ВВЕДЕНИЕ
Развитие систем подвижной радиосвязи в мире вызвало активное внедрение новейших достижений науки и техники, а также современных радиотехнологий. Системы с кодовым уплотнением (CDMA), используемые вначале в военных целях, нашли все более широкое применение при создании сотовых систем.
В CDMA применяется технология расширенного спектра. При этом все абоненты используют один и тот же выделенный участок частотного диапазона. Технологии CDMA, применяемые в цифровых сотовых системах связи регламентируются международным стандартом IS-95.
При использовании CDMA существенным является баланс между зоной покрытия, качеством сигнала и емкостью, оптимальное сочетание которых позволяет получить систему нужного уровня.
Преимуществами систем CDMA по сравнению с системами сотовой связи являются:
- высокая помехоустойчивость;
- более высокая емкость системы;
- уменьшение мощности радиоизлучения и потребляемой энергии;
- сокращение количества базовых станций при охвате той же территории;
- меньшая вероятность «блокировки» вызова (отказа в соединении абонентов).
При этом следует иметь в виду, что основным фактором, определяющим принципы построения системы и значения большинства ее параметров, является обеспечение требуемой помехоустойчивости
В системах сотовой связи с кодовым разделением каналов используются ортогональные расширяющие коды, что позволяет сделать их общими для всех сот сети и минимизировать таким образом уровень взаимных помех между абонентами внутри одной соты. Обнаружение
5
сигнала при этом обеспечивается путем когерентного детектирования пилот-сигнала. Длительность псевдослучайной последовательности берется меньше разности времени прихода двух лучей, что позволяет принимать эти лучи в виде раздельных сигналов, которые могут быть объединены на выходе приемника для получения лучшего отношения сигнал/шум.
Однако в ходе практической работы было выявлено следующее противоречие: при воздействии на приемник базовой станции технологии CDMA узкополосной помехи, превышающей динамический диапазон данного приемника, не обеспечивалась теоретически рассчитанная помехоустойчивость.
Теоретический анализ данного противоречия показал, что воздействие мощных помех на приемное устройство может привести к значительным изменениям в режимах работы отдельных каскадов, к проявлению существенных нелинейных эффектов, значительно ухудшающих качество выделения полезного сигнала за счет изменения структуры суммарного сигнала.
В условиях непрерывного роста количества работающих систем беспроводной связи ситуации, когда уровень взаимных помех систем широкополосной связи превышает динамический диапазон приемных устройств, возникают достаточно часто.
Исследованию нелинейных эффектов, сопровождающих прохождение сигнала большой мощности (или смеси сигнала и помехи) по приемному тракту посвящено достаточно много работ. Подробно исследованы явления перегрузки усилительных устройств, перекрестные искажения и интермодуляция, образование комбинационных частот, подавление слабого сигнала более мощным в детекторе. Однако адекватный анализ функционирования приемника при воздействии мощной узкополосной помехи с одновременным учетом нелинейных и инерционных свойств его каскадов, на наш взгляд, пока не завершен.
б
Таким образом, существует актуальная научная проблема защиты радиоприемных устройств с шумоподобными сигналами от превышающих их динамический диапазон помех с учетом влияния нелинейно-нестационарных эффектов, проявляющихся в виде комбинационных . компонент при взаимодействии нескольких сигналов, по крайней мере, один из которых значительно превышает другой.
Можно выделить два направления решения данной задачи.
1. Недопущение воздействия помехи на радиоприемное устройство (или существенного ослабления уровня помехи).
Здесь возможны следующие методы: режекция пораженной части спектра широкополосного сигнала и компенсация помехи в радиоприемном устройстве путем создания ее копии с последующим вычитанием.
2. Реализация соответствующей обработки входной смеси в самом приемном устройстве с целью наилучшего выделения полезной информации без расширения динамического диапазона.
При этом необходимо исключить такие методы как расширение динамического диапазона, так как в этом случае заметно уменьшается способность приемного устройства выделять слабый сигнал на фоне сильной помехи и увеличивается инерционность приемного устройства.
Использование нелинейных методов линеаризации приводят к явному усложнению схемы приемника, которое становится еще значительнее, если синтез линеаризующих элементов проводится на основе теории нелинейной фильтрации.
Оптимальным методом решения данной задачи является математический синтез пары "сигнал - фильтр" с определением формы сигналов и помех для обеспечения требуемой помехоустойчивости.
Анализ условий синтеза, в первую очередь при изменении вида помех, выявил следующие трудности и особенности.
Для коррелированных с полезным сигналом помех вычисление корреляционного интеграла не является оптимальной процедурой.
7
При обнаружении или выделении флуктуирующих сигналов качество обнаружения оказывается зависящим не только от энергии сигнала, но и от его формы.
Наибольшие трудности возникают при не полностью известной функции правдоподобия. Можно применить минимаксный метод, когда ищется наименее благоприятное распределение случайных параметров (при котором минимальное значение среднего риска имеет наибольшее из всех возможных значений), и это распределение принимается за истинное. Иначе, можно полагать распределение случайных параметров равномерным на интервале всех возможных значений, при этом процедура синтеза резко упрощается.
Наиболее приемлемым подходом является расширение требований к системе, состоящее в том, чтобы система оценивала не только значение воспроизводимого сообщения, но и вектор всех случайных (неинформационных) параметров сигнала. Результат оценки неинформационных параметров используется для доопределения вида функции правдоподобия с последующей оптимизацией правила принятия решения о значении воспроизводимого сообщения (адаптивные алгоритмы). При реализации адаптивных алгоритмов широко применяются стохастические итерационные методы, приводящие к рекуррентным процедурам, когда каждый параметр оценивается в дискретном времени и каждая последующая оценка формируется с учетом оценки, полученной на предыдущем шаге. С течением времени качество оценки улучшается и (если алгоритм является асимптотически эффективным) стремится к тому значению, которое имело бы место при наличии полной априорной информации.
С учетом вышеизложенного, объектом диссертационного исследования является система связи с шумоподобными сигналами, функционирующая в условиях многолучевости и помех, превышающих динамический диапазон приемника.
8
Предметом исследований является пара "сигнал - фильтр" с определением формы сигналов и интермодуляционных помех для обеспечения требуемой помехоустойчивости, реализацией которой являются:
математическая модель и устройство приема многолучевого сигнала в линейном канале;
статистические характеристики сигналов, помех и интермодуляционных продуктов на выходе безынерционного нелинейного элемента;
математическая модель оценки вектора всех случайных (неинформационных) параметров сигналов и интермодуляционных продуктов и устройство для ее реализации.
Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости устройств приема и обработки сложных сигналов систем CDMA, в условиях воздействия помех, превышающих динамический диапазон приемника, за счет дополнительного использования информации о форме комбинационных составляющих.
Научная задача исследований состоит в разработке математической модели и синтезе устройства приема и обработки сложных сигналов в условиях интерференции и функциональных преобразований с учетом фазовых и временных соотношений каждой из составляющих входной смеси.
Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:
1) разработка модели многолучевого канала, позволяющей без существенной потери качества, минимизировать сложность разрабатываемой модели нелинейной части приемника, и синтез на ее основе устройства линейной обработки сигналов в каналах с замираниями;
2) определение статистических характеристик процесса после нелинейного преобразования, позволяющих учесть фазовую структуру
9
вектора всех случайных (неинформационных) параметров сигнала и комбинационных продуктов;
3) разработка математической модели и синтез устройств приема и обработки сложных сигналов в условиях интерференции и функциональных преобразований, позволяющих осуществлять отдельную обработку комбинационных продуктов;
4) конкретизация математической модели для наиболее важных частных случаев.
Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач использованы методы теории статистической радиотехники, теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории корреляционного и спектрального анализа, теории спектральной обработки информации, теория оптимального приема.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована цель работы, изложены основные результаты приведенных исследований, показаны их научная новизна и практическая значимость, указаны основные положения, выносимые на защиту.
1. В первой главе показано, что в системе CDMA при борьбе с многолучевостью не учитываются корреляционные связи между лучами и -не в полной мере - изменение со временем параметров различения. В результате практически выявленного противоречия, заключающегося в том, что при воздействии на приемник базовой станции системы CDMA узкополосной помехи, превышающей динамический диапазон данного приемника, не обеспечивалась теоретически рассчитанная помехоустойчивость, выявлено, что в системе не предусмотрены методы эффективной защиты от помех, превышающих динамический диапазон приемника. Проведен анализ методов защиты от помех, уровень которых превышает обеспечиваемый алгоритмом сжатия допустимый запас помехоустойчивости. Показано, что интермодуляционные продукты
10
нечетных порядков, которые попадают в полосу полезного сигнала, повторяют его по форме, что требует при синтезе устройств фильтрации оценивать фазовую структуру этих составляющих. Анализ нелинейных взаимодействий, основанный на определении энергетического спектра отклика нелинейного элемента по его автокорреляционной функции, не позволяет учитывать тонкую (фазовую) структуру сигналов и интермодуляционных компонент, что приводит к завышенным оценкам эффективности каналов связи. Показано, что для синтеза устройств фильтрации необходимо использование метода анализа нелинейных взаимодействий во временной области. Этот метод позволяет исследовать эффекты нелинейных взаимодействий в каналах связи с нелинейной амплитудной и амплитудно-фазовой характеристиками в различных условиях помеховой обстановки. Осуществлен выбор критериев качества и постановка проблемы исследования.
Во второй главе проводится анализ методов оценки помехоустойчивости систем сотовой связи с кодовым разделением каналов применительно к рассматриваемой задаче. Проведен анализ методов максимального правдоподобия, Винера - Хопфа и оптимальной нелинейной фильтрации. Рассмотрение применения указанных методов для рассматриваемой модели показывает, что для линейной части приемника целесообразно использовать метод максимального правдоподобия, а для нелинейной части - метод максимума апостериорной плотности вероятности, так как именно этот метод позволяет проводить оценку параметров во временной области. На основе выбранных методов проведен синтез оптимального алгоритма приема линейной части модели при условии многолучевого распространения. Показано, что для учета корреляционных связей между принимаемыми лучами необходимо осуществлять их разделение на интервале информационной посылки, при этом при приеме сигналов сначала определяется область допустимых задержек, в пределах которых находится принимаемый сигнал. Выделение лучей производится на
11
втором этапе в этой области. Так как оценка производится на длительности информационной посылки, то при следующей оценке учитывается только смещение области на единицу вправо или влево. Проведен анализ помехоустойчивости предлагаемой модели приема многолучевого сигнала, который показал, что при превышении сигнал/шум более 10 раз достаточно принимать один из лучей. Данный вывод позволяет упростить разработку математической модели нелинейной части приемника. Предложена схема линейной части приемника, реализующая предлагаемый алгоритм.
В третьей главе на основе анализа спектральных характеристик делается вывод о том, что наиболее важные свойства систем могут быть выявлены в переходном режиме или на этапе получения динамических характеристик. Поэтому для решения задачи фильтрации интермодуляционных продуктов целесообразно использовать спектральные характеристики, относящиеся к динамическим спектрам. Поэтому среднее для нестационарного случайного процесса необходимо рассматривать как результат двукратного усреднения: по множеству для определения фазовой структуры и затем по времени для получения оценок эффективности. Использование данного подхода позволяет выделить при многолучевом распространении пики интерференции, что позволяет решить задачу идентификации трактов. В случае же нелинейных взаимодействий данный подход в явном виде определяет структуры выходного процесса и объясняет выявленное практически противоречие: узкополосный сигнал подавляет систему CDMA. В соответствии с выбранным во втором разделе методом анализа помехоустойчивости проводится синтез уравнений оптимальной фильтрации дискретно-непрерывных сигналов для технологии CDMA. Анализ полученных уравнений показывает, что их решение в рамках поставленной проблемы возможно при нахождении статистических характеристик процесса на выходе нелинейного элемента во временной области. Показано, что функционал плотности вероятности огибающей выходного процесса связан с входным сигналом нелинейной зависимостью и
12
его определение связано со значительными трудностями и в общем случае в замкнутом виде получено быть не может. Поэтому для определения статистических характеристик предлагается использовать разложение характеристического функционала в ряд по моментным функциям. Получены выражения для первых двух моментов процесса на выходе нелинейного элемента во временной области. На основе полученных выражений осуществляется решение уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова с учетом следующих факторов. Вероятность ошибки дискретного параметра на данном тактовом интервале минимальна, если на каждом интервале вычисляются апостериорные вероятности и в качестве оценки выбирают то значение параметра, для которого величина апостериорной вероятности в конце предыдущего интервала максимальна, причем в качестве априорной вероятности дискретного параметра берется значение апостериорной вероятности в конце предыдущего интервала. При оценке непрерывных параметров учитывается влияние дискретного изменения информационных параметров сигнала и помехи, в общем случае имеющих разные задержки. Полученные соотношения проверены для известных случаев и показана их идентичность. N
В четвертой главе рассмотрены вопросы практического построения математических моделей устройств фильтрации сигналов в системе CDMA в условиях нелинейных взаимодействий сигналов и помех. Получены выражения для оценки непрерывных параметров сигналов, помех и интермодуляционных продуктов третьего порядка при наличии временных задержек между ними. На основе полученных выражений синтезированы устройства фильтрации неинформационных параметров указанных составляющих процесса после нелинейного преобразования. Полученные схемы отличаются от известных наличием дополнительных трактов обработки интермодуляционных продуктов, структура которых определена в третьем разделе. С учетом выявленных особенностей построены математические модели для наиболее важных частных случаев. Решена
13
задача определения адреса абонента при наличии системных и интермодуляционных помех. Разработана структурная схема оптимального обнаружителя когерентных сигналов, оценена помехоустойчивость данной схемы. Разработаны математические модели устройств фильтрации в случае псевдослучайной перестройки рабочей частоты принимаемого сигнала. Решена задача фильтрации параметров сигнала в случае воздействия на систему мощной узкополосной помехи, отличающаяся от аналогов практически полным исключением эффекта подавления. Разработано устройство приема дискретных параметров при наличии интермодуляционных продуктов, основанное на способе квазиоптимального весового накопления. Проведена оценка помехоустойчивости предлагаемых устройств фильтрации сигналов в условиях многолучевости и нелинейных взаимодействий. Результаты расчетов показывают, что предлагаемые модели и устройства их реализующие обеспечивают выигрыш в помехоустойчивости при отношении сигнал/шум более 10 раз не менее 3 дБ.
В заключении обобщены итоги и результаты проведенных исследований.
В приложениях показаны примеры расчета помехоустойчивости предлагаемых моделей.
Научная новизна исследований заключается в следующем.
1. Обоснована и решена задача приема сигналов в условиях многолучевости, позволяющая осуществить группирование лучей по различаемому признаку и минимизировать количество лучей участвующих в обработке сигнала.
2. Разработан метод определения статистических характеристик случайного процесса после функционального преобразования, учитывающий фазовую структуру интермодуляционных продуктов и позволяющий осуществить их независимую обработку и исключить эффекты подавления.
3. Разработана математическая модель и синтезированы устройства фильтрации неинформационных параметров сигналов и помех,
14
учитывающие статистические характеристики составляющих процесса после нелинейного преобразования во временной области, включающие расчет первых двух моментов процесса с учетом наличия взаимных задержек между полезным и мешающими сигналами, возможностью воздействия мощного мешающего сигнала и псевдослучайной перестройки рабочей частоты сигнала.
Практическая значимость работы состоит в следующем.
1. Предложенное решение для приема сигнала в условиях многолучевости позволяет упростить схемы приемников в каналах с замираниями без существенного снижения их помехоустойчивости.
2. Разработанный метод определения статистических характеристик случайного процесса после функционального преобразования может быть использован при синтезе систем фильтрации в задачах, требующих выделения и/или компенсации интермодуляционных продуктов.
3. Разработанная математическая модель фильтрации может быть использована при решении задачи синтеза в целях обеспечения требуемой помехоустойчивости в сложных условиях электромагнитной обстановки.
4. Разработанные схемы устройств фильтрации позволяют повысить эффективность функционирования приемных устройств в условиях воздействия помех, превышающих их динамический диапазон.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Модель реализации многолучевого канала с учетом корреляционных связей лучей.
2. Определение статистических характеристик процесса после нелинейного преобразования, с учетом фазовой структуры вектора случайных (неинформационных) параметров сигнала и комбинационных продуктов.
3. Математическая модель устройства приема и обработки сложных сигналов в условиях интерференции и функциональных преобразований.
15 Личный вклад автора состоит в следующем.
1. Разработке модели и устройства приема сигналов в многолучевом канале с учетом корреляционных связей лучей.
2. Определении первых двух моментов процесса на выходе безынерционного нелинейного элемента с учетом фазовой структуры его составляющих, включая интермодуляционные продукты.
3. Разработке математической модели оценки неинформационных параметров сигналов, помех и интермодуляционных продуктов после функционального преобразования, исключающие накопление ошибок.
4. Синтезе устройств фильтрации вектора непрерывных параметров на основе разработанной модели для практически важных случаев.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на VI научно-технической конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2002), научно-технической конференции «Студенческая наука - экономике России» (Ставрополь, 2002), VIII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2004), I международной научно-технической конференции «Инфокоммуни-кационные технологии в науке, производстве и образовании» (Ставрополь, 2004), XII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (Самара, 2005).
Опубликовано 18 статей и тезисов к докладам, в том числе по теме диссертационных исследований опубликовано 11 печатных трудов, в том числе 6 статей в периодических научных изданиях; 5 публикаций в форме докладов на конференциях.
Практическая значимость работы подтверждена двумя актами о реализации. Подана заявка на предполагаемое изобретение.
Автор глубоко благодарен научному руководителю кандидату технических наук, доценту Александру Федоровичу Чипиге за постановку задачи и постоянное внимание к работе.
16
1 РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ МЕТОДИКИ АНАЛИЗА СИСТЕМЫ CDMA В УСЛОВИЯХ ПОМЕХ, ПРЕВЫШАЮЩИХ ДИНАМИЧЕСКИЙ
ДИАПАЗОН ПРИЕМНИКА
1.1 Классификация систем CDMA как объекта анализа. Общий подход к анализу характеристик нелинейных взаимодействий
Наиболее известная на сегодняшний день система с шумоподобными сигналами (ШПС) - это CDMA2000 (ранее IS95) [5, 12, 73,87, 103, 108]. Эта система изначально проектировалась как система мобильной связи, поэтому в ней не реализованы многие преимущества, характерные для систем с ШПС, применяемых в сетях фиксированной связи, где задержка в радиоканалах меняется медленно.
Общие принципы ШПС - расширение спектра за счет модуляции псевдослучайной последовательностью в сочетании с кодовым разделением физических каналов - однозначно определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы [3, 20, 22,25,26,31,41, 47, 51, 55, 82, 122, 133,135,141].
Применение ШПС позволяет эффективно бороться с многолучевостью, присущей системам сотовой связи [12, 14,38, 48, 53, 61, 62, 74, 76, 79, 81, 96, 104] . Основные методы борьбы с многолучевостью приведены в таблице 1.
Разрешающая способность ШПС достаточно велика, что позволяет выделять отдельные лучи при многолучевом распространении радиоволн, предотвращая их интерференцию и не допуская замираний. При этом увеличивается мощность принимаемого сигнала за счет когерентного складывания отдельных лучей. Благодаря этому расширяется зона действия систем с ШПС, что позволяет в 2-3 раза уменьшить число организуемых сот [5,7, 13, 41,42, 62,69, 74,79, 84, 87, 88,95,108, 109, 122].
17
Таблица 1.1 - Методы борьбы с многолучевостью
Метадм &арь6ы
Частотное
Временное
С ИТОНЫ&ДОМ
антенн
-сасжтгмвя информации
-с передачей ортогональных сигналов
(нанесение
разнесение
______|.
Нешвное рикесеми!
Мнопоярквся
Палярзнщноннсе
приешш -Ммогакяишшны!
фильтр
Применение специальных алгоритмов обработки ШПС (алгоритмы Rake) [5] обеспечивает уменьшение замирания сигналов благодаря достаточному разрешению сигналов по дальности при многолучевом распространении радиоволн и их сложении (в ряде случаев когерентном). Полученный от этого энергетический выигрыш облегчает построение передающего и приемного устройства, расширяет зону обслуживания и улучшает качество связи путем стабилизации остаточного затухания. При проектировании радиолиний не нужно обеспечивать запас мощности с целью снижения влияния интерференции сигналов.
Возможность успешной работы в условиях многолучевого распространения связана с корреляционным приемом [10, 11, 21, 37, 57, 60, 77, 84, 97, 99, 102, 104, 109, 114, 116, 117, 122] .В приемнике ШПС системы CDMA ведется раздельная обработка нескольких лучей. В каждом канале |
