Приём широкополосных сигналов в многолучевых каналах с динамическим регул и рованием мощности
На правах рукописи
Шушнов Максим Сергеевич
ПРИЁМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В
МНОГОЛУЧЕВЫХ КАНАЛАХ С динамическим
регулированием мощности
Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новосибирск – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Фалько А.И. |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Носов В.И. |
| кандидат технических наук, доцент Тырыкин С.В. | |
| Ведущая организация: | ФГУП Научно-исследовательский институт электронных приборов, г.Новосибирск |
Защита состоится 18 декабря 2009г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 219.005.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу: 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86, комн. 625.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ».
Автореферат разослан «12» ноября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного cовета Д 219.005.01
доктор технических наук, профессор Мамчев Г.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационной работы
Развитие современных систем подвижной радиосвязи, увеличение количества функционирующих радиоэлектронных средств ведут к постоянному усложнению сигнально-помеховой обстановки на входах приемных устройств и обострению проблемы помехоустойчивости. С проблемами помехозащищенности и помехоустойчивости тесно связаны задачи обеспечения электромагнитной совместимости и пропускной способности систем радиосвязи, поиска возможностей повторного использования доступных участков спектра, необходимых для развития инфраструктуры систем радиосвязи.
Рост количества и качества предоставляемых услуг средствами подвижной радиосвязи напрямую зависят от решения задач электромагнитной совместимости от совершенствования алгоритмов приема и обработки полезных сигналов в условиях действия помех различной природы.
Эффективность работы систем подвижной радиосвязи в значительной мере определяется не только мешающими воздействиями типа флуктуационного шума, но и взаимными помехами одновременно работающих радиосредств, среди которых большую долю составляют внутрисистемные помехи. Воздействие внутрисистемных помех приводит к существенному снижению помехоустойчивости приема полезных сигналов. Поэтому защита систем подвижной связи от влияния внутрисистемных, действующих в радиоканалах, является важной научно-технической задачей.
Теория потенциальной помехоустойчивости разработана ее основоположником В.А. Котельниковым и получила развитие в работах Р.Л. Стратоновича, Т. Кайлата, В.И. Тихонова, М.С. Ярлыкова, Ю.Г. Сосулина, Д.Д. Кловского, Г. Ван Триса, А.А. Харкевича, В.И Сифорова, Д. Мидлтона, Б.Р. Левина, Л.М. Финка, И.С. Андронова, Н.С. Теплова, В.В. Шахгильдяна, В.Г. Репина, Г.П. Тартаковского, Л.Е Варакина, А.Г Зюко, Ю.С. Шинакова, А.П. Трифонова, А.И. Фалько, А.А. Сикарева, В.И. Коржика, И.А. Цикина, В.Ф. Комаровича, М.П. Хворостенко и многих других ученых.
Основной проблемой в системе радиосвязи с множественным доступом и расширением спектра сигнала прямой последовательностью (ПП МДКР) является борьба с эффектами вариации уровня сигнала на входе приемника и противодействие интерференционным помехам, возникающим в результате использования общей полосы частот множеством пользователей и многолучевого распространения сигнала в канале.
Настоящая работа посвящена исследованию вопросов построения мобильных систем связи с динамическим регулированием мощности в каналах подвижной радиосвязи с интерференционными помехами.
Рассматриваемые в данной работе адаптивные алгоритмы регулирования мощности, основанные на уменьшении влияния интерференционных помех, действующих в канале, позволяют повысить помехоустойчивость систем подвижной связи.
Цель работы
Целью настоящей работы является исследование приема широкополосных сигналов в многолучевых каналов с динамическим регулированием мощности, где используются широкополосные сигналы, полученные методом прямого расширения спектра.
Основные задачи исследования
Поставленная цель исследований требует решения следующих основных задач:
- Анализ существующего состояния проблемы защиты от внутрисистемных помех.
- Исследование адаптивного приема сигналов в условиях многолучевости и воздействия помех.
- Исследование адаптивных алгоритмов регулирования мощности.
- Анализ помехоустойчивости приема при использовании адаптивных алгоритмов регулирования мощности.
- Сравнительный анализ качества методов оценивания интерференционных помех.
Методы исследования
Основные результаты работы получены на основе применения теории статистических решений и методов компьютерного моделирования.
Личный вклад автора
Основные результаты работы получены автором лично.
Научная новизна результатов работы
Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
- Синтезированы алгоритмы приема в многолучевых каналах с формированием оценок неизвестных параметров сигнала по обучающей выборке, которой является смесь сигнала с помехами.
- Проведен анализ помехоустойчивости синтезированных алгоритмов приема сигналов в многолучевых каналах с учетом конечной скорости изменения параметров сигнала и учетом влияние интерференционных помех других лучей на обрабатываемый луч. Этим анализом показано, что влияние интерференционных помех не может быть ослаблено увеличением мощности сигнала, а требуется регулирование излучаемой мощности передатчиков мобильных станций всего ансамбля пользователей.
- Синтезированы алгоритмы приема сигналов с многолучевостью и узкополосными помехами (УП) с формированием оценок УП методом уравнений состояния совместно с методами динамической адаптации.
- Проведен анализ помехоустойчивости приема при воздействии УП. Новизна заключается в том, что показано влияние различия структур сигнала и узкополосных помех на возможность ослабления этих помех в приемнике. Если такого различия нет, как в случае интерференционных помех, то необходимо регулирование излучаемой мощности передатчиков ансамбля мобильных станций.
- Предложено адаптивное динамическое регулирование мощности заключающееся в переменном шаге регулирования мощности. Это позволяет точнее поддерживать постоянство интерференционной обстановки на входе приемника при работе в ансамбле станций. Результаты проведенного компьютерного моделирования алгоритмов регулирования мощности передающих устройств показали эффективность предложенного динамического алгоритма регулирования мощности в сравнении с применяемым в настоящее время алгоритмом регулирования мощности с фиксированным шагом. Эффективность выражается в повышении помехоустойчивости приема при использовании в системе множественного доступа с кодовым разделением каналов и расширением спектра сигнала прямой последовательностью.
Достоверность полученных результатов подтверждается проведенным моделированием, согласованностью с данными имеющимися в литературе.
Практическая ценность результатов
Результаты, полученные в работе, позволят разрабатывать адаптивные приемники для обнаружения и различения сигналов в условиях многолучевости, свойственной мобильным каналам радиосвязи.
Выполненные исследования позволили выработать практические рекомендации для построения устройств приема в системах с адаптивным регулированием мощности передающих станций.
Работоспособность предложенных алгоритмов подтверждена результатами компьютерного моделирования.
Рассмотренные в работе вопросы актуальны для практических приложений при проектировании новых помехоустойчивых систем передач информации и модернизации действующих. Проведенные исследования иллюстрируют эффективность применения полученных результатов в системах мобильной радиосвязи, наиболее подверженных влиянию внутриканальных помех.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре беспроводных информационных систем и сетей (БИСС) и кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актами внедрения.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и научном семинаре, в частности:
- Российская НТК имени А.С. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.
- Научный семинар СибГУТИ, Новосибирск, 2009 г.
Публикации
По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе опубликовано 7 статей, 4 из которых в изданиях из списка ВАК, и 4 тезиса докладов.
Основные положения работы, выносимые на защиту
- Результаты синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема в условиях многолучевости.
- Результаты синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема в условиях многолучевости и воздействия узкополосных помех.
- Результаты исследования адаптивных алгоритмов регулирования мощности.
- Результаты анализа помехоустойчивости приема с применением адаптивных алгоритмов регулирования мощности передающих устройств в ПП МДКР системе.
- Результаты исследования методов оценки внутриканальной интерференции в канале подвижной радиосвязи.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка литературы, включающего 79 наименований; изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и график.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приводится обзор публикаций по тематике диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы построения систем широкополосной радиосвязи с ПП МДКР. Показано, что основной проблемой в ПП МДКР системе радиосвязи является борьба с эффектами вариации уровня сигнала на входе приемника и противодействие интерференционным помехам. Таким образом, требуется решение задач синтеза алгоритмов и анализа помехоустойчивости приема сигналов в условиях действия помех, разработки адаптивных алгоритмов регулирования мощности с целью повышения помехоустойчивости приема сигналов и их сравнительное исследование в различных условиях, анализа вопросов связанных с построением устройств регулирования мощности, в частности устройств оценки отношения сигнал-интерференция в канале.
В результате анализа состояния проблемы построения систем широкополосной радиосвязи конкретизирован круг решаемых в работе задач.
Во второй главе исследуются вопросы приема сигналов в условиях многолучевости и воздействия узкополосных помех (УП).
Приводится синтез адаптивного алгоритма приема в многолучевых каналах, где смесь сигнала с помехой на выходе многолучевого канала записывается в виде
, (1)
.
Здесь 
– число приходящих лучей; 
и 
– ортогональные составляющие коэффициента передачи 
-го канала для сигнала 
; 
– функция, определяющая переданный сигнал; 
– функция, сопряженная 
по Гильберту; 
– время запаздывания 
-го луча относительно первого (
); 
– реализация флуктуационной помехи, аппроксимируемой белым гауссовым шумом с нулевым средним, со спектральной плотностью мощности 
; 
– длительность элемента сигнала.
В результате синтеза получен адаптивный алгоритм приема широкополосных сигналов в 
- лучевом канале по критерию идеального наблюдателя (Котельникова) для априорно равновероятных передаваемых сигналов в виде:
,
. (2)
Здесь
, 
, (3)
, (4)
. (5)
Максимально-правдоподобные оценки параметров сигнала на 
-м этапе наблюдения в 
-м луче определяются
,
. (6)
– дисперсия этих оценок.
Оценки параметров сигнала согласно (6) определяются сверткой принятой смеси и образца сигнала с задержкой на время запаздывания 
-го луча. Предполагается известным передаваемый сигнал 
на каждом интервале измерения. Вместо неизвестного переданного сигнала в системах с активной паузой и ортогональными в усиленном смысле сигналами можно использовать сумму всех позиций сигнала 
, где 
– алфавит сигнала. При этом в интервал обучения можно включать и элемент сигнала, на котором принимается решение в данный момент.
Обучение при приеме противоположных сигналов должно проводиться по классифицированной выборке, то есть со снятием манипуляции, например, с помощью обратной связи по решению. В интервал обучения при этом не должен входить элемент сигнала, на котором принимается решение в данный момент.
При использовании сигналов с активной паузой с одинаковыми энергиями правило приема (2) существенно упрощается:
,
. (7)
Полученные решающие правила являются алгоритмами взаимно-корреляционного приема сигналов. Из (2)...(7) видно, что входной сигнал перемножается с опорным, задержанным на время запаздывания соответствующего луча, с последующим интегрированием результатов перемножения и сложением взвешенных сигналов.
Можно задерживать входной сигнал в каждой ветви обработки с последующим перемножением его на опорное напряжение и весовым сложением и интегрированием.
Решающие правила приема можно реализовать как при помощи корреляторов, так и согласованных фильтров.
Из общего алгоритма следуют частные случаи. При неизменных параметрах сигнала (
) по мере увеличения размера обучающей выборки адаптивный алгоритм (2) и (7) приближается к алгоритму когерентного разнесенного по лучам приема. В каналах с быстрыми изменениями измеряемых параметров (
) алгоритм (7) преобразуется к известному алгоритму некогерентного разнесенного по лучам приема.
Анализ помехоустойчивости приема проведен для противоположных сигналов (
). Результатом является выражение для расчета вероятности ошибочного приема
(8)
Из (8) видно, что вероятность ошибки зависит от отношения энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума 
, от размера обучающей выборки 
, от структуры 
и базы сигнала 
, а также от коэффициентов, характеризующих скорость изменения параметров сигнала 
.
 Рисунок 1 |
В качестве иллюстрации на рисунке 1 приведены зависимости вероятности ошибки 
от 
(одинаковая интенсивность лучей) при разном числе обрабатываемых лучей 
, при обучении на одном интервале сигнала 
. Сплошными линиями показаны зависимости, рассчитанные в предположении гауссовой аппроксимации 
при 
, в условиях действия четырех лучей 
, при приеме сигнала с базой 
и 
.
Штриховыми линиями показаны зависимости, построенные в предположении, что база сигнала гораздо больше 
, когда можно пренебречь влиянием мешающих лучей и 
.
Из приведенных зависимостей видно, что из-за влияния мешающих лучей уменьшение вероятности ошибки при увеличении 
замедляется и при определенных значениях 
перестает влиять на вероятность ошибки. При выделении одного луча это происходит при значениях 
соизмеримых с базой сигнала. Использование нескольких лучей существенно повышает помехоустойчивость приема, но и в этом случае указанная закономерность наблюдается.
Увеличение объема обучающей выборки 
повышает помехоустойчивость приема при медленных изменениях параметров канала 
и значениях отношения энергии сигнала к спектральной плотности шума 
существенно меньших базы сигнала 
, когда влияние мешающих лучей не сказывается. В пределе при 
, выигрыш по вероятности ошибки равен 
, реально он меньше.
В каналах с относительно быстрыми изменениями параметров 
увеличение объема обучающей выборки (
) приводит к декорреляции сигнала и, следовательно, не дает уменьшения вероятности ошибки, поэтому нецелесообразно.
Таким образом, в условиях многолучевости интерференционные помехи от боковых лепестков корреляционной функции сигнала других лучей не позволят повысить помехоустойчивость приема увеличением мощности сигнала отдельной мобильной станции. Аналогично будет влияние многолучевых повторов от сигналов других абонентов.
Далее задача приема усложняется. Приводится синтез алгоритма приема широкополосных сигналов в каналах с многолучевостью и узкополосными помехами, у которых формирование оценок помех осуществляется методами уравнений состояния совместно с методами динамической адаптации.
Алгоритм когерентного приема полностью известного сигнала определяется неравенством
(9)
Его особенностью является процедура вычитания из принятой смеси оценки УП, затем полученная разность перемножается с опорным колебанием, задержанным на время запаздывания соответствующего луча. Результаты перемножения интегрируются и взвешенно суммируются.
Можно задерживать входной сигнал в каждой ветви обработки с последующим перемножением его на опорное напряжение, интегрированием и весовым сложением.
Алгоритм когерентного приема сигналов с одинаковыми энергиями и симметричном воздействии УП, что характерно для широкополосных систем, можно представить более компактно
, (10)
где
. (11)
Алгоритм некогерентного приема разнесенных по лучам сигналов определяется неравенством
(12)
где 
– определяется (11).
Из (12) с учетом (11) следует, что после вычитания из принятой смеси оценки узкополосной помехи производится обычная корреляционная обработка сигнала с последующим возведением в квадрат и суммированием результатов обработки отдельных лучей.
Основным отличием полученных алгоритмов (10), (12) от известных, является способ формирования оценок УП 
методами уравнений состояния.
Анализ помехоустойчивости приема широкополосных сигналов при воздействии узкополосных помех приведен для случая одиночного когерентного приема двоичных сигналов с одинаковыми энергиями без многолучевости по алгоритму (10) (при 
).
Вероятность ошибки определяется известным выражением
, (13)
где 
– интеграл вероятности (функция Крампа).
Здесь
, (14)
где 
– отношение энергии элемента принятого сигнала к спектральной плотности мощности флуктуационной помехи;
– отношение дисперсии ошибки оценивания узкополосных помех к дисперсии флуктуационной помехи;
– коэффициент, характеризующий вид используемых сигналов (
для противоположных сигналов, 
для ортогональных сигналов);
– коэффициент взаимной корреляции 
-го сигнала и УП, характеризующий различие структур 
-го сигнала и УП (
для противоположных сигналов; 
для ортогональных сигналов).
В качестве иллюстрации приведены зависимости вероятности ошибки от отношения энергии элемента сигнала к спектральной плотности мощности флуктуационной помехи (рисунок 2) для разных условий при приеме фазоманипулированных (противоположных) сигналов. Зависимости рассчитаны по формуле (13) с учетом (14) при воздействии УП, имеющей корреляционную функцию 
при 
при разных 
, где FC – ширина полосы полезного сигнала; 
– ширина полосы коррелированной (узкополосной) помехи.
На рисунке 2 кривая 1 соответствует потенциальной помехоустойчивости приема фазоманипулированных сигналов (
), то есть в отсутствие УП. Кривая 6 иллюстрирует помехоустойчивость приема без подавления УП (
). Зависимости 2, 3, 4, 5 приведены соответственно для 
 Рисунок 2 |
Из приведенных зависимостей следует, что в приемнике, построенном оптимально для условий воздействия УП, подавление узкополосных помех существенно и зависит от ширины спектра этих помех (кривые 2…5). Без учета различия структур флуктуационных и узкополосных помех помехоустойчивость определяется суммарным воздействием помех (кривая 6). При этом достоверность приема очень низкая, так как приемник не оптимальный для условий воздействия узкополосных помех.
Следовательно повышение помехоустойчивости приема возможно, если есть различие структуры сигнала и воздействующих помех. Если такого различия нет, как в случае интерференционных помех, то повышение помехоустойчивости возможно только адаптацией по большому контуру, т.е. регулированием мощности передаваемых сигналов.
Третья глава посвящена исследованию адаптивных алгоритмов регулирования мощности в различных условиях.
На рисунке 3 показана модель управления мощностью в канале от МС к БС (восходящий канал) в системе радиосвязи с ПП МДКР. Задача регулирования мощности состоит в том, чтобы установить передающую мощность МС так, чтобы все пользователи в системе имели приемлемые отношения энергии принимаемого символа к спектральной плотности мощности интерференционных помех (
)
Количество пользователей (15) определяется базой сигнала 
и требуемым отношением энергии символа к спектральной плотности мощности интерференционных помех при равенстве мощностей всех пользователей. Поэтому нужна регулировка мощности МС.
. (15)
Регулирование мощности передающей мобильной станции (рисунок 3) основывается на информации об ошибке по мощности 
на приемной станции (БС). Информация об ошибке формируется путем сравнения оценки 
действующего отношения мощности сигнала к мощности интерференционных помех 
в канале с пороговым значением 
при котором обеспечиваются наилучшие условия приема при заданной вероятности ошибки 
.
 Рисунок 3 |
Информация об ошибке по мощности МС 
передается через канал с замираниями через интервалы времени 
. Для передачи по дискретному каналу 
дискретизируется и квантуется в формирователе управляющих битов. На выходе формирователе управляющих битов присутствует команда управления 
. В канале управления от БС к МС (нисходящий канал) присутствует задержка 
, замирания сигнала и возможность появления ошибок в сигналах управления мощностью 
. На приемной стороне (в приемнике МС) выделяются биты управления 
, и в соответствии с алгоритмом регулирования производится корректировка мощности передающего устройства мобильной стации на величину шага регулирования кратную 
.
Затем процесс повторяется, пока существует возможность изменения мощности передающего устройства.
Если дальнейшее изменение мощности передающего устройства невозможно, то управление мобильной станцией должно быть передано в зону действия другой ближайшей базовой станции.
Дальнейшие исследования проведены методами компьютерного моделирования для условий соответствующих мобильным каналам в диапазоне 1,8 ГГц, со средними частотами замираний сигнала 
в канале 17, 50 и 100 Гц для интервала регулирования мощности 
мс, что соответствует частоте посылок команд управления мощностью 1500 Гц как в WCDMA (Wideband Code Division Multiply Access). Приводится описание адаптивного алгоритма регулирования с динамическим шагом регулирования, в котором биты управления мощностью формируются по правилу:
, (16)
где 
, 
– режим работы динамического алгоритма (1,2,3,4…).
Сравнительный анализ алгоритма регулирования с фиксированным шагом и предложенного с динамическим шагом показал, что динамический алгоритм обеспечивает более быстрое установления требуемого значения мощности. Так при использовании алгоритма с фиксированным шагом потребуется 20 шагов для достижения установившегося значения мощности. Алгоритмам с динамическим шагом требуется 10, 7 и 5 шагов для режимов 
, 
и 
.
Тем самым при равных значениях интервала регулирования 
и шага регулирования по мощности 
, применение адаптивных динамических алгоритмов дает выигрыш во времени достижения установившегося значения мощности. Сокращение времени установления мощности на выходе передатчика позволит лучше отслеживать изменения затухания в канале.
Приводится оценка эффективности различных режимов адаптивного динамического алгоритма и алгоритма с фиксированным шагом. Сравнение проведено при постоянстве параметра канала с регулированием мощности 
, где 
. Этот параметр характеризует среднюю скорость изменения замираний в канале с регулированием мощности. Так, например, для средней частоты замираний
Гц и интервала регулирования мощности 
мс равен 
, при 
Гц и 
мс равен 
, а при 
Гц и 
мс равен
.
Полученные зависимости вероятности битовой ошибки 
в зависимости от отношения энергии бита к энергии интерференционных шумов 
показаны на рисунке 4.
Верхняя кривая соответствует 
в мобильном канале с замираниями без регулирования мощности, а нижняя кривая – вероятности битовой ошибки 
в канале с белым гауссовым шумом без замираний и без регулирования мощности.
Из рисунка 4 следует, что поскольку современные сотовые системы связи с МДКР рассчитаны преимущественно на голосовую связь с границей 
, применение динамического алгоритма неоправданно. Но для передачи данных требуется гораздо меньшая вероятность ошибки 
, в этом случае динамический алгоритм дает заметный выигрыш в помехоустойчивости более чем на 6 дБ при 
(при этом требуется передача четырех битов управления мощность вместо одного для фиксированного шага).
 Рисунок 4 |
Чтобы оценить воздействие замираний на работоспособность алгоритмов, выполнено моделирование с использованием алгоритмов с фиксированным и динамическим шагом в режиме 
. Результаты моделирования представлены на рисунках 5 и 6, соответственно.
Из графиков на рисунке 5 видно, что регулировка с фиксированным шагом при более высоких скоростях изменения канала более 
неэффективна. Однако она работает эффективно при медленно изменяющемся канале, как это для случая 
при 
. Подобное поведение можно получить применив адаптивный динамический алгоритм (рисунок 6), где шаг меняется динамически. При одних и тех же значениях 
алгоритм с динамическим шагом позволяет получить лучшую помехоустойчивость (снижение вероятности 
при фиксированном 
).
 Рисунок 5 |  Рисунок 6 |
Результаты сравнения алгоритмов при разных параметрах канала сведены в таблицу 1 для 
и таблицу 2 для 
.
Таблица 1 – Сравнение адаптивных алгоритмов регулирования при разных параметрах канала для 
| Алгоритм | Фиксированный | Динамический ( ) | |
 | Необходимое  , дБ | Необходимое  , дБ | Выигрыш по  , дБ |
| 0,011 | 8,7 | 8,1 | 0,6 |
| 0,033 | 18 | 11,2 | 6,8 |
| 0,067 | 21 | 17,1 | 3,9 |
Таблица 2 – Сравнение адаптивных алгоритмов регулирования при разных параметрах канала для 
| Алгоритм | Фиксированный | Динамический ( ) | |
 | Необходимое  , дБ | Необходимое  , дБ | Выигрыш по  , дБ |
| 0,011 | 20,1 | 13,7 | 6,4 |
| 0,033 | >35 | 21,1 | 13,9 |
| 0,067 | >50 | >25 | >25 |
Проведено сравнения устойчивости алгоритмов регулирования с фиксированным и динамическим шагом к задержкам сигналов управления мощностью (таблица 3) для удвоенного и утроенного интервала регулирования, что эквивалентно дополнительной задержке в цикле регулирования в один и два интервала регулирования соответственно.
Таблица 3 – Сравнение адаптивных алгоритмов регулирования по устойчивости к задержкам в канале управления для 
дБ
| Алгоритм | Фиксированный | Динамический ( ) |
| Потери в помехо-устойчивости, раз | ||
 | >4 | >12 |
 | >10 | >15 |
Так при увеличении задержки регулирования в 3 раза помехоустойчивость приема снижается более чем в 12 раз при 
дБ и применении алгоритма с фиксированным шагом. Снижение помехоустойчивости в случае применения алгоритма с динамическим шагом при увеличении задержки в канале регулирования в 3 раза более чем в 15 раз при 
дБ. Это объясняется «устареванием» информации об ошибке 
. Таким образом, предложенный адаптивный алгоритм регулирования мощности с динамическим шагом более подвержен задержкам в канале регулирования, что необходимо учесть при проектировании системы. Следует заметить, что информация 
может иметь задержку из-за задержек в схемах оценки 
, формирователе управляющих битов и детекторе управляющих битов в приемнике.
Проведено исследование устойчивости алгоритмов регулирования к ошибкам в канале передачи битов управления 
. Из анализа результатов следует, что алгоритм регулирования с динамическим шагом даже при высокой вероятности ошибки 
в канале управления мощностью дает выигрыш в помехоустойчивости приема 
по сравнению с алгоритмом с постоянным шагом 
при 
дБ. Причем выигрыш сохраняется до 
дБ. Потери в помехоустойчивости более заметны для адаптивного динамического алгоритма и составляют около 10 раз при увеличении вероятности ошибки в канале управления мощностью 
от 0,01 до 0,1 при 
дБ. Для алгоритма с фиксированным шагом потери в помехоустойчивости при тех же условиях составляют около 2 раз. Тем самым можно сказать, что адаптивный алгоритм более чувствителен к ошибкам в канале управления мощностью мобильной станции.
В четвертой главе проведен анализ описанных в литературе схем оценки отношения сигнал-шум в канале методом максимального правдоподобия (МП) и по дисперсии сигнал-шум (ДСШ) на чиповой и символьном уровнях.
Из графиков на рисунке 7 очевидно, что устройство оценивания методом МП дает наиболее точные результаты в широком диапазоне изменения 
в канале. Однако как было показано ранее, этим методом сложно проводить быстрые измерения, так как требуется передача пилот-сигнала.
 Рисунок 7 |
Устройство оценивания отношения сигнал-интерференция по ДСШ при низком 
на уровне чипов дает наихудшие результаты (ошибка более 14 дБ), в то время как на символьном уровне результаты несколько лучшие (ошибка менее 10 дБ). Таким устройством можно проводить быстрые измерения, не требуется передача пилот-сигнала.
Для приложений работающих в реальном времени простота реализации алгоритма является решающим фактором. Поэтому с практической точки зрения метод оценки по ДСШ является более подходящим, так как не требует передачи пилот-сигнала. Ошибка оценивания не может существенно сказаться на помехоустойчивость приема, т.к. алгоритмы регулирования эффективны лишь при 
дБ, а при этом ошибка оценивания слабо зависит от величины 
. Компромисс применительно к адаптивным алгоритмам, нацеленным на быструю регулировку мощности, сводится к повышению скорости формирования оценок 
с целью полного использования потенциальных возможностей адаптивной регулировки мощности с динамическим шагом. Следовательно, метод оценки по ДСШ более подходит для формирования 
.
В заключении содержится формулировка основных научных и практических результатов диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1 Синтезирован алгоритм приема сигналов в условиях многолучевости и проведен анализ помехоустойчивости адаптивного алгоритма приема в условиях многолучевости. Показано, что использование нескольких лучей существенно повышает помехоустойчивость приема, но из-за влияния мешающих лучей уменьшение вероятности ошибки при увеличении энергетических соотношений в канале замедляется и при определенных значениях перестает влиять на вероятность ошибки.
2 Cинтезирован адаптивный алгоритм приема широкополосных сигналов в условиях многолучевости и воздействия узкополосных помех и проведен анализ помехоустойчивости приема. Используя различие в структурах широкополосного сигнала и узкополосных помех можно подавить узкополосную помеху в приемнике. Если помеха широкополосная и различия в структурах сигналов и помех нет, как это имеет место при воздействии интерференционных помех, то работать в условиях таких помех можно, используя адаптацию по большому контуру, то есть с регулированием мощности излучения в ансамбле станций.
3 Предложен алгоритм регулирования мощности с динамически изменяющимся шагом регулирование и проведено компьютерное моделирование алгоритмов регулирования мощности передающих устройств.
Сравнение используемого в настоящее время алгоритма регулирования с фиксированным шагом и динамического алгоритма при постоянстве и изменчивости параметров канала (для различных средних частот замираний) показало, что для ПП МДКР систем рассчитанных преимущественно на голосовую связь, применение динамического регулирования неоправданно, но оправдано для ПП МДКР систем передачи данных при этом обеспечивается выигрыш в помехоустойчивости порядка 6 дБ.
Результатами моделирования показана устойчивость динамического алгоритма регулирования мощности к ошибкам в канале управления мощностью.
4 Исследование схем и методов оценки интерференционной обстановки в канале подвижной связи с ПП МДКР показало, что метод максимального правдоподобия обеспечивает более высокую точность оценки отношения мощности сигнала к мощности интерференционных помех по сравнению с методом оценки по дисперсии. Но метод оценки по дисперсии более подходит для оценки интерференционной обстановки в канале из-за более быстрого формирования оценок необходимого для полного использования потенциальных возможностей динамического регулирования мощности.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Фалько А.И., Шушнов М.С. Адаптивный прием сигналов в каналах со стохастическими узкополосными помехами // Телекоммуникации. – 2006. – №6. – с.38 – 45.
- Фалько А.И., Шушнов М.С. Вопросы приема сигналов в каналах со стохастическими узкополосными помехами // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. А.С. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». – Новосибирск: СибГУТИ, 2006. – т.1 – с.87,88.
- Фалько А.И., Шушнов М.С. Прием широкополосных сигналов в каналах с многолучевым распространением и стохастическими узкополосными помехами // Радиотехника. – 2007. – №2. – с.16 – 19.
- Фалько А.И., Шушнов М.С. Прием широкополосных сигналов в каналах с многолучевостью и стохастическими помехами // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. А.С. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». – Новосибирск: СибГУТИ, 2007. – т.1 – с.61,62.
- Фалько А.И., Шушнов М.С. Прием широкополосных сигналов в каналах с многолучевым распространением и стохастическими узкополосными помехами // Вестник СибГУТИ, №1, 2007. – с.85–88.
- Шушнов М.С. Адаптивные алгоритмы регулирования мощности передающих устройств в системах с кодовым разделением каналов // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. А.С. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». – Новосибирск: СибГУТИ, 2008. – т.1 – с.274–276.
- Фалько А.И., Шушнов М.С., Гюнтер А.В. Прием сигналов при воздействии коррелированных помех // Вестник СибГУТИ, №2, 2008. – с.35–39.
- Фалько А.И., Шушнов М.С., Гюнтер А.В. Прием сигналов при воздействии коррелированных помех // Радиотехника, №4, 2009. – с.4–10.
- Шушнов М.С. Моделирование алгоритмов регулирования мощности передающих устройств сотовых систем связи // Сб. тез. докл. научно-техн. конференции РНТОРЭС им. А.С. Попова «Информатика и проблемы телекоммуникаций». – Новосибирск: СибГУТИ, 2009. – т.1 – с.274.
- Фалько А.И., Шушнов М.С., Ошуева A.M., Якимова М.Г. Теоретические основы приема сигналов по параллельным каналам пpи воздействии узкополосных помех. Часть 1. Синтез алгоритмов // Телекоммуникации, №8, 2009. – с.2–11.
- Falko A.I., Shushnov M.S. Adaptive reception of signals in channels with stochastic narrowband interference // Telecommunications and radio engineering, vol.69, №10, 2008, pp.925–948.
Шушнов Максим Сергеевич
ПРИЁМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В
МНОГОЛУЧЕВЫХ КАНАЛАХ С динамическим
регулированием мощности
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
________________________________________________________________
Подписано в печать «____» ___________ 2009 г.
Формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10,
изд. л.___, заказ № ___, тираж 100 экз., ГОУ ВПО «СибГУТИ».
630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86.
