Полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов в каналах мобильных инфокоммуникационных систем

Последние достижения в области микроэлектронных, коммуникационных и информационных технологий привели к стремительному развитию мобильных инфокоммуникационных систем. Мобильные инфокоммуникацион-ные системы — это класс систем, включающий как гражданские системы, так и системы специального назначения, решающие задачи предоставления коммуникационных и информационных услуг подвижным пользователям с использованием различных видов интегрированных абонентских терминалов. Основными тенденциями развития перспективных мобильных инфокоммуникационных систем являются увеличение объемов передаваемой информации и требований к качеству предоставляемых услуг, передача разнородной информации через единую коммуникационную инфраструктуру, расширение функциональных возможностей перспективных систем. Одной из центральных проблем инфокоммуникационных систем стала проблема обеспечения качества предоставляемых услуг (QoS — Quality of Service) в условиях ограниченных системных ресурсов, в частности, радиочастотных.

Важнейшей составляющей QoS является группа параметров, характеризующих надежность информационного обмена, в частности, вероятность битовой ошибки. С этим параметром также связаны и другие важнейшие характеристики, такие как пропускная способность системы, задержки передачи информации. В свою очередь вероятность битовой ошибки во многом определяется принципами обработки информации на нижних уровнях инфокоммуникацион-ной системы — канальном и физическом.

Поэтому одним из важнейших направлений повышения QoS и, как следствие, повышения эффективности системы в целом является совершенствование методов обработки информации на канальном и физическом уровнях.

Разработке алгоритмов и методов обработки сигналов как на физическом, так и на канальном уровнях посвящено большое количество научных трудов, среди которых следует отметить работы отечественных ученых Ко-тельникова В.А., Варакина J1.E., Тихонова В. И., Ширмана Я. Д., Шинакова Ю. С., Кловского Д. Д., Карташевского В. Г., Николаева Б. И., Чабда-рова Ш. М. и зарубежных — Феера К., Витерби А. Д, Омура Дж.К., Форни Дж. Д. и др.

При этом следует отметить, что мобильные инфокоммуникационные системы характеризуются сложной структурой сигнально-помехового комплекса, формируемого в результате воздействия таких факторов, как большое число одновременно работающих передатчиков, имеющих свободный доступ в радиоканал, многолучевая структура распространения сигналов и близость подстилающей поверхности радиолиний систем подвижной радиосвязи, что приводит к различным видам флуктуаций сигналов и порождает поток переотраженных сигналов, недостаточное обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, а в системах специального назначения — и комплексы преднамеренных помех от средств радиоэлектронной борьбы, в том числе, со структурой полезных сигналов.

В результате воздействия этих факторов сигналы и помехи представляют собой случайные процессы, со сложными негауссовскими распределениями, что необходимо учитывать при синтезе алгоритмов обработки сигналов. В настоящее время ведутся работы, посвященные изучению проблем обработки сигналов в негауссовских каналах связи, среди них работы Сосулина Ю. Г., Шелухина О. И., Метлицкого В. А., Голяницкого И. А., Карпова И. Г. и др. При этом известные алгоритмы приводят к сложным нелинейным процедурам обработки, характер нелинейности которых зависит от вида негауссовских распределений.

Большие возможности как при описании сигналов и помех, так и при анализе и синтезе алгоритмов и устройств обработки сигналов представляют вероятностные смеси стандартных распределений, которые получили всестороннее развитие в работах Ш. М. Чабдарова и его учеников: Сафиуллина Н. З., Феоктистова А. Ю., Надеева А. Ф., Файзуллина P.P., Егорова А. Е. и др. Задачи оптимального обнаружения, различения, разрешения случайных процессов с произвольными законами распределений решаются на основе использования универсальных полигауссовых, марково-смешанных, суммарно-смешанных полигауссовых моделей и соответствующих методов. В рамках этой школы были получены оптимальные и адаптивные алгоритмы разрешения сигналов на фоне комплекса негауссовских помех и шумов, на основе квазидетерминиро-ванных моделей сигналов и помех решена задача синтеза алгоритма обнаружения-различения радиоимпульсных многоэлементных сигналов на фоне комплекса шумовых и импульсных помех с использованием марково-смешанной полигауссовой модели, получены алгоритмы приема многоэлементных сигналов в целом с поэлементным принятием решений.

Для обеспечения наибольшей эффективности системы необходимо, чтобы при разработке алгоритмов обработки информации максимально учитывались многоуровневая структура информационного обмена инфокоммуникаци-онных систем и процессы межуровневого информационного обмена. При оптимизации процессов межуровневого информационного обмена необходимо учитывать информацию о процессах на одних уровнях при организации процедур на других уровнях. Одним из путей повышения эффективности инфоком-муникационных систем является совместная оптимизация процедур физического и канального уровней, направленная на обеспечение более полного информационного взаимодействия при организации процедур обработки информации, в частности, процедур демодуляции и декодирования.

В настоящее время вопросам разработки совмещенных процедур демодуляции-декодирования посвящено большое количество работ, среди которых следует выделить работы Кловского Д. Д., Карташевского В. Г., Николаева Б. И. Между тем, эти работы преимущественно опираются на гауссовские модели и корреляционные методы обработки сигналов.

Конструктивным направлением совершенствования алгоритмического обеспечения мобильных инфокоммуникационных систем является разработка алгоритмов совместной демодуляции-декодирования на основе вероятностных моделей послекорреляционного уровня, при этом учитывается объективно сложная структура сигнально-помехового комплекса и особенности межуровневого информационного обмена.

Исходя из вышеизложенного формулируется цель диссертационной работы и основные задачи ее достижения.

Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем на основе разработки полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования сигналов при воздействии комплекса негауссовских помех.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Развитие комплексного подхода к решению задачи обработки сигналов с учетом многоуровневого иерархического принципа организации информационного взаимодействия в мобильных инфокоммуникационных системах в условиях воздействия комплекса негауссовских помех.

2. Выбор и обоснование вероятностных моделей сигнально-помехового комплекса в радиоканалах мобильных инфокоммуникационных систем.

3. Решение задачи синтеза алгоритма совместной демодуляции-декодирования флуктуирующих сигналов на фоне комплекса негауссовских помех.

4. Имитационное моделирование и анализ вероятностных характеристик синтезированных алгоритмов.

5. Разработка устройства обработки сигналов на основе синтезированных алгоритмов.

Методы исследований.

Теоретические исследования. Используются аналитические методы теории вероятности и математической статистики, теории статистических решений, теории полигауссовых случайных явлений.

Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения для задач статистического и имитационного моделирования, реализованного с помощью следующих программных средств: Borland Delphi Enterprise 7.0 (Build 5.62), MathCad 2001 Professional.

Научная новизна.

В работе впервые:

1) Синтезированы полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем в комплексе негауссовских помех, имеющие однородную параллельную структуру, инвариантную относительно характера сигнально-помехового комплекса;

2) Обоснован вид поликорреляционных решающих статистик в виде взвешенной суммы частных гауссовских функционалов правдоподобия, обеспечивающих адекватное представление специфики сигнально-помехового комплекса для процедур канального декодирования;

3) Проведено исследование характеристик полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования в условиях воздействия комплекса негауссовских помех, которое свидетельствует о достоверности полученных результатов и эффективности синтезированного алгоритма;

4) Разработаны рекомендации по управлению канальным кодированием по результатам оценивания статистик сигнально-помехового комплекса;

5) Разработано оригинальное устройство демодуляции-декодирования сигналов в условиях воздействия комплекса негауссовских помех. Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Получила дальнейшее развитие методика полигауссового синтеза алгоритмов обработки сигналов с учетом принципов построения мобильных инфокоммуникационных систем в условиях воздействия комплекса негауссовских помех;

2) Синтезированы полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования, обеспечивающие повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем вследствие учета реальных характеристик канала связи, формирования адекватных решающих статистик и их использования в процессе канального декодирования;

3) Создано программное обеспечение для проведения исследований характеристик синтезированных алгоритмов методом статистического и имитационного моделирования, являющееся удобным инструментальным средством для повышения эффективности работы разработчиков аппаратуры мобильных инфокоммуникационных систем.

4) Разработано устройство обработки радиоимпульсных сигналов, обеспечивающее повышение эффективности мобильных инфокоммуникационных систем в части повышения помехоустойчивости и пропускной способности при обработке радиоимпульсных сигналов в комплексе негауссовских помех.

5) Рассмотрены вопросы практической реализации полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования на современной элементной базе.

6) Разработана структура адаптивной базовой станции, при функционировании которой осуществляется адаптация к локальному сигнально-помеховому комплексу, формируемому в районе базовой станции.

Материалы диссертации прошли апробацию на следующих научно-технических конференциях и семинарах: 7-й Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке» (Харьков, 2003), Всероссийская научно-практическая конференция «Динамика и развитие иерархических (многоуровневых) систем» (Казань, 2003), Международная научная конференция к 95-летию академика В. А. Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова» (Москва, 2003), Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004), 1-я, 2-я и 3-я Международные научно-практические конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2003, 2004, 2005).

Публикации. Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 14 печатных работах и 3 научно-технических отчетах.

Диссертация выполнялась в соответствии с 1) научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Информационно-телекоммуникационные технологии» (НИР номер гос. регистрации 01.200 308 756), 2) конкурсными грантами по «Программе развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001;2005г.г.» (Гранты Академии наук республики Татарстан № 06−6.8−164 /2002 (Ф), № 066.8−164 /2003 (Ф)), 3) планом научных работ кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Казанского государственного технического университета имени А. Н. Туполева.

Внедрение результатов диссертации. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в ФГУП «Казанский научно-исследовательский институт радиоэлектроники», а также в учебном процессе в КГТУ им. А. Н. Туполева.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• Полигауссовы вероятностные модели представления сигнально-помехового комплекса в каналах мобильных инфокоммуникационных систем;

• Полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем в комплексе негауссовских помех;

• Характеристики полигауссового алгоритма совместной демодуляции-декодирования сигналов мобильных инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех, свидетельствующие о работоспособности полученных алгоритмов, повышении помехоустойчивости и относительной пропускной способности.

• Оригинальное устройство разрешения-декодирования сигналов в комплексе негауссовских помех.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 101 наименование отечественных и зарубежных источников, в том числе 10 работ автора, и содержит 229 страниц основного машинописного текста, 70 рисунков, 3 таблицы и приложение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе проведены исследования новых алгоритмов обработки сигналов, направленные на повышение помехоустойчивости и пропускной способности мобильных инфокоммуникационных систем в условиях воздействия комплекса негауссовских помех. При этом получены следующие основные результаты:

• Получил развитие комплексный подход к решению задачи обработки сигналов мобильных инфокоммуникационных систем с реализацией процедуры сверточного декодирования в условиях воздействия комплекса негауссовских помех;

• По результатам анализа экспериментальных данных показан сложный вид распределений в реальных каналах мобильных инфокоммуникационных систем, на основе аппроксимации экспериментальных гистограмм обосновано применение вероятностных моделей представления сигнально-помехового комплекса в виде взвешенных сумм стандартных мономодальных распределений;

• Разработаны полигауссовы алгоритмы совместной демодуляции-декодирования, имеющие однородную многоканальную структуру, позволяющие существенно повысить помехоустойчивость инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех;

• На основе квазидетерминированных моделей сигналов и помех решена задача синтеза алгоритма разрешения-декодирования радиоимпульсных многоэлементных сигналов с марково-смешанными полирайсовыми распределениями амплитуд на фоне комплекса шумовых и импульсных помех;

• Разработано программное обеспечение для статистического моделирования и анализа характеристик полученных алгоритмов, являющееся удобным инструментом при проектировании устройств на основе синтезированных алгоритмов. Проведено статистическое моделирование, в ходе которого моделировалась обработка широкополосных сигналов со структурой, соответствующей структуре сигналов, применяемых в современных мобильных инфокоммуникационных системах. Результаты моделирования свидетельствуют о работоспособности и эффективности полученных алгоритмов и показывают, что применение синтезированных полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования позволяет в конкретных ситуациях более чем в два раза повысить помехоустойчивость, а также относительную пропускную способность по сравнению с алгоритмами, основанными на корреляционных методах обработки;

• Предложены рекомендации по выбору алгоритмов обработки информации на канальном уровне, на основе анализа поликорреляционных статистик, формируемых на физическом уровне;

• Разработано оригинальное устройство обработки многоэлементных широкополосных радиоимпульсных сигналов, позволяющее повысить помехоустойчивость системы в условиях воздействия негауссовских помех;

• Разработана структура адаптивной базовой станции, в которой реализуются функции адаптации к локальному сигнально-помеховому комплексу, формирующемуся в районе размещения базовой станции.

Диссертация выполнялась в соответствии с 1) планом научных работ кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем Казанского государственного технического университета имени А. Н. Туполева, 2) Научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Информационно-телекоммуникационные технологии» (НИР номер гос. регистрации 01.200 308 756), 3) конкурсными грантами по «Программе развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001;2005г.г.» (Гранты Академии наук республики Татарстан № 06−6.8−164 /2002 (Ф),№ 06−6.8−164/2003 (Ф)).

Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены и использованы в ряде плановых работ ФГУП «КНИИ-РЭ», Академии наук Республики Татарстан, в ряде плановых бюджетных и хоздоговорных работ Казанского государственного технического университета имени А. Н. Туполева, а также использованы в учебном процессе по специальностям (210 402) 2012, (210 402) 2010 в Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева. Использование результатов диссертационной работы подтверждается актами о внедрении и использовании.

Представленные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в работе решена научная задача, заключающаяся в разработке полигауссовых алгоритмов совместной демодуляции-декодирования, позволяющих существенно повысить помехоустойчивость мобильных инфокоммуникационных систем при воздействии комплекса негауссовских помех.