки статистики на i-й стадии.

В общем случае, вероятность битовой ошибки для m-го пользователя определяется как взвешенная сумма Q-функций:

. (27)

Выполнено статистическое и имитационное моделирование адаптивных алгоритмов многопользовательского разрешения МЭС при априорной неопределенности относительно параметров распределения негауссовских помех с целью оценки их помехоустойчивости, асимптотической эффективности, достижимой системной емкости и технической реализуемости на современной элементной базе. На рис. 10 представлены результаты оценки помехоустойчивости и многопользовательской эффективности Poly-PIC алгоритма по отношению к основным классам алгоритмов многопользовательской демодуляции.

В пятой главе представлены результаты практической реализации комплексного подхода к совместному исследованию, синтезу, моделированию и оптимизации построения программно-аппаратных средств, реализующих квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского разрешения сигналов в классе CDMA-систем с негауссовскми каналами.

На базе разработанного программного обеспечения для статистического моделирования полигауссовых алгоритмов обработки сигналов, программной среды MatLab с использованием стандартных библиотек Simulink Communikation и др., а также интегрированных инструментальных сред разработки приложений для ПЛИС с использованием специализированных модулей, разработан полнофункциональный программно-аппаратный комплекс для статистического и имитационного моделирования широкого класса алгоритмов и прототипов устройств обработки сигналов в мобильных CDMA-системах. В состав комплекса включено программное обеспечение синтезатора кода, симулятора временного и поведенческого моделирования работы, трассировки соединений на ПЛИС и прошивки кристалла, а также программное обеспечение, предназначенное для переноса сформированных в MatLab моделей в синтезируемый код для ПЛИС.

Рис.10. Сравнительные оценки помехоустойчивости и многопользовательской эффективности основных алгоритмов демодуляции.

Моделирования алгоритмов многопользовательского разрешения выполнено для условий, наиболее приближенных к сигнально-помеховой обстановке в реальных каналах связи CDMA-систем и включающих: изменяющееся число активных пользователей, эффект «ближней-дальней» зоны, воздействие случайной негауссовской помехи, изменения кросс-корреляции сигнатур, многолучевое распространение, Рэлеевские замирания.

Для получения сравнительных оценки эффективности разработанных алгоритмов в указанных условиях выполнено статистическое моделирование основных линейных одношаговых многопользовательских детекторов (декоррелятор, MMSE-детектор, PE-детектор), многокаскадных итеративных алгоритмов с компенсацией MAI (SIC-детектор, PIC-детектор), а также гибридных решений указанных детекторов.

=16-128 чипов (для голосового трафика используется SF=128, для быстродействующих услуг SF=16, для остальных SF=31). Возможность одновременного обслуживания до 30 активных пользователей в секторе; разброс уровней интерферирующих сигналов -5…15 дБ; реализуемые протоколы радиоинтефейса IS-95 и WCDMA FDD (UMTS). На рис.11 представлены осциллограммы процесса многопользовательского приема канальных сигналов различными алгоритмами для негауссовского канала.

Рис.11. Осциллограммы процесса многопользовательского приема в негауссовском канале : 1 -осциллограмма выходного сигнала MMSE-алгоритма; 2 - осциллограмма выходного сигнала MMSE-PIC-алгоритма; 3 - осциллограмма выходного сигнала Poly-PIC-алгоритма.

Использующиеся для принятия решений исходные статистики учитываются на длительности нескольких десятков канальных символов (интервал стационарности негауссовской помехи). Статистика процессов плоских замираний известна и может меняться от фрейма к фрейму.

Полученные новые алгоритмические и системотехнические решения устройств многопользовательского разрешения обеспечивают разумный инженерный компромисс между оптимальностью формируемых решений и вычислительной сложностью, позволяют повысить достоверность совместного приема сигналов множества активных пользователей и системную емкость за счет более полного учета вероятностно-временных характеристик канала с негауссовскими помехами и повышения качества многопользовательской демодуляции-декодирования.

На рис.12,13 показан выигрыш в вероятности битовой ошибки и системной емкости, обеспечиваемый МС-ПГ алгоритмами многопользовательского разрешения по отношению к известным алгоритмам многопользовательского детектирования в моделируемых объектно-помеховых ситуациях. На рис.14 даны оценки потерь помехоустойчивости полученных решений при различных значениях кросс-корреляции и уровне взаимной помехи.

Рис. 12. Сравнительная характеристика помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского приема для негауссовского канала

Рис.13. Оценка достижимой системной емкости в соте для негауссовского канала

Рис. 14. Сравнительные характеристики помехоустойчивости разработанных алгоритмов разрешения и основных алгоритмов многопользовательского приема при различных значениях кросс-корреляции.

Результаты имитационного моделирования свидетельствуют об адекватности физической реализации разработанных ПГ-алгоритмов и мультипроцессорных устройств многопользовательского разрешения сигналов современной элементной базе быстродействующих ПЛИС и унифицированных программно-аппаратных средств. Результаты выполненного цикла работ по комплексному моделированию показали, что практическая реализация квазиоптимальных алгоритмов многопользовательского разрешения сигналов в мобильных CDMA-системах с негауссовскими каналами является перспективным направлением, способствующим развитию и продвижению мобильных инфокоммуникационных систем следующих поколений.

В заключении сведены основные научные и практические результаты проведенных диссертационных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Разработан комплексный подход к совместному исследованию, синтезу, анализу и моделированию посткорреляционных моделей и методов помехоустойчивой обработки сигналов и реализующих их мультипроцессорных структур, позволяющий оптимизировать общий многоэтапный процесс проектирования эффективных устройств обработки сигналов в мобильных CDMA-системах с негауссовскими каналами.

2. Разработаны полигауссовы и марково-смешанные полигауссовы адаптивные алгоритмы и устройства разрешения: случайного числа детерминированных сигналов на фоне негауссовских помех, произвольно флуктуирующих сигналов и помех, квазидетерминированных многоэлементных сигналов на фоне негауссовских помех. Синтезированные алгоритмы разрешения обладают высокой степенью параллелизма, конвейерности и рекуррентности вычислений и являются инвариантными к числу элементов сигналов и виду распределений негауссовских помех.

3. Разработан адаптивный алгоритм и устройство разрешения МЭС, учитывающие динамику изменения вероятностных параметров негауссовской помехи. Адаптивные процедуры «органично» встраиваются в общую структуру алгоритмов разрешения, формируя оценки вероятностей компонент распределения полигауссовой помехи по вычисляемой совокупности гауссовских отношений правдоподобия. Статистическое моделирование показало быструю сходимость (за 40-60 циклов приема символов) оценок вероятностных весов компонент распределений к истинным значениям, что позволяет практически использовать адаптивные алгоритмы в динамично изменяющейся помеховой обстановке реальных систем связи.

4. Выполнено статистическое моделирование МС-ПГ алгоритма разрешения в негауссовской сигнально-помеховрой ситуаций при различных вероятностях наложения импульсов помехи на позиции МЭС. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что по отношению к корреляционному алгоритму вероятность полной ошибки, достигаемая МС-ПГ алгоритмом разрешения МЭС в заданных условиях воздействия негауссовской помехи, уменьшается более, чем на порядок.

5. Для решения малоразмерных задач обработки коротких преамбул или синхрогрупп, на основе полигауссовых представлений квадратурных компонент отсчетов интерферирующих сигналов и негауссовских помех, разработан алгоритм формирования многомерных зон принятия решений в адаптивных процедурах многоотсчетной обработки группового сигнала. Данный алгоритм реализует процедуру некогерентной совместной нелинейной обработки многомерных векторов отсчетов огибающей входного колебания, результатом которой является возможность оперативного построения многомерных многосвязных зон принятия решений о принадлежности многомерного вектора наблюдения наиболее вероятной сигнальной гипотезе и обеспечения дополнительного выигрыша в аппаратурной реализации и производительности устройств обработки многопозиционных сигналов.

6. Разработана классификация способов многопользовательского приема и выполнен сравнительный анализ характеристик помехоустойчивости, системной емкости и асимптотической эффективности разработанного алгоритма в широком диапазоне изменяемых вероятностно-временных параметров сигнально-помехового комплекса по отношению к линейным и итеративным многопользовательским алгоритмам. С целью дальнейшей аппаратурной оптимизации полигауссовых алгоритмов разрешения разработан адаптивный квазиоптимальный алгоритм многопользовательского разрешения сигналов, основанный на комбинированных решениях параллельного отсечения взаимных помех с инкапсулированными процедурами полигауссовой обработки группового сигнала и адаптации к параметрам помехи, обеспечивающий повышение помехоустойчивости и емкости CDMA-системы.

7. Выполнено статистическое моделирование и сравнительный анализ базовых характеристик эффективности для широкого класса алгоритмов многопользовательского детектирования (линейных, нелинейных детекторов и многокаскадных итеративных детекторов с последовательным и параллельным отсечением MAI), а также статистическое и имитационное моделирование адаптивного алгоритма многопользовательского разрешения МЭС в негауссовском канале, показавшего реальный выигрыш в достижимой помехоустойчивости, асимптотической эффективности и системной емкости при заданных ограничениях на состав и параметры сигнально-помехового комплекса.

дБ выигрыш в помехоустойчивости составляет более 3 дБ по сравнению с известными методами многопользовательской демодуляции, выигрыш в системной емкости на соту - в 3-5 раз по сравнению с гибридными многопользовательскими демодуляторами, энергетический выигрыш для идентичных значений битовой ошибки 10-3 и равной спектральной эффективности составляет 4 дБ. Полученный приемник сочетает свойства внутреннего параллелизма, многоканальности, конвейерности, рекуррентности и итеративности вычислений с экономичной реализацией на основе быстродействующих ПЛИС и унифицированных программно-аппаратных средствах.

9. Разработан полнофункциональный программно-имитационный комплекс и оригинальное программное обеспечение, позволяющие проводить комплексное статистическое и имитационное моделирование традиционных и квазиоптимальных полигауссовых алгоритмов обработки сигналов в формате радиоинтерфейсов широкополосных CDMA-систем в условиях воздействия разнородного помехового комплекса. Используемые в составе комплекса специализированные инструментальные средства разработки приложений для сигнальных процессоров и ПЛИС, позволяют практически реализовать прототипы устройств многопользовательского разрешения на базе ПЛИС и проводить полунатурные испытания их работоспособности и эффективности в широком диапазоне моделируемых сигнально-помеховых ситуаций. Данный комплекс является универсальным средством для повышения эффективности работы разработчиков алгоритмов и аппаратуры многоканальных систем передачи и обработки информации.

Таким образом, в диссертационной работе изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности и которые заключаются в разработке алгоритмов и процедур помехоустойчивой обработки сигналов в CDMA-системах с негауссовскими каналами, разработке новых методов дифференцированного доступа абонентов к ресурсам систем мобильных телекоммуникаций, а также разработке новых демодуляторов, обеспечивающих высокую надежность обмена информацией в условиях воздействия негауссовских помех.

Основные публикации по теме диссертации:

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Чабдаров Ш.М., Феоктистов А.Ю., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Оптимальный прием многопозиционных сигналов при комплексе шумовых и импульсных помех с произвольными флуктуациями // Радиотехника. - 1990. - №12. - С.32-35, автора – 0,1п.л.

Чабдаров Ш.М., Феоктистов А.Ю., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Многоотсчетная совместная обработка многопозиционных сигналов при комплексе негауссовских помех // Радиоэлектроника. - 1991. - №1. - С.71-75. (Изв. высш. учебн. заведений), автора – 0,1п.л.

Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. и др. Синтез помехоустойчивого алгоритма обработки пачек многопозиционных сигналов в комплексе негауссовских помех // Вестник КГТУ им А.Н.Туполева. - 1998. - №1. - С. 29-31, автора – 0,06 п.л.

Чабдаров Ш.М., Файзуллин Р.Р., Надеев А.Ф. и др. Структурно-стохастический подход к задаче распознавания сложных сигналов в системах идентификации объектов // Вестник КГТУ им А.Н.Туполева. - 1998. - №2. - С.7-12, автора – 0,15 п.л.

Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Егоров А.Е. Синтез обобщенного алгоритма разрешения флуктуирующих многоэлементных сигналов на основе марково-смешанных вероятностных моделей // Телекоммуникации. - 2003. - № 10. - С. 11-15, автора – 0,15 п.л.

Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Егоров А.Е. Адаптивный алгоритм разрешения многоэлементных сигналов // Телекоммуникации. - 2003. - №11. - С. 2-5, автора – 0,1п.л.