[ УДК 621.396
На правах рукописи
АНДРИАНОВ Иван Михайлович
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
СИСТЕМ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ И
ПРЕРЫВИСТОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ
Специальности:
05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах), 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва, 2012
Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана на кафедре «Автономные информационные и управля ющие системы».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, Лауреат Государственной премии СССР Шахтарин Борис Ильич.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Козлов Анатолий Иванович;
доктор технических наук, профессор Неусыпин Константин Авенирович.
Ведущая организация: ОАО «Концерн «Созвездие».
Защита состоится «5» июня 2012 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 при Московском госу дарственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государствен ного технического университета им. Н.Э. Баумана.
Автореферат разослан « 20 » апреля 2012 г.
Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печа тью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. Муратов И.В.
Общая характеристика работы
Актуальность темы Для систем беспроводной передачи данных, функционирующих в усло виях мультипликативных помех, актуальным является повышение их эффек тивности. Повышение помехоустойчивости систем передачи и обработки ин формации, как одного из показателей эффективности, вступает в противоре чие с задачами по увеличению другого показателя эффективности, а имен но спектральной эффективности. Проблема увеличения помехоустойчивости может быть решена методами системного анализа, при минимизации потерь спектральной эффективности.
В современных каналах передачи данных с замираниями значительное ослабление сигналов вызывает уменьшение отношения сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника. Это приводит к резкому снижению точности синхрони зации и помехоустойчивости. Для борьбы с замираниями применяются алго ритмы разнесенного приема/передачи сигналов, символьное перемежение с помехоустойчивым кодированием.
При прохождении сигналов по каналам передачи данных, возникает меж символьная интерференция (МСИ), значительно искажающая форму сигна ла. Одним из эффективных способов борьбы с МСИ является применение си стем с ортогональным частотным уплотнением сигналов (далее ОЧУС; англ.
OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Подканалы в системах с ОЧУС практически не испытывают влияние МСИ, однако, могут иметь зна чительные локальные затухания, возникающие вследствие многолучевости (70 дБ и более).
Алгоритмы ОЧУС широко используются в:
1. Системах беспроводной передачи данных стандарта WiFi (IEEE 802.11), работающих в диапазоне 2.4 - 5 ГГц.
2. Системах беспроводной передачи данных стандарта WiMAX (IEEE 802.16), работающих в диапазоне от 2 до 6 ГГц.
3. Системах цифрового телевидения стандартов DVB-T и DVB-T2 (47 — 862 МГц).
Алгоритмы разнесенного приема/передачи помимо стандартов WiFi и WiMAX используются в базовых станциях систем сотовой связи стандарта GSM, работающих в диапазоне 800 — 900 МГц.
Для борьбы с локальными затуханиями сигналов целесообразно приме нять алгоритмы прерывистой передачи данных, разработке которых посвя щена данная диссертация.
Применение алгоритмов прерывистой передачи накладывает на беспро водные системы передачи данных следующие ограничения:
1. по несущей частоте (нес от 30 МГц до 30 ГГц);
2. по полосе сигнала нес / > 80 - 100, где - ширина полосы;
3. по среднему значению ОСШ на входе приемника (больше 8 - 10 дБ);
4. функционирование в каналах с медленными неселективными по часто те замираниями.
Исследованиям повышения помехоустойчивости передачи данных исполь зованием прерывистой передачи в беспроводных каналах посвящено ограни ченное число работ. Одним из первых прерывистую передачу данных в ка налах с замираниями предложил использовать А.Г. Зюко. В.С. Мельников и др. разработали алгоритмы прерывистой передачи данных для систем с об ратной связью. Л. Ханзо, С. Вонг предложили использовать многопороговые системы прерывистой передачи данных. Однако, в литературе не были опи саны алгоритмы прерывистой передачи в каналах, отличных от рэлеевских и метеорных.
Большой вклад в исследования систем передачи данных с разнесенным приемом/передачей внесли Л.М. Финк, И.С. Андронов и У.К. Ли, классифи цировав виды разнесения и разработав различные алгоритмы объединения ветвей разнесения. Однако, в литературе отсутствуют исследования по ком плексированию прерывистой передачи данных и разнесенного приема.
Принцип ОЧУС впервые предложили С.Б. Вайнштейн и П.М. Эберт.
Практическая реализация современного алгоритма ОЧУС была предложе на П.Х.Мусом. Ж.Ж. Ван де Бик, Т.М. Шмидл, Р.А. Пачеко разработали алгоритмы оценки параметров сигналов в системах с ОЧУС. А.И. Фалько, В.И. Носов предложили алгоритмы комплексирования разнесенного приема сигналов с ОЧУС. В.М. Вишневский, И.В. Шахнович, С.Л. Портной в сво их работах классифицировали и исследовали системы беспроводной передачи данных на основе ОЧУС. Однако, в литературе отсутствуют исследования по применению алгоритма прерывистой передачи данных в системах с ОЧУС.
Таким образом, данная диссертационная работа является актуальной с научной и инженерной точек зрения.
Цель и задачи диссертации Целью диссертационной работы является синтез эффективных ал горитмов передачи и обработки информации по критерию минимума вероят ности ошибочного приема.
В соответствии с целью диссертационной работы были сформулирова ны и решены следующие задачи:
1. Разработка алгоритма прерывистой передачи для систем передачи ин формации в каналах с замираниями, эффективного по критерию мини мума вероятности ошибочного приема;
2. Разработка алгоритма прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС, эффективного по критерию минимума вероятности ошибочного приема;
3. Комплексирование алгоритмов прерывистой передачи данных и разне сенного приема/передачи сигналов в каналах с замираниями;
4. Разработка алгоритма оценки параметров сигнала с ортогональным ча стотным уплотнением (ОЧУ), оптимального по критерию максимума правдоподобия.
Методы исследования базируются на общих методах системного ана лиза, в частности на использовании теории вероятностей, математической статистики, случайных процессов, оптимального приема, численного и ими тационного моделирования.
Научная новизна диссертации:
1. Разработан алгоритм прерывистой передачи данных для систем переда чи и обработки информации в каналах с замираниями, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема.
2. Предложен алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС, эффективный по критерию минимума вероятности ошибочного приема.
3. На основе системного анализа показано преимущество в помехоустой чивости для систем комплексирования прерывистой передачи данных с разнесенным приемом перед системами одной прерывистой передачи.
4. Показано преимущество в помехоустойчивости и спектральной эффек тивности при комплексировании прерывистой передачи данных с раз несенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму оптимального сложения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Эффективный алгоритм прерывистой передачи данных для систем пе редачи и обработки информации в каналах с замираниями;
2. Алгоритм оценки параметров сигнала с ОЧУ, оптимальный по крите рию максимума правдоподобия;
3. Результаты анализа рабочих характеристик когерентного приема при прерывистой передаче данных;
4. Эффективный алгоритм прерывистой передачи данных для систем с 5. Результаты вероятностного анализа когерентного приема при комплек сировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом;
6. Сравнительные характеристики помехоустойчивости и спектральной эф фективности при комплексировании прерывистой передачи данных с разнесенным приемом.
Личный вклад автора Основные результаты, выводы и рекомендации, приведенные в диссерта ции, получены автором лично.
Практическая значимость работы:
1. В диссертации разработан алгоритм прерывистой передачи данных. Ал горитм позволяет повысить помехоустойчивость и дальность связи, ли бо при сохранении указанных параметров снизить мощность излучения передатчика. Например, в канале с замираниями огибающей сигнала с распределением Накагами, с параметром замираний = 0, 7, при прерывистой передаче вероятность ошибки достигает 103 при среднем значении ОСШ 8 дБ, в то время как без применения прерывистой пе редачи только при 37 дБ.
2. Разработан алгоритм прерывистой передачи данных для систем с ОЧУС.
Алгоритм применим в существующих и перспективных системах пере дачи данных с ОЧУС (например, стандартов IEEE 802.16 и 802.11).
3. Комплексирование прерывистой передачи данных с разнесенным прие мом позволяет помимо увеличения помехоустойчивости повысить спек тральную эффективность передаваемых данных. Например, при четы рехкратном разнесенном приеме выигрыш в спектральной эффективно сти достигает 2, 3 раза в сравнении с одиночным приемом.
4. Разработаны имитационные модели, позволяющие рассчитать выигрыш от использования прерывистой передачи данных, комплексирования пре рывистой передачи с ОЧУС, с разнесенным приемом/передачей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. LXIV Научная сессия, посвящённая Дню радио. – М., 2009.
2. 12-я Международная научно-техническая конференция «Цифровая об работка сигналов и ее применение». – М., 2010.
3. 53-я Всероссийская научная конференция МФТИ «Современные про блемы фундаментальных и прикладных наук». – М., 2010.
4. 63-я Международная студенческая научная конференция в Санкт-Петер бургском государственном университете аэрокосмического приборостро ения. – С-Пб., 2010.
5. 13-я Международная научно-техническая конференции «Цифровая об работка сигналов и ее применение». – М., 2011.
6. LXVI Научная сессия, посвящённая Дню радио. – М., 2011.
7. IX Международная научная конференция ПТСПИ-2011. – Владимир Суздаль, 2011.
8. 64-я Международная студенческая научная конференция в Санкт-Петер бургском государственном университете аэрокосмического приборостро ения. – С-Пб., 2011.
Внедрение результатов диссертации:
1. Результаты диссертации использованы в НИР [4], что подтверждено актом о внедрении.
2. Результаты диссертации использованы в НИР в рамках проекта РФФИ 11-07-00697а, что подтверждено актом о внедрении.
3. Результаты диссертации использованы в НИР в ОАО «Концерн «Со звездие», что подтверждено актом о внедрении.
4. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Ав тономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э.
Баумана, что подтверждено актом о внедрении.
5. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петер бургском государственном университете аэрокосмического приборостро ения, что подтверждено актом о внедрении.
6. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в Институте крип тографии, связи и информатики (ИКСИ) Академии ФСБ РФ.
7. Результаты диссертации опубликованы в учебных пособиях [5], [6] и [7], что подтверждено актом о внедрении.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях по перечню ВАК, 3 учебных пособиях, представлены в 5 тезисах докладов на международных конференциях, 3 тезисах докладов на всероссийских конфе ренциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе ния, четырех глав, заключения, списка литературы (63 наименования), трех приложений и изложена на 139 листах машинописного текста, включая рисунок.
Содержание работы Во Введении дана общая характеристика работы, обоснована актуаль ность темы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, кратко изложено содержание работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ предметной области исследований. С этой целью проанализированы принципы построения, особенности функцио нирования, преимущества и недостатки систем с ОЧУС. Проведена класси фикация факторов, снижающих помехоустойчивость систем с ОЧУС.
Получен алгоритм оценки параметров оптимальный по критерию максимума правдоподобия. В (1) = - от носительный частотный сдвиг; - частотный сдвиг; - отчеты фазового шума; - значение частотной характеристики канала для -ой поднесущей.
Сформулирована функция правдоподобия - матрица частотного сдвига, вызванного смещением несущей частоты; P = образования Фурье; D = (d); d - вектор передаваемых данных;
W C - ортогональная унитарная матрица, удовлетворяющая услови аддитивного шума.
Найдены оценки параметров (1), оптимальные по критерию максимума правдоподобия, при выполнении условия где (,, g) - отрицательный логарифм от (2).
Проведена классификация алгоритмов оценивания параметров канала связи. Показано, что алгоритмы, использующие пилот-сигналы, применимы только для больших средних значений ОСШ и при неглубоких замираниях (менее 30 дБ).
Во второй главе разработаны принципы прерывистой передачи дан ных (ППД).
Разработан алгоритм ППД (рис. 1) для узкополосных каналов с замира ниями.
Алгоритм (рис. 1) представляет собой два тракта приема-передачи сигна лов (на линии «вверх» и «вниз»), через которые проходит контур с обратной связью.
Установлено, что алгоритм ППД является эффективным по критерию минимума вероятности ошибки при постоянной скорости передачи данных.
Показано, что для обеспечения работы алгоритма (рис. 1) необходимо выполнение следующих условий:
1. работа системы во временном дуплексном режиме передачи данных (TDD);
«