Полигауссовы методы и устройства многопользовательского разрешения сигналов в мобильных инфокоммуникационных системах
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ)
________________________________________________________________________________
На правах рукописи
ФАЙЗУЛЛИН РАШИД РОБЕРТОВИЧ
ПОЛИГАУССОВЫ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО РАЗРЕШЕНИЯ СИГНАЛОВ В МОБИЛЬНЫХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
Специальность 05.12.13. – «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Казань 2011 г.
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева (КГТУ- КАИ)
| Научный консультант | Доктор технических наук, профессор Чабдаров Шамиль Мидхатович г. Казань |
| Официальные оппоненты | Доктор технических наук, профессор Шевцов Вячеслав Алексеевич г. Москва |
| Доктор технических наук, профессор Султанов Альберт Ханович г. Уфа | |
| Ведущая организация | Доктор технических наук, профессор Песошин Валерий Андреевич г. Казань ОАО «КОНЦЕРН «СОЗВЕЗДИЕ», г. Воронеж |
Защита состоится «7» октября 2011 г. в 14 часов 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д212.079.03 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 31/7, ауд. 504.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, с авторефератом можно ознакомиться на сайте ВАК РФ: http:// vak.ed.gov.ru/ru/dissertation.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, прошу выслать по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, д.10, КГТУ им. А.Н.Туполева, ученому секретарю диссертационного совета Д212.079.03.
Автореферат разослан «____» _______________ 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета Щербаков Г.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Отличительной особенностью современного этапа развития мобильных инфокоммуникационных систем является прогрессирующий рост потребностей в качественных высокоскоростных услугах связи, используемых практически во всех сферах деятельности современного информационного общества.
Эффективность мобильных инфокоммуникационных систем, базирующихся на технологии кодового разделения каналов (CDMA-системы), ограничена множеством факторов, включающих влияние внутрисистемных помех множественного доступа (MAI - Multiple Access Interference), неустойчивость и многообразие вероятностных распределений помехового комплекса, нестационарность канала, случайные флуктуации комплексных множителей канала, замирания радиосигналов и пр. Реальная эффективность CDMA-систем с негауссовскими каналами во многом определяется достижимыми характеристикам помехоустойчивости, системной емкости и вычислительной сложности используемых алгоритмов и устройств совместной обработки случайного числа сигналов в сложном помеховом комплексе, характерном для современных CDMA-систем.
Обострившийся в последние годы дефицит частотного, энергетического и пространственного ресурса радиоканалов, а также особенности помехового комплекса CDMA-систем требуют использования адекватных моделей вероятностного описания реальных негауссовских помех, обеспечивающих разработку и внедрение новых алгоритмических и технических решений, направленных на повышение эффективности CDMA-систем в интересах надежной передачи интегрального пакетного трафика в сложных и изменчивых условиях информационного взаимодействия пользователей.
Исследованию негауссовских помех, разработке математических моделей и методов помехоустойчивой обработки сигналов в условиях априорной неопределенности посвящены работы Ф.Е.Фальковича, Р.Л.Стратоновича, Ю.Г.Сосулина, Я.Д.Ширмана, Б.Р.Левина, Ю.С.Шинакова, А.П.Трифонова, В.Шварца, О.И.Шелухина, В.И.Тихонова, Ш.М.Чабдарова, Н.З.Сафиуллина, Р.Л.Малахова, Ю.П.Кунченко, И.Г.Карпова, В.А.Шевцова, И.А.Колтунова, И.А.Голяницкого, В.И.Мудрова, М.А.Миронова, В.А.Метлицкого и др.
Для решения задач повышения системной емкости при использовании некоррелированных или слабокоррелированных сигналов активно разрабатываются методы многопользовательского приема сигналов с компенсацией помех MAI. Многопользовательские алгоритмы совместно обрабатывают сигналы пользователей с учетом текущих оценок уровня и структуры MAI, а также оценок вероятностных характеристик каналов связи, обеспечивая повышение качества демодуляции сигналов активных пользователей и повышение пропускной способности сети в целом.
Среди наиболее значимых результатов в разработке теории и приложений многопользовательского приема в классе CDMA-систем нужно указать научные работы М.А.Быховского, А.М.Шломы, В.Б.Крейнделина, В.П.Ипатова, Д.Ю.Панкратова, Е.В.Гончарова, А.В.Гармонова и др., а также работы зарубежных ученых: S.Verdu, R.Lupas, A.Viterbi, A.Duel-Hallen, X.Wang, M.Juntti, J.Holtzman, P.Patel, Z.Zvonar, V.Poor, B. Aazhang, S. Moshavi, D. Divsalar, M. Varanasi, A. Kajiwara, M. Nakagawa, F.Zheng, S.Barton, R.Mueller, S.Miller, A.Rajeswari, P.Stavroulakis, K.Kettunen, T.Wong, G.Xu, Z.Lei, L.Hanzo, M.Honig, и др. В работах указанных авторов изложены вопросы синтеза оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов многопользовательской демодуляции с различными уровнями вычислительной сложности, устойчивых к проблеме «ближний-дальний» для синхронных и асинхронных каналов.
Важно отметить, что для рассматриваемого класса систем обработка входного колебания связана с проблемой определения количественного и качественного состава текущей комбинации полезных сигналов и помех множественного доступа по результатам обработки группового сигнала с последующим выделением битового профиля детектированных сигналов каждого из пользователей.
Указанные обстоятельства позволяют сформулировать актуальную научную проблему и ключевое направление научных исследований - оптимальное многопользовательское разрешение случайного числа сигналов в комплексе внутрисистемных, в том числе негауссовских помех, которые не описываются адекватно отдельными стандартными малопараметрическими распределениями вероятностей. В данной трактовке задача разрешения сигналов адекватна многим актуальным задачам современной теории многоканальной связи и статистической радиотехники, а ее решение в указанных условиях функционирования позволяет повысить емкость CDMA-систем и показатели надежности связи в негауссовских каналах.
Научная проблема заключается в теоретическом обосновании и разработке методов помехоустойчивой обработки сигналов на фоне негауссовских помех в интересах повышения эффективности систем мобильных телекоммуникаций с кодовым разделением каналов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
Объект исследования - широкополосные системы мобильной связи с кодовым разделением каналов.
Предмет исследования - научно-обоснованные методы и технические решения обработки сложных сигналов, позволяющие повысить эффективность работы многоканальных систем сотовой связи с кодовым разделением каналов в негауссовских помехах.
Цель исследования - повышение помехоустойчивости и системной емкости широкополосных CDMA-систем с негауссовскими каналами.
Для достижения поставленной цели научного исследования в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
- Разработан комплексный подход к совместному исследованию, анализу и синтезу математических моделей адекватного описания сигнально-помехового комплекса в каналах CDMA-систем, алгоритмов помехоустойчивой обработки сигналов и реализующих их мультипроцессорных вычислительных структур, обеспечивающих сбалансированные с точки зрения «эффективность- вычислительная сложность» алгоритмические и системотехнические решения.
- Разработаны оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы и мультипроцессорные устройства полного разрешения многоэлементных сигналов (МЭС) в негауссовских каналах для случайной, детерминированной и квазидетерминированной моделей сигнала на основе полигауссовых (ПГ) и марково-смешанных полигауссовых (МС-ПГ) моделей. Даны оценки эффективности и вычислительной сложности синтезированных алгоритмов разрешения.
- Разработаны адаптивные процедуры оценки параметров помехового комплекса в условиях априорной неопределенности, реализованные в структуре алгоритма разрешения сигналов. Разработаны процедуры многоотсчетной обработки коротких групп сигналов для повышения быстродействия и достоверности адаптивных устройств принятия решений по сигналу «в целом».
- Выполнен сравнительный анализ линейных и итеративных нелинейных алгоритмов многопользовательского приема и получены оценки их помехоустойчивости и достижимой системной емкости в широком диапазоне моделируемых сигнально-помеховых ситуаций.
- Разработаны адаптивные алгоритмы многопользовательского разрешения многоэлементных сигналов на основе синтезированных МС-ПГ алгоритмов разрешения и процедур многопользовательского приема с отсечением MAI, обеспечивающие повышение системной емкости и качества обслуживания интегрального трафика в негауссовских каналах.
- Разработаны патентоспособные мультипроцессорные устройства многопользовательского разрешения многоэлементных сигналов, обладающие полиномиальной вычислительной сложностью.
- Выполнено комплексное статистическое и имитационное моделирование синтезированных адаптивных алгоритмов и мультипроцессорных устройств многопользовательского разрешения сигналов для близких к реальным сигнально-помеховым ситуациям и получены оценки базовых характеристик эффективности их работы в негауссовских каналах по отношению к известным методам многопользовательской демодуляции.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой работы послужили исследования в области статистической теории связи, статистической радиотехники, теории вероятностных смесей случайных явлений, теории многопользовательского детектирования, теории сложных сигналов, теории статистических решений, а также статистическое компьютерное моделирование на базе специализированного программного обеспечения и программной среды MatLab, полунатурное моделирование на базе специально разработанного программно-аппаратного имитационного комплекса и современных интегрированных инструментальных сред разработки приложений для ПЛИС.
Научная новизна
- 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 устройств помехоустойчивой обработки сигналов в мобильных CDMA-системах с негауссовскими каналами.
- Разработаны полигауссовы и марково-смешанные полигауссовы адаптивные алгоритмы и устройства разрешения: детерминированных сигналов на фоне негауссовских помех, произвольно флуктуирующих сигналов и помех, квазидетерминированных сигналов на фоне негауссовских хаотических импульсных помех в условиях априорной недостаточности.
- Разработаны адаптивные полигауссовы алгоритмы многопользовательского разрешения с параллельным отсечением помех множественного доступа, обеспечивающие повышение помехоустойчивости и емкости мобильных CDMA-систем в негауссовских каналах.
- Разработана классификация способов многопользовательского приема и выполнен сравнительный анализ наиболее эффективных и технически рентабельных решений на базе линейных одношаговых и итеративных квазиоптимальных многопользовательских алгоритмов с отсечением взаимных помех множественного доступа.
- Выполнено статистическое моделирование и сравнительный анализ характеристик помехоустойчивости, системной емкости и асимптотической эффективности синтезированных алгоритмов многопользовательского разрешения в широком диапазоне изменяемых вероятностно-временных параметров сигнально-помехового комплекса по отношению к известным методам многопользовательской демодуляции.
- Разработан адаптивный мультипроцессорный Poly-PIC приемник, обеспечивающий наилучшие характеристики приема (с точки зрения качества разрешения случайного числа сигналов) для заданных параметров негауссовского сигнально-помехового комплекса и состояния канала связи. Полученный приемник сочетает свойства внутреннего параллелизма, многоканальности, конвейерности, и рекуррентности вычислений с экономичной реализацией на основе быстродействующих ПЛИС и унифицированных программно-аппаратных средствах.
Практическая значимость работы
- Разработанные алгоритмы разрешения сигналов в комплексе негауссовских помех приводят к универсальным техническим решениям мультипроцессорных устройств, обладающих полиномиальной вычислительной сложностью и адекватных эффективной реализации на базе однородных вычислительных сред. Разработанные адаптивные квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского разрешения сигналов являются основанием для разработки патентоспособных устройств многопользовательской демодуляции в CDMA-системах, обеспечивающих повышение эффективности их работы в негауссовских каналах.
- Полученные оценки эффективности работы разработанных алгоритмов и устройств в широком диапазоне моделируемых сигнально-помеховых ситуаций позволяют выработать практические рекомендации по их применимости в составе базовых станций, а также разработке инженерных методик планирования сетей связи в сложных объектно-помеховых условиях.
- Универсальность и единообразие использованных в работе математических моделей и методов обработки сигналов позволяют практически применять полученные результаты при разработке технических устройств различного назначения в широком диапазоне приложений: мобильные и фиксированные телекоммуникации, системы с активным ответом, радиолокация, радионавигация, обработка изображений, широкополосный радиодоступ, идентификация подвижных объектов, медицинская диагностика.
- Разработан программно-аппаратный имитационный комплекс, обеспечивающий комплексное моделирование и анализ эффективности широкого класса алгоритмов и устройств обнаружения-различения-разрешения и многопользовательского приема сигналов с использованием современных интегрированных инструментальных сред разработки приложений для ПЛИС и процессоров ЦОС. Разработанный комплекс является универсальным средством повышения эффективности работы разработчиков алгоритмов и аппаратуры современных систем передачи и обработки информации, позволяющим существенно уменьшить временные и финансовые издержки при проведении полунатурных испытаний разрабатываемых изделий.
Основные положения, выносимые на защиту
- Проблема оптимального полного разрешения сигналов в мобильных инфокоммуникационных CDMA-системах с негауссовскими каналами, решаемая в рамках комплексного подхода к исследованию, синтезу, моделированию и оптимизации посткорреляционных математических моделей, адаптивных алгоритмов и программно-аппаратных средств помехоустойчивой обработки сигналов в интересах повышения системной емкости и качества обслуживания интегрального трафика.
- Оптимальные и квазиоптимальные полигауссовы и МС-ПГ алгоритмы и оригинальные устройства разрешения произвольно флуктуирующих сигналов и помех, детерминированных сигналов и квазидетерминированных многоэлементных сигналов в комплексе негауссовских помех, обеспечивающие выигрыш в помехоустойчивости по сравнению с корреляционным алгоритмом и обладающие многоканальной унифицированной структурой с высокой степенью внутреннего параллелизма, конвейерности и рекуррентности вычислений.
- Адаптивный алгоритм разрешения многоэлементных сигналов, учитывающий в реальном времени динамику изменения вероятностных параметров негауссовской помехи. Процедура некогерентной совместной нелинейной обработки векторов отсчетов огибающей входного колебания, обеспечивающая повышение достоверности принимаемых решений по сигналу «в целом» и быстродействия соответствующих адаптивных устройств.
- Адаптивный квазиоптимальный алгоритм многопользовательского разрешения сигналов в комплексе внутрисистемных и негауссовских помех, основанный на комбинированных решениях параллельного отсечения взаимных помех с инкапсулированными процедурами полигауссовой адаптивной обработки группового сигнала, обеспечивающий повышение помехоустойчивости и емкости CDMA-систем с негауссовскими каналами по отношению к известным алгоритмам многопользовательской демодуляции.
- Результаты статистического и имитационного моделирования линейных и нелинейных итеративных многопользовательских алгоритмов, алгоритмов многопользовательского разрешения сигналов в виде оценок их помехоустойчивости, асимптотической эффективности и достижимой системной емкости в негауссовских каналах при ограничениях на состав, вероятностно-временные и энергетические параметры сигнально-помехового комплекса.
Личный вклад автора. Все основные результаты, составляющие содержание диссертации, включая теоретические и экспериментальные исследования, получены соискателем самостоятельно. Автору принадлежит обоснованная постановка и теоретическая разработка научной проблемы в целом. Автором сформулированы конкретные исследовательские задачи, разработаны методы, алгоритмы и оригинальные мультипроцессорные устройства многопользовательского разрешения сигналов, проведены статистическое и имитационное моделирование разработанных алгоритмов и устройств многопользовательского разрешения сигналов в негауссовских каналах. Результаты экспериментальных исследований и практическое макетирование прототипов устройств выполнены под руководством и непосредственном участии автора.
Основные результаты диссертационной работы внедрены:
- в НИР и НИЭР Федерального научно-производственного центра по радиоэлектронным системам и информационным технологиям им. В.И.Шимко; научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках ООО Конструкторское бюро «Навигационные технологии»; проектных работах по развитию 3G-сетей КФ ОАО «Вымпелком» и ОАО «МТС» в РТ, что подтверждается соответствующими актами.
- в образовательный процесс по специальностям: 210404 - Многоканальные телекоммуникационные системы; 210402-Средства связи с подвижными объектами и 210304 - Радиоэлектронные системы; при чтении курсов лекций, курсовом и дипломном проектировании, учебных пособиях и учебно-методических комплексах в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы прошли апробацию на следующих научно-технических конференциях и семинарах. 50-я…55-я, 60-я Научная сессия НТО РЭС им.А.С.Попова (Москва, 1995,…, 2000,2005), II-я Всерос. конф. «Распознавание образов и анализ изображений» (Ульяновск, 1995); Межд.НТК «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» (Харьков, 1995); Всерос. конф. «Направления развития систем и средств радиосвязи» (Воронеж, 1996); V-я,…,XVII-я Межд. конф. «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 1999,2001,2007,2009,2011), Межд. конф. по телекоммуникациям IEEE/ICC2001 (С.-Петербург, 2001), Межд. науч.конф. к 95-летию академика В.А.Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова» (Москва,2003), I-я,…,VII-я Межд. научно-практ. конф. «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2003, …, 2009), Межд. конф. и Российская научная школа «Системные проблемы надежности, качества, информационных технологий» (Москва, 2006,2007), VII-я Межд. научно-техн. конф. «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006), VII-я Межд. научно-техн. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007), IX-я Межд. научно-техн.конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», посвященная 100-летию со дня рождения академика В.А.Котельникова (Казань,2008), VI-я Всерос. научно-практ.конф. «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2009), X-я Межд. научно-техн. конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», посвященной 150-летию со дня рождения А.С.Попова (Самара, 2009), V-я Межд. научно-практ. конф. «Авиакосмические технологии и оборудование». (АКТО-2010). (Казань, 2010).
Публикации. Включенные в диссертацию научные результаты опубликованы в 43 печатных работах, в том числе 15 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ, 7 патентах и одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 286 наименований и трех приложений на 74 стр., в том числе акты, подтверждающие внедрение и использование результатов исследований. Основной текст диссертации изложен на 300 стр. и содержит 76 рис.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы многопользова-тельского разрешения случайного числа сигналов в современных инфокоммуникационных системах, сформулированы основная научная проблема, цель работы, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения, выносимые на защиту. Указана структура диссертации, изложены аннотированное содержание каждой главы, форма апробации и внедрение результатов исследований.
В первой главе выполнен анализ состояния проблемы разрешения сигналов и показана возможность ее эффективного решения на основе посткорреляционных моделей и методов в интересах как потенциально, так и реально достижимых характеристик помехоустойчивости и системной емкости в современных системах связи с негауссовскими каналами.
Предложен комплексный подход к выбору и разработке посткорреляционных моделей и методов формализованного алгоритмического и структурного синтеза параллельных алгоритмов обработки сигналов и реализующих их мультипроцессорных устройств, обеспечивающих повышение эффективности работы CDMA-систем в сложном негауссовском помеховом комплексе. Иллюстрация ядра диссертационных исследований, проводимых в рамках комплексного подхода, представлена на рис.1.
Рис. 1. Иллюстрация ядра диссертационных исследований
Целенаправленное использование комплексного подхода позволяет оптимизировать объективно многоэтапную стратегию проектирования специализированных устройств обработки сигналов с целью получения сбалансированных с точки зрения «эффективность-вычислительная сложность» алгоритмических и аппаратно-программных решений, использующихся в аппаратуре CDMA-систем и обеспечивающих дополнительные возможности систем связи в интересах повышения качества обслуживания интегрального трафика.
Показано, что условия работы CDMA-систем и многообразная структура помехового комплекса требуют эффективных алгоритмов обработки сигналов, основанных на более полном, чем корреляционный, описании реальных сигналов и помех. Выработаны требования к математическим моделям, позволяющим единообразно описывать теоретико-множественные объединения случайных комбинаций множеств реализаций флуктуирующих сигналов и продуктов их интерференции. Показано, что адекватным инструментарием для разработки оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов и устройств обработки сигналов в негауссовских каналах, являются модели на основе вероятностных смесей распределений, которые позволяют эффективно использовать теоретические результаты и отработанные технические решения, накопленные на корреляционном этапе. В направлении развития теории вероятностных смесей случайных явлений и методологии полигауссового синтеза и анализа следует выделить научные работы Ш.М.Чабдарова, Н.З.Сафиуллина, А.Т.Трофимова, А.Ф.Надеева.
Выполнен сравнительный анализ основных направлений развития технологии многопользовательского детектирования (МПД), разработана классификация методов МПД. Сделаны обоснованные выводы в отношении применимости и эффективности линейных, итеративных нелинейных и гибридных вариантов многопользовательских алгоритмов в классе CDMA-систем. При этом выдвигаются жесткие требования к уровню вычислительной сложности реализуемых алгоритмов. Этот факт обуславливает необходимость разработки новых методов и алгоритмов многопользовательского детектирования, максимально учитывающих доступный объем информации, содержащийся в групповом сигнале и приводящих к технически реализуемым решениям с полиномиальной вычислительной сложностью.
Так, в работах В.Б.Крейнделина и Д.Ю.Панкратова решены задачи синтеза линейных и нелинейных квазиоптимальных итерационных алгоритмов многопользовательской демодуляции, основанных на модифицированном алгоритме Чебышева и показавших высокую эффективность работы нелинейных алгоритмов в Релеевском канале на фоне АБГШ. Авторами получены оригинальные решения демодуляторов, обладающих полиномиальной вычислительной сложностью и показавших существенный выигрыш в системной емкости и энергетической эффективности по сравнению с традиционным демодулятором в условиях многолучевости.
Дальнейшее повышение эффективности работы CDMA-систем в негауссовских каналах связи требует разработки новых посткорреляционных алгоритмов и устройств многопользовательского приема сигналов, позволяющих повысить емкость сети при сохранении заданных параметров качества обслуживания трафика, на основе учета вероятностной структуры негауссовских помех и повышения качества многопользовательской демодуляции сигналов активных пользователей.
В этой связи, актуальной является проблема синтеза оптимальных и квазиоптимальных полигауссовых алгоритмов и устройств многопользователь-ского разрешения сигналов в инфокоммуникационных CDMA-системах с негауссовскими каналами, решение которой требует совместного использования потенциала полигауссовых вероятностных моделей, технологии многопользовательского приема и технологии системного моделирования.
Во второй главе дано вероятностное описание негауссовского сигнально-помехового комплекса в CDMA-системах и решены задачи статистического синтеза оптимальных алгоритмов разрешения многоэлементных сигналов (МЭС) на основе полигауссовых (ПГ) и марково-смешанных полигауссовых (МС-ПГ) вероятностных моделей.
В общем случае сигналы и помехи могут присутствовать во входном колебании 
в виде произвольного количества от каждого типа, образуя произвольный набор взаимодействующих сигналов и негауссовских помех с произвольными заданными плотностями распределениями вероятностей 
, 
на фоне гауссовского шума
.
Модель многоэлементного сигнала (МЭС) представляет собой совокупность k-элементарных сигналов
, расположенных на временных позициях 
:
, (1)
где 
- тип информационного сигнала, 
- тип элементарного сигнала, зависящий от 
-й позиции информационного сигнала 
-го типа, 
- дискретная случайная величина, определяющая случайное время поступления j-го сигнала.
Необходимо осуществить проверку статистических гипотез 
, 
о наличии на входе системы определенной комбинации из множества возможных типов сигналов по результатам анализа отсчетов многоэлементного вектора наблюдений 
, включающего последовательно поступающие взаимосвязанные векторы статистик 
. Плотность распределения вероятности флуктуаций вектора статистик 
-го сигнала 
из заданного ансамбля 
в векторе отсчетов группового сигнала определяется в виде полигауссовой смеси:
(2)
где 
- гауссовское распределение, соответствующее 
-й компоненте смеси с вектором средних 
и ковариационной матрицей 
, 
-вероятность 
-й компоненты, 
-число компонент в смеси,
В общем случае, число гипотез о реализовавшейся комбинации наложения сигналов составляет 
, где J-число типов сигналов в группе, R-число сигналов одновременно присутствующих во входном колебании.
При наложении r сигналов с номерами 
, вследствие инвариантности гауссовских распределений относительно линейных преобразований, наблюдаемый на k-й временной позиции вектор 
представляется ПГ моделью следующего вида:
, (3)
где 
- набор типов элементарных сигналов на k-й временной позиции, соответствующих набору сигналов в конкретной комбинации наложения сигналов из ансамбля 
. Гауссовские компоненты N{•} в выражении (3) определяются свертками распределений, соответствующих гауссовским плотностям, линейными комбинациями которых представлены исходные ПГ плотности сигналов и помех.
При наложении случайного числа 
независимых сигналов 
с номерами соответствующих им элементарных сигналов 
и негауссовской результирующей помехи, совокупная плотность распределения вероятностей по всему интервалу длительности МЭС определяется как многомерная свертка плотностей вероятностей сигналов и помех по всему множеству данных интервалов:
. (4)
Решающее правило относительно комбинации реализовавшихся сигналов (сложная гипотеза 
) при одинаковых рисках за неверно принятое решение и заданных априорных вероятностях реализации той или иной сигнальной комбинации, определяет наиболее вероятную совокупность сигналов, реализовавшихся в векторе отсчетов 
, из ансамбля 
:
(5)
При этом результат интерференции сигналов и помех усредняем по всем помеховым ситуациям и выбираем максимум среди всех возможных количеств и типов полезных сигналов. Частные отношения правдоподобия для гипотез о действующей в текущем наблюдении результирующей гауссовской компоненте, соответствующей (
)-й комбинации сигналов, поканально определяют параллельную структуру устройства разрешения и имеют вид (6):
В (6) слагаемые представляют собой дискретный корреляционный интеграл, взаимную энергию сигналов и энергию входной реализации. Структурная схема устройства, реализующего оптимальный полигауссов алгоритм разрешения сигналов и помех, представлена на рис.2. Устройство содержит множество однотипных каналов, в каждом из которых осуществляются операции линейной корреляционной обработки, квадратичной и экспоненциальной обработки, а также взвешенного суммирования и выбора максимума.
В отличие от задач обнаружения и различения многоэлементных сигналов, задача разрешения является наиболее сложной, т.к. связана с двумя группами сложных статистических гипотез: о действующих комбинациях сигналов и помех, которые, в свою очередь, состоят из множества частных гипотез о реализующихся в процессе приема гауссовских компонентах взаимодействующих сигналов и помех.
 Рис. 2. Структурная схема устройства разрешения произвольно флуктуирующих сигналов и помех | Число гипотез о комбинациях сигналов на r-м уровне:  Общее число комбинаций гауссовских компонент в r-м уровне:  Общее число отношений правдоподобия, которое необходимо вычислить на k-й временной позиции работы алгоритма:  Априорные вероятности гипотез о реализовавшейся смеси сигналов:  |
Этот факт определяет экспоненциальную сложность получаемых устройств обработки сигналов, что ограничивает их практическое использование. В этой связи, последующий синтез алгоритмов производится на базе МС-ПГ вероятностных моделей, позволяющих оптимизировать как структуру алгоритмов разрешения МЭС, так и структуру реализующих их мультипроцессорных устройств обработки сигналов.
В этом случае, условные распределения вектора наблюдения, соответствующие каждой из возможных гипотез 
, описываются МС-ПГ моделями вида:
;
, (7)
а в рамках каждой k-й временной позиции флуктуации вектора статистик описываются полигауссовой вероятностной моделью (3). При этом номера реализующихся в процессе приема гауссовских компонент 
по позициям 
образуют дискретную однородную цепь Маркова, заданную матрицей переходных вероятностей 
и вектором начальных вероятностей 
.
На основе анализа совместного распределения наблюдаемого на k-й временной позиции вектора отсчетов 
и вектора набора номеров, реализовавшихся компонент 
ансамбля сигналов, вычисляются совместные апостериорные распределения реализовавшихся гауссовских компонент и номеров сигналов. Используя в рамках байесовского подхода методологию полигауссового синтеза алгоритмов, получаем рекуррентно вычисляемые выражения отношений правдоподобия в виде:
, (8)
.
При одинаковых платах за ошибки оптимальный МС-ПГ алгоритм полного разрешения МЭС принимает вид:
. (9)
Итоговые функционалы отношения правдоподобия формируются рекуррентно, в течение K шагов, при этом на каждом k-м шаге в структуру частных отношений правдоподобия в неизменном виде входят их значения, соответствующие предыдущим наблюдениям и добавляются новые составляющие, зависящие только от текущей (k-й) компоненты исходного вектора наблюдения. Таким образом, полигауссов характер исходных моделей позволяет «конструировать» значения функционалов отношения правдоподобия из совокупности частных, относительно малоразмерных, гауссовских функционалов отношения правдоподобия вида (6).
Для решения проблемы преодоления априорной неопределенности в отношении параметров вероятностных распределений негауссовской помехи, разработан адаптивный МС-ПГ алгоритм разрешения, обеспечивающий в реальном времени адаптацию к параметрам негаусовской помехи. Для оценки неизвестных параметров полигауссовой помехи используется итерационная процедура, в рамках которой оценка весов гауссовских компонент смеси сводится к усреднению апостериорных вероятностей номеров компонент, которые с учетом переходных матриц 
экстраполируются на k-й шаг в виде весов гауссовских компонент 
. В результате, оценка вероятностей компонент полигауссового представления помехи, формируемая на v-м цикле приема МЭС, имеет вид:
Структурная схема блока адаптации, реализующего итеративную адаптивную процедуру, представлена на рис.3.
Рис. 3. Структурная схема блока адаптации МС-ПГ адаптивного алгоритма
разрешения многоэлементных сигналов
Статистическое моделирование работы адаптивного МС-ПГ алгоритма показало быструю сходимость оценок параметров распределения негауссовской помехи к истинным значениям: за 40-60 циклов приема символов МЭС (порядка 2-3 мс), что соответствует штатному режиму оценки параметров канала на основе обработки пилот-сигнала и реальной модели негауссовского канала с плоскими Релеевскими замираниями. На рис. 4 представлена структурная схема адаптивного МС-ПГ устройства разрешения МЭС, реализующая данный алгоритм.
При решении задач синтеза алгоритмов разрешения важным является то, что использование ПГ и МС-ПГ моделей приводит к многоканальным унифицированным структурам приемников с высокой степенью параллелелизма и конвейерности вычислений, что позволяет практически реализовать мультипроцессоры разрешения сигналов на современной элементной базе высокоинтегрированной программируемой логики ПЛИС.
Для решения малоразмерных задач, связанных с приемом «в целом» небольших преамбул передаваемых фреймов (или коротких синхрогрупп), разработан алгоритм формирования многомерных зон принятия решений в пространстве отсчетов вектора наблюдения. Данный алгоритм позволяет существенно упростить процедуру обработки многопозиционного сигнала и повысить быстродействие блока принятия решений относительно различаемых гипотез.
Рис. 4. Структурная схема МС-ПГ алгоритма разрешения МЭС
Рассмотрена задача некогерентного приема К-элементного сигнала в комплексе помех, образованном АБГШ и ординарным потоком флуктуирующих импульсных помех. В качестве исходной статистики используется вектор отсчетов огибающей в моменты 
. Для построения зон принятия решений относительно сигнальных и помеховых гипотез, необходимо определить вид многомерного распределения огибающей 
при произвольных заданных флуктуациях помех на входе приемника. Используя полигауссовы представления квадратур отсчетов интерферирующих сигналов и помех, аналитически вычисляется вид многомерного распределения огибающей для каждой гауссовской компоненты суммарного полигауссового распределения сигналов и флуктуирующих помех, с вероятностью 
накладывающихся на сигнальные позиции 
:
. (11)
В соответствии с принятым критерием, формируется правило проверки сложной гипотезы против сложной альтернативы, в соответствии с которым выборочное пространство наблюдаемых реализаций разбивается на «сигнальные» и «безсигнальные» гиперобласти. Наличие в канале импульсных помех приводит к многосвязности зон принятия решений, где проявляется нелинейный характер оптимальной процедуры обработки МЭС. Оцифрованные значения полученных областей прописываются в ОЗУ, что позволяет в процессе работы устройства в реальном времени принимать решение о принадлежности вектора наблюдения полученным зонам принятия решений, соответствующим той или иной сигнальной комбинации.
В третьей главе на основе квазидетерминированных моделей сигналов и помех решена задача синтеза МС-ПГ алгоритма разрешения радиоимпульсных многоэлементных сигналов на фоне комплекса шумовых и хаотических радиоимпульсных помех (ХИП) с негауссовским распределением амплитудного множителя.
Каждый j-й многоэлементный сигнал из ансамбля представляет собой последовательность элементарных радиосигналов и описывается моделью вида:
(12)
В рамках представленной модели, сигналы, помехи и результаты их интерференционного взаимодействия, могут быть однозначно описаны в терминах комплексных огибающих и их проекций - квадратурных составляющих. Распределение квадратурных компонент сигнала описывает результат некоторого случайного преобразования радиоканалом параметров такого сигнала с выхода передатчика. В этом случае мгновенные значения огибающей принимаемого сигнала описываются полирайссовым законом распределения:
. (13)
Соответственно, при квазидетерминированном представлении элементарных импульсов полезных сигналов и флуктуирующих импульсных помех, МС-ПГ модель трансформируется в марково-смешанную полирайсову модель. Используя методику рекуррентного вычисления плотностей, вычисляют условные плотности вероятности реализации шума и m – импульсов ХИП на k-й временной позиции МЭС:
. (14) Здесь 
и 
- базисные решающие функции опорного сигнала, полученные путем перемножения участка передаваемого кода и сигнатуры в пределах формирования k-го бита, соответствующие комбинациям наложения 1, 2, …, (m-1) импульсов помехи:
; (15) 
.
Учитывая процедуру «вложенности» плотностей (14), частные отношения правдоподобия для произвольного случая наложения случайного числа r полезных сигналов в комплексе импульсных помех и шумов определяют общую структуру МС-ПГ алгоритма и имеют вид:
(16)
Структурная схема адаптивного мультипроцессорного устройства разрешения сигналов, реализующая синтезированный алгоритм представлена на рис.5. Устройство сочетает свойства многоканальности, внутреннего параллелизма и рекуррентности и, независимо от вида распределений сигналов и помех, содержит конечный набор типовых линейных и нелинейных операций, характерных для вычисления райсовских отношений правдоподобия.
Используемая методика позволяет синтезировать унифицированные оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех с произвольно задаваемыми распределениями, а получаемые структуры мультипроцессорных устройств разрешения удобны для практической реализации адаптивных процедур обработки, когда числовые характеристики мешающих сигналов динамически оцениваются в процессе работы и используются для перестройки решающей схемы приемника сигналов.
Рис. 5. Структурная схема устройства, реализующего МС-ПГ алгоритм разрешения квазидетерминированных сигналов и помех.
В четвертой главе на основе полигауссовых адаптивных процедур обработки группового сигнала с параллельным отсечением помех множественного доступа (MAI) разработаны итерационные полигауссовы алгоритмы и устройства многопользовательского разрешения сигналов, обеспечивающие повышение помехоустойчивости и емкости CDMA-систем с негауссовскими каналами.
В общем случае, в рамках многолучевой модели канала CDMA-системы, принимаемый на входе базовой станции групповой сигнал имеет вид:
, (17)
где M-число активных пользователей; L- число лучей; 
- комплексный канальный коэффициент, отражающий сложные процессы замирания на l-й траектории; 
- длительность информационного символа 
; 
- длительность чипа сигнатуры; 
- база сигнала; 
- сигнатурная последовательность m-го пользователя, соответствующая k-му информационному символу с лучевой задержкой 
; 
- комплексная амплитуда l-го луча; 
- негауссовская случайная помеха, 
- АБГШ с нулевым средним и корреляционной функцией 
. Гауссовский шум моделирует также помехи от соседних сот.
В рамках представленной модели каждый m-й пользователь, m
{1,2…M} в произвольные моменты времени, передает на k-й позиции комплексный информационный символ 
, 
где К - длина протокольного блока данных, транспортируемого в радиоинтерфейсе. Дискретная модель группового сигнала может быть представлена в виде:
(18)
где 
- вектор комплексных информационных символов сигналов пользователей, 
- матрица комплексных амплитуд сигналов пользователей, S - матрица пользовательских сигнатурных векторов, взятых для каждого символа. Решение об оценке компонент вектора принимаемых информационных символах пользователей выносится на основе минимума метрики:
, (19)
где 
- векторные эквиваленты наблюдения 
и переданного сигнала 
. Вектор первоначальных статистик, вычисляемых в m-х каналах корреляционного приемника, определяется как:
, (20)
где 
- матрица взаимной корреляции сигнатурных сигналов; 
- вектор гауссовского шума с корреляционной матрицей 
. Соответственно, для произвольного k-го битового интервала промежуточная статистика определяется в виде:
, (21)
где второе слагаемое отражает вклад интерферирующих пользовательских сигналов (MAI) в выходной отклик m-го канала приемника.
Оптимальная по критерию максимального правдоподобия оценка 
соответствует минимальной норме и максимизирует функцию правдоподобия выборки:
, (22)
где 
матрица, определяемая взаимными корреляциями сигналов пользователей и их комплексными амплитудами. Принятию решений о символах предшествуют оценки интенсивностей и других неинформативных параметров пользовательских сигналов, вычисляемые блоком оценки состояния канала связи с заданной точностью. Корректный учет помех неортогональности требует вычисления частной корреляции между «интересующим» и всеми интерферирующими пользователями на каждой итерации отсечения MAI.
Для повышения эффективности работы CDMA-систем в негауссовских каналах разработан квазиоптимальный адаптивный алгоритм многопользовательского разрешения МЭС, основанный на комбинированных решениях параллельного отсечения MAI с инкапсулированными процедурами полигауссовой адаптивной обработки МЭС и поканальной демодуляции-декодирования на каждой итерации. На рис. 6 представлена структурная схема итеративного PIC-приемника, скомплексированного с распределенной полигауссовой обработкой группового сигнала, реализующейся в массиве полигауссовых блоков отсечения внутриканальных помех (ПГ БОП).
Рис. 6. Многостадийный PIC-приемник с распределенной полигауссовой обработкой
группового сигнала
Данный подход позволяет получать оригинальные алгоритмические и структурные решения мультипроцессорных устройств с полиномиальной вычислительной сложностью. Массив ПГБОП обеспечивает параллельно-конвейерную итеративную обработку группового сигнала, формирование битовых оценок активных пользователей на основе векторов статистик, вычисляемых параллельно во всех каналах. Функциональная схема полигауссового блока отсечения помех (ПГ БОП), представленная на рис. 7.
Рис.7. Функциональная схема блока отсечения помех (БРМС - блок повторного расширения спектра и регулировки мощности, БУВК- блок установки весового коэффициента взаимной помехи).
В процессе работы PIC- приемника на каждой стадии отсечения MAI в каждом канале рекуррентно формируется множество новых оценок статистик в виде:
, (23)
или в более общем виде для 
-го каскада:
. (24)
Процесс продолжается до тех пор, пока все переданные информационные последовательности не будут корректно демодулированы. В результате вычитания оценок MAI по каждому из каналов на (i+1)-й стадии образуются уточненные значения «очищенного» группового сигнала:
. (25)
Таким образом, принцип работы алгоритма состоит в итеративном формировании на приемной стороне самостоятельных независимых оценок MAI с учетом оценок параметров внутриканальной помехи для каждого пользователя с тем, чтобы вычесть все или некоторые из них из принятого группового сигнала.
На этой основе разработана модифицированная схема многокаскадного полигауссового Poly-PIC приемника, основой которого служит однородный многокаскадный массив оптимизированных блоков отсечения помех (БОП), представленный на рис.8.
Рис. 8. Структурная схема организации массива блоков отсечения помех многокаскадного
Poly-PIC приемника с полигауссовой обработкой МЭС
На рис. 9 представлена структурная схема модифицированного Poly-PIC приемника, который в отличие от предыдущего решения содержит общий многоканальный приемник, формирующий первоначальные статистики и общий блок полигауссовой обработки группового сигнала. При этом в процессе процедуры демодуляции в каждом канале производится последовательное декодирование битового потока m-го пользователя с последующим кодированием и ремодулированием опорного сигнала этого пользователя декодированной информацией. В процессе обработки группового и пилот-сигнала приемник получает оценки канальных коэффициентов, оценку дисперсии шума, при необходимости, фаз несущих для всех пользователей.
Рис.9. Структурная схема полигауссового Poly-PIC приемника
Адаптивный алгоритм оценивает негауссовские флуктуации помехи и обеспечивает формирование более надежных поликорреляционных решающих статистик 
, использующихся при декодировании битовых последовательностей и вынесении мягких решений относительно битового профиля 
активных пользователей на каждом k-м шаге приема многоэлементного сигнала. Поликорреляционные решающие статистики в виде векторов полигауссовых отношений правдоподобия и апостериорных вероятностей, реализующихся в процессе приема элементов сигнала и гауссовских компонент помехи, параллельно вычисляются по всем значащим статистическим гипотезам.
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.
Для анализа эффективности работы многопользовательских приемников рассчитывалась асимптотическая многопользовательская эффективность, которая количественно оценивает энергетические затраты на очистку группового сигнала от помех множественного доступа и определяет деградацию помехоустойчивости алгоритма с увеличением интерферирующих пользователей и без них, когда фоновый шум не доминирует над интерференцией: 
. (26)
где 
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.
В процессе моделирования использовался квазикогерентный прием сигналов BPSK в трехлучевом обратном канале с негауссовской помехой. Задержки лучей считаются известными. Контрольное отношение на бит
= 6 дБ. Тактовая частота обработки отсчетов 256-1024 МГц. Формат информационной посылки IP-пакет. Скорость передачи кодированных данных 64-512 Кбит/с. Сверточное кодирование со скоростью. Длина расширяющей последовательности 
=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.
8. Разработан адаптивный мультипроцессорный Poly-PIC приемник МЭС, обеспечивающий наилучшие характеристики приема в негауссовском канале: для контрольного отношения 
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.
- Феоктистов А.Ю., Карманов И.В., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Казанская научная школа полигауссовых явлений посткорреляционной статистической радиотехники // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - №1. - Т.7. - 2004. - С.20-25, автора – 0,1п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. и др. Поликорреляционная обработка сигналов перспективных систем подвижной радиосвязи // Телекоммуникации. - 2005. -№ 1. - С.27-31, автора – 0,08 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования многоэлементных сигналов WCDMA-систем в комплексе негауссовских помех // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - № 5. - Т.10. - 2007. - С.44-48, автора – 0,3 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Многокритериальная оптимизация параметров QoS в мобильных инфокоммуникационных системах в рамках низкоуровневых протоколов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - № 5. - Т.10. - 2007. - С.79-82, автора – 0,3 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальные алгоритмы разрешения сложных многоэлементных сигналов в современных инфокоммуникационных системах // Нелинейный мир. - 2008. - № 8. - Т.6. - С. 13-22, автора – 0,4 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Ефимов Е.Н., Аднан А. Поликорреляционная распределенная адаптивная обработка сигналов на фоне негауссовских помех // Нелинейный Мир. - 2009. - №5. - Т.7. - С.36 -41, автора – 0,1 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальный алгоритм многопользовательского разрешения сигналов с параллельным отсечением внутриканальных помех в DS-CDMA системах // Вестник КГТУ им.А.Н.Туполева. - 2010. - №4. - С. 86-93, автора – 0,5 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Комплексный подход к решению задачи структурного синтеза мультипроцессорных устройств обработки сигналов мобильных инфокоммуникационных систем // Инфокоммуникационные технологии. - 2011. – Т.9.- №. 1.- С.40-48, автора – 0,6 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Комплексный подход к решению задач синтеза и анализа эффективности алгоритмов и мультипроцессорных устройств обработки сигналов мобильных мультисервисных систем // Нелинейный Мир. - 2011. - № 2. - Т.9 - С. 78-85. автора – 0,4 п.л.
Монография
- Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения. М.: Эко-Трендз, 2004. - 264 с. автора – 8 п.л.
Авторские свидетельства и патенты
- А.с. № 1580565 СССР; опубл. 23.07.1990 г. Устройство декодирования импульсно-временных кодов / Ш.М.Чабдаров, А.Ф.Надеев, Р.Р.Файзуллин, А.Ю.Феоктистов, В.А.Лепехов.
- А.с. № 1596469 СССР; опубл. 30.09.1990 г. Устройство различения дискретных сигналов на фоне произвольных помех /Чабдаров Ш.М., Файзуллин Р.Р., Надеев А.Ф., Волков А.Н.
- А.с. №1826840 РФ; опубл. 13.10.1992 г. Устройство различения дискретных сигналов на фоне произвольных помех / Чабдаров Ш.М., Файзуллин Р.Р., Надеев А.Ф., Волков А.Н.
- Патент РФ №2028732 от 09.02.1995 г. Устройство для декодирования импульсно-временных сигналов / Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Козлов С.В.
- Патент РФ №31184 от 20.07.2003 г. Устройство разрешения радиоимпульсных сигналов на фоне произвольной помехи / Чабдаров Ш.М., Файзуллин Р.Р., Надеев А.Ф., Егоров А.Е.
- Патент РФ № 42373 от 27.11.2004 г. Устройство разрешения сигналов на фоне произвольной помехи / Чабдаров Ш.М., Файзуллин Р.Р., Надеев А.Ф., Егоров А.Е.
- Патент РФ № 2269205 от 27.01.2006 г. Устройство разрешения сигналов на фоне произвольной помехи / Чабдаров Ш.М., Файзуллин Р.Р., Надеев А.Ф., Егоров А.Е.
Статьи и материалы конференций
- Чабдаров Ш.М., Феоктистов А.Ю., Файзуллин Р.Р., Надеев А.Ф., Рахимов Р.Х. Алгоритмы и спецпроцессоры обработки сигналов в радиолиниях САЗО // Радиоэлектронные устройства и системы: Межвуз. сб. научн. трудов КГТУ им. А.Н.Туполева. - Казань. - 1996.- С.4-16, автора – 0,3 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Егоров А.Е. Модели и методы обработки сигналов на основе вероятностных смесей с марковостью в информационных системах // Труды Межд. конф. по телекоммуникациям IEEE/ICC. С.-Петербург. - 2001.- С.213-217, автора – 0,1 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Егоров А.Е. Синтез поликорреляционных алгоритмов обработки шумоподобных сигналов систем CDMA //Труды IV-й Межд. конф. «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2002». Москва.- 2002.- С.237-241, автора – 0,1 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Егоров А.Е. Обобщенный алгоритм разрешения флуктуирующих многоэлементных сигналов // Науч. практ. сб. «Электронное приборостроение». Вып.№ 5. Казань, КГТУ/КАИ. - 2003. - С.67-77, автора – 0,3 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Сафонов В.Л., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Егоров А.Е. Новые классы полигауссовых моделей в статистической теории приема сигналов современных радиоэлектронных систем // Прикладная радиоэлектроника. - № 6. - 2003. - С.12-18, автора – 0,12 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Кокунин П.А., Егоров А.Е. Модели и алгоритмы обработки сигналов на основе вероятностных смесей в перспективных системах подвижной радиосвязи. // Межд. науч. конф. к 95-летию академика В.А.Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А.Котельникова». - Москва.- 2003. - С.59-61, автора – 0,06 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Посткорреляционные модели и методы в задачах оптимизации параметров качества обслуживания систем мобильных инфокоммуникаций 3-го поколения // Сб. трудов LX-й Науч. сессии, посвященной дню Радио. М.: Радио и связь.- 2005. - Вып. LX-2. - Т.2. - С.268-269, автора – 0,12 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Оптимизация алгоритмов информационного обмена для обеспечения QoS в системах WCDMA // Материалы Межд. конф. и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационных технологий». М.: Радио и связь. - Ч.3.- Т.2. - 2006. - С.98-101, автора – 0,2 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования многоэлементных сигналов в мобильных инфокоммуникационных системах // «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества». - Казань. - 2007. С.165-167. автора – 0,18 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р., Чикрин Д.Е. Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования при оптимизация параметров QoS в мобильных инфокоммуникационных системах // Сб. трудов VI-й Всерос.научно-техн. конф. RLNC-2007 «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж: ВГУ. - 2007. - Т.2.- С.775-790, автора – 0,7 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования многоэлементных сигналов // Доклады VII-й Межд. научно-техн. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов». Казань. - 2007.- С.346-347, автора – 0,12 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Многопользовательское разрешение сложных сигналов на основе марково-смешанных полигауссовых моделей DS-CDMA систем // Труды IX-й межд. науч.-техн. конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», посвященной 100-летию В.А.Котельникова.- Казань. - 2008. - С.216-217, автора – 0,06 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования многоэлементных сигналов в DS-CDMA системах // VI-я межд. научно-практ.конф. «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества». - Казань. - 2008. - С.170-174, автора – 0,3 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Марково-смешанные полигауссовы алгоритмы многопользовательского разрешения многоэлементных сигналов в комплексе негауссовских помех // VI-я Всеросс. научно-практ. конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем». Ульяновск. - УлГТУ. - 2009. - С.159-162, автора – 0,25п.л.
- Чабдаров Ш.М., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Марково-смешанные полигауссовы алгоритмы разрешения сигналов CDMA-систем в комплексе негауссовских помех // Тез. докл. X-й Межд. научно-техн. конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», посвященной 150-летию со дня рождения А.С.Попова. Самара.- ПГУТИ.- 2009. -.С. 62-64, автора – 0,1 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальные SIC-алгоритмы многопользовательского детектирования многоэлементных сигналов в DS-CDMA системах // Сб. трудов VII-й Международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества». Казань. 2009. С.118-122, автора – 0,3 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования многоэлементных сигналов в DS-CDMA системах // Сб. докл. X-й Межд. научно-техн. конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», посвященной 150-летию со дня рождения А.С.Попова. – Самара. ПГУТИ. - 2009. - С.54-56, автора – 0,2 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Оценка эффективности квазиоптимальных алгоритмов многопользовательского приема в классе DS-CDMA систем // Сб. трудов V-й Межд. научно-практ. конф. «Авиакосмические технологии и оборудование». (АКТО-2010). - Казань. - 2010. Т.3. С.206-213, автора – 0,5 п.л.
- Чабдаров Ш.М., Щербаков Г.И. Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Посткорреляционные модели и алгоритмы многопользовательской обработки сигналов в перспективных системах подвижной радиосвязи // Сб. трудов XVII-й Всерос.научно-техн. конф. RLNC-2011 «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж: ВГУ. - 2011. - Т.2.- С.1019-1023, автора – 0,1 п.л.
- Файзуллин Р.Р. Полигауссовы методы многопользовательского приема сигналов в мобильных инфокоммуникционных системах // Сб. трудов XVII-й Всерос.научно-техн. конф. RLNC-2011 «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж: ВГУ. - 2011. - Т.2.- С.1012-1018, автора – 0,4 п.л.
| Подписано в печать «____» ______ 2011. Формат 6084/16. Бумага для множительных аппаратов Усл.печ.л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ № ____ |
Типография издательства ГОУ ВПО «Казанский государственный технический
Университет им А.Н.Туполева»
420111 Казань, К.Маркса, 10
