Увеличение пропускной способности сотовых систем радиосвязи с кодовым разделением каналов методами многопользовательского детектирования

Современная ситуация в области радиосвязи характерна тем, что сотовые системы радиосвязи (ССРС) применяются все шире и ускоряющимися темпами идет их развитие.

Достаточно указать на то, что за последние десять-двенадцать лет последовательно создавались и исследовались три поколения сотовых радиотелефонных систем.

Первыми возникли аналоговые системы множественного доступа с частотным разделением абонентов (NMT — The Nordic Mobile Telephone System, AMPS — Advanced Mobile Phone System) [1]. В этих системах обеспечивался принцип свободного доступа абонентов к общему частотному ресурсу. (Число абонентских каналов связи много меньше количества потенциальных абонентов). Этот принцип позволяет абонентской станции работать в любом канале связи в выделенной полосе частот. Для этих систем характерны относительно низкая помехоустойчивость при достаточно высоком требуемом отношении сигнал-шум на выходе приемника и низкая емкость соты, определяемая как количество пользователей, одновременно работающих в одной и той же полосе частот [2]. Применение частотного разделения абонентов и частотной модуляции в таких системах не обеспечивает достаточную защищенность передаваемой информации от несанкционированного доступа.

ССРС первого поколения обладают также рядом других недостатков:

— ширина полосы защитного интервала (например, NMT — 25 кГц) много больше полосы частот предаваемого сигнала (3 кГц),.

— при малой активности абонентов частотный ресурс используется неэффективно,.

— при большой загрузке системы возникает проблема распределения полосы частот между абонентами,.

— плохо решается проблема разделения абонентов: так как сигналы с конечной длительностью имеют практически бесконечный спектр, разделительные фильтры вне полосы пропускания ослабляют сигнал на конечную величину.

Несмотря на перечисленные недостатки, системы сотовой связи первого поколения активно эксплуатируются и в настоящее время. Например — NMT,.

AMPS. Улучшенный стандарт NMT-450i принят в качестве федерального стандарта аналоговой сотовой связи в России [3].

Следующее поколение сотовых радиотелефонных систем, реализующее цифровые методы обработки сигналов (стандарты TDMA — Time Division Multiple Access, GSM — Global System Mobile [1]), характеризуется улучшением качества связи благодаря применению следующих методов обработки сигнала:

— кодирование информации и перемежение,.

— пространственное, временное и частотное разнесение,.

— адаптация радиотракта к изменениям, возникающим в канале связи.

Например, в стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access).

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением [4]. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи, которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала, и отключение передатчика в паузах [5]. Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов в условиях распространения радиоволн в городе в аппаратуре используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов [6]. В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений за счет шифрации [4].

Одним из распространенных критериев оценки ССРС является соотношение объема системы сигналов L (количество возможных вариантов передаваемых сигналов, определяемых единым правилом построения) и базы сигнала В [2]. По соотношению между объемом системы сигналов к базе сигнала сотовые системы связи второго поколения относятся к нормальным системам, для которых объем системы сигналов имеет степенную зависимость от базы сигнала L ~ В", где п>1.

Однако на сегодняшний день наибольшую популярность не только в России, но и во всем мире завоевывают системы третьего поколения с кодовым разделением абонентов CDMA (Code Division Multiple Access).

В цифровой системе CDMA по стандарту Is-95, помимо собственно самого кодового разделения, используются следующие методы обработки сигналов, теоретически хорошо известные, но качественно реализованные в гражданских устройствах радиосвязи сравнительно недавно в связи с появлением новых схемотехнических технологий:

— многолучевый прием сигналов (Rake-приемник);

— учет речевой активности абонентов;

— секторизация ячеек;

— помехоустойчивое кодирование;

— регулировка мощности;

— «мягкий» переход из соты в соту.

Использование этих принципов позволило в 10 раз увеличить емкость сотовой системы радиосвязи CDMA по сравнению с предыдущими системами (например, AMPS, N-AMPS — Narrowband AMPS). (См. таб., где емкость AMPS принята за единицу измерения.).

AMPS N-AMPS TDMA CDMA.

1 3 5 10.

Системы третьего поколения сотовых систем связи относятся к числу систем с экспоненциальной зависимостью количества сигналов от величины базы:

L = с • ехр (у • В), где с, у — некоторые постоянные.

База сигнала CDMA по стандарту Is-95 В «106, а величина объема системы сигналов L >1012.

Такие системы являются наиболее эффективными по критерию использования базы сигнала (L"B), и называются большими системами сигналов.

Кратко охарактеризованные принципы построения сотовых систем связи с кодовым разделением каналов широко освещены в литературе.

Первые работы, в которых рассматривались проблемы создания ССРС третьего поколения, появились в середине 80-х годов. В статьях [7−9] описаны основные принципы построения систем CDMA и продемонстрированы преимущества тогда еще нового стандарта сотовой системы связи Is-95 по сравнению с предыдущими. Кроме того, в них рассмотрены общесистемные вопросы контроля работы сетей связи с кодовым разделением абонентов и описаны методы и алгоритмы обработки сигнала CDMA.

Наиболее точное и многостороннее описание CDMA появилось в книге A.J. Viterbi «CDMA. Principles of Spread Spectrum Communication» [10].

В данной работе систематизированы принципы кодового разделения абонентов, модуляции/демодуляции, обоснованы требования к используемым для этой цели псевдослучайным последовательностям и описаны методы их генерации, а также методика избыточного кодирования/декодирования с исправлением ошибок. Рассмотрены вопросы приема псевдослучайных сигналов при распространении их в существенно нестационарных многолучевых каналах, методика поиска псевдослучайных сигналов в канале распространения, а также вопросы временной синхронизации лучей.

В [10] представлены виды модуляции, которые в настоящее время широко используются в реальных устройствах: BPSK (Binary Phase Shift Keying), и QPSK (Quadric Phase Shift Keying). При этом для систем с кодовым разделением предложено использование квадратурной модуляции (QPSK кодирования).

В работе [10] показано, что помехоустойчивость приема зависит от точности восстановления несущей. Поэтому в первой системе CDMA по стандарту IS-95 [11] в канале связи от мобильной станции к базовой принято использовать некогерентный прием, не требующий процедуры восстановления амплитуды и фазы несущей (вектора сигнала). Это было сделано по той причине, что считалось сложным проводить оценку фазы для сигнала пользователя каждого абонента, либо считалась нецелесообразной передача априорно известной информации (пилот-сигнала) для каждой абонентской станции.

Как оказалось впоследствии, отказ от когерентного приема не оправдал себя, что привело к возможности совершенствования системы связи CDMA Is-95 — когерентный прием в CDMA [12,13]. Разработка данного направления позволила усовершенствовать систему Is-95 и получить выигрыш в емкости системы не менее 1 дБ. Основной смысл доработки стандарта IS-95 заключается в накоплении некогерентных спектров сигнала после демодуляции и восстановлении по результатам накопления вектора сигнала [13].

После введения таких изменений в систему Is-95, во всех новых версиях стандартов CDMA [14] (они получили название cdma2000 — [15] и UMTS — [16]) используется когерентный прием, причем для качественной оценки вектора сигнала используется передача априорно известной псевдослучайной последовательности по специально выделенному пилот-сигналу.

Существенное улучшение системы CDMA по сравнению с предыдущими системами получено за счет эффективной процедуры поиска и определения количества принимаемых многолучевых компонент сигналов. Эта процедура достаточно широко описана в [17,18]. Основным методом поиска является демодуляция входного сигнала по известной псевдослучайной последовательности на интервале поиска и сравнение накопленного значения с порогом.

С целью повышения помехоустойчивости сотовых систем реализовывались устройства слежения за задержкой лучей в трех основных вариантах способов временной синхронизации [19]:

— рекурсивные методы,.

— нерекурсивные методы,.

— методы интерполяции.

Рекурсивные методы слежения за задержкой основаны на демодуляции нескольких соседних задержек псевдослучайной последовательности (ПСП) и смещения оценки положения луча в точку с наиболее достоверной оценкой отношения сигнал-шум. В [11] это — устройство DLL (Delay Lock Loop).

Нерекурсивные методы основаны на демодуляции всего интервала многолучевости и выборе в качестве оценки положения луча наиболее достоверного из них.

Методы интерполяции основаны на расчете величины функции корреляции для случаев, когда величина задержки находится в интервале между реально рассчитанными величинами корреляции.

Помимо вышеперечисленных алгоритмов, в CDMA также используется метод кодирования/декодирования с исправлением ошибок [4,11,15,20−22]. В стандарте Is-95 для этого используется сверточный кодер ½ для прямого канала и 1/3 для обратного. Декодирование кода проводится с помощью алгоритма Витерби [4,21]. В стандарте UMTS применяется также кодирование Рида-Соломона [4].

Для борьбы с релеевскими замираниями используется перемежение информационных бит внутри элементарного отрезка времени (фрейма).

В отличие от других систем радиосвязи, в сотовых системах, обслуживающих перемещающихся абонентов, особо острыми являются проблемы приема сигнала в условиях существенно нестационарного канала, многолучевости, замираний, доплеровских смещений частоты. Проблемам оптимизации приема в таких условиях посвящено большое количество работ [2,5−10,17]. Известно несколько подходов и методов решения данной проблемы. Наиболее часто применяемым методом борьбы с многолучевостью является устройство, называемое Rake-приемником. Структура оптимального приемника многолучевого сигнала приведена, например, в [8]. Основным принципом работы такого устройства является выравнивание и демодуляция сигналов отдельных лучей.

Важной проблемой, с которой приходится считаться разработчикам аппаратуры связи в настоящее время, является также проблема регулировки мощности сигналов различных пользователей. Поскольку абонентские станции независимо располагаются и перемещаются по всему периметру соты, то сигналы от них в асинхронных системах приходят на базовую станцию с различной мощностью. Этот эффект определен как эффект «ближний-дальний» [23] и логонормальные замирания сигналов пользователей [24]. Регулирование и выравнивание мощности сигналов абонентов позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи. Точный расчет емкости соты CDMA для различных методов регулировки мощности проведен, например, в [7,9]. В CDMA используют два принципа регулировки мощности [11]:

— открытая петля,.

— закрытая петля.

В открытой петле мобильная станция осуществляет изменения своей мощности синхронно с принимаемой мощностью базовой станции. Закрытая петля предназначена для уточнения оценки мощности мобильной станции, полученной в открытой петле, и основана на измерении отношения сигнал-шум сигнала, принимаемого базовой станцией. Закрытая петля может также успешно бороться с медленными релеевскими замираниями [8]. В последнее время очень эффективно применяется третья петля регулировки мощности — внешняя петля, которая заключается в коррекции порогов регулировки в зависимости от проверки бит контрольной суммы (CRC — Cyclic Redundancy Check).

Важным отличием появившейся относительно недавно CDMA по стандарту Is-95 от остальных стандартов является возможность обеспечения «мягкого» перехода пользователя из соты в соту, при котором не происходит временного обрыва связи или скачкообразного переключения приемника мобильной станции с одной базовой станции на другую. Современная процедура перехода, описанная в [25,26] обеспечивает высокое качество приема информации в переходной зоне между ячейками (секторами), незаметность процедуры перехода для абонента, исключение ошибочных переходов (эффект «пинг-понг»).

В CDMA также активно применяется секторизация ячеек, смысл которой сводится к разделению соты на несколько секторов, в каждом из которых осуществляется прием на свою независимую антенну [11].

Существенную роль в развитии ССРС играет и применение и развитие алгоритмов и устройств многопользовательского детектирования (МПД). Основные принципы, а также сам термин «многопользовательское детектирование» появились задолго до рождения CDMA в 80-х гг. благодаря работам по защите ученой степени Ph. D. S. Verdu [27] и R. Lupas [28]. Многопользовательское детектирование — метод, заключающийся в демодуляции сигналов всех пользователей, одновременно функционирующих в пределах одного пространственно-частотного ареала с учетом взаимных корреляционных свойств сигналов этих пользователей. Эта задача известна еще и как задача поиска и разработки оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов приема (различения) коррелированных сигналов для систем связи с кодовым разделением каналов.

Исходя из сделанного анализа литературы основными направлениями дальнейшего совершенствования сотовых систем с кодовым разделением каналов следует назвать:

1. Увеличение емкости сотовых систем с кодовым разделением каналов: за счет введения процедуры улучшенного кодирования/декодирования (Turbo Codes) [29]. В последнее время появляется большое количество работ, посвященных данной тематике, это направление активно исследуется [22,30]. за счет использования высокотехнологичных антенных решеток и антенных систем (Smart Antennas) [31,32]. за счет применения в CDMA многопользовательского детектирования.

2. Улучшение процедуры перехода пользователя из соты в соту, оптимизация режима работы мобильной станции во время перехода из соты в соту [33,34].

3. Реализация улучшенных методов регулировки мощности, позволяющих более эффективно бороться с замираниями [35].

Анализ публикаций последних лет показывает, что одним из наименее исследованных, но сулящих значительное увеличение емкости сотовой системы радиосвязи, как ее важнейшей характеристики, направлений является синтез новых и совершенствование известных алгоритмов многопользовательского детектирования. Результаты обзора исследований, уже проведенных в этой области, сводятся к следующему.

В работах S. Verdu [27] и R. Lupas [28], а также в опубликованных на основании этих работ статьях [36−39] показано, что обычный подход, заключающийся в демодуляции сигнала каждого пользователя с помощью коррелятора (Single User Bound), не является оптимальным, поскольку он подразумевал, что сигнал каждого пользователя принимается в окружении только белого шума, а не сигналов других пользователей.

В случае присутствия окружения соседних пользователей предлагался другой подход, называемый многопользовательским детектированием (выполнялся синтез оптимального алгоритма). Принимаемый сигнал на интервале [0,Т] представлялся в виде: N.

XO^S.ft-Tj-b, 1 где Ь1 — переданный информационный символ или бит, st (.) — модулирующий псевдослучайный сигнал, г, — задержки лучей, i = l, N.

Оптимальный алгоритм оценки переданных информационных параметров Ъ1.

1v тт ()(*(t) ~ X Ф ~ h) ' V2 dt) (1) означает проведение оптимизации «в лоб» по набору величин оценок переданного информационного параметра Ъп i =, N и выбор такого набора, который минимизирует (1). Методы оптимизации (1) известны в литературе как первое поколение алгоритмов многопользовательского детектирования.

Способы решения (1) предлагались самые различные. Например, в [36] для этой цели предлагалось использовать алгоритм типа Витерби, при котором в пространстве сигналов метрикой расстояния между сигналами можно было принять функцию взаимной корреляции пользователей т y = jW-Tl)-SJ (t-TJ)dt. (2) о.

В литературе также известны другие методы решения проблемы оптимизации (1):

— алгоритм полного перебора Anderson and Foschini [40],.

— подход Viterbi-Forney, использующий функцию символического перемещения [41],.

— алгоритм сходимости Messerschmitt [42],.

— алгоритм поиска минимального расстояния Aulin and Sundberg [43],.

— подход Фредриксона [44],.

— алгоритм Seshadri and Anderson [45].

Все эти алгоритмы представляют собой различные варианты сходимости уравнения (1).

Однако все известные методы решения уравнения (1) применялись для условий априорно известных задержек сигналов и априорно известных величин векторов сигналов.

Кроме того, с помощью алгоритмов первого поколения МПД не удалось устранить главный недостаток подхода (1) — его вычислительную сложность. Например, как показано в [17], вычислительная сложность алгоритма сходимости (1) увеличивается экспоненциально в зависимости от количества принимаемых сигналов N. Вследствие этого данный алгоритм не мог применяться в реальной аппаратуре связи.

Не дали удовлетворительных результатов попытки упрощения уравнения (1). Например, в работах [46,47] предлагалось разложить это уравнение в ряд, а при поиске минимума ограничится только самыми старшими членами ряда, не получая при этом существенных потерь при приеме.

Известен ряд субоптимальных алгоритмов, позволяющих значительно упростить (1). Эти алгоритмы появились чуть позже и их можно классифицировать как алгоритмы МПД второго поколения. Основной метод обработки сигнала (1) в алгоритмах МПД второго поколения — обращение матрицы взаимных корреляций, либо его усовершенствование — алгоритм MMSE (от англ. Minimize the Mean Square Error). Упоминание об этих методах можно найти практически в любой статье по многопользовательскому детектированию. Наиболее подробно эти алгоритмы описаны в [17]. Как будет показано в настоящей работе, несмотря на высокую оценку этих алгоритмов, полученную в литературе, их практическое применение для реальной аппаратуры связи невозможно.

Наиболее глубоко в литературе исследованы возможности эмпирических алгоритмов регенерации и вычитания регенерированного сигнала из принимаемого (третье поколение МПД). Первые работы, в которых были обозначены методы МПД третьего поколения, появились на рубеже 90-х годов [48−54]. Имеется целая плеяда работ, посвященных различным методам регенерации сигнала:

1. при неизвестной матрице взаимных корреляций (2) (пионерские работы Varanashi & Aazhang [49−52]),.

2. алгоритмы адаптивной оценки элементов матрицы взаимных корреляций по априорно известной передаваемой последовательности [55−58] и без нее [59−62],.

3. при известной матрице взаимных корреляций [17,63−65].

Классификацию алгоритмов третьего поколения МПД можно проводить также по методам вычитания мешающих сигналов. Это подразделение можно провести по двум основным направлениям:

1. итеративные алгоритмы [45,63,66],.

2. последовательное подавление помех [53,67], в которых вычитание регенерированного сигнала начинается с самого сильного и последовательно переходит к более слабым.

Алгоритмы третьего поколения исследованы не только для случая окружения многих пользователей, но и для случая наличия белого шума, релеевских замираний в канале связи, многолучевости, неидеальной временной синхронизации, ошибок в оценке вектора сигнала, и т. д. [48,68,69]. Известны результаты влияния свойств псевдослучайных функций $,(t) на характеристики алгоритмов МПД [70]. В литературе приведены примеры совместного использования регулировки мощности и многопользовательского детектирования [71]. Имеется ряд работ по исследованию алгоритмов МПД третьего поколения для М-ичного некогерентного приема сигнала, который имеет место в системах по стандарту Is-95 [53].

Общий принцип работы алгоритмов третьего поколения многопользовательского детектора заключается в приеме сигналов всех пользователей, оценке параметров сигнала, восстановления сигнала (его регенерации), вычитании регенерированного сигнала из входного, и, при необходимости, последующего повторного приема сигнала [72−74].

Однако, к сожалению, на сегодняшний день алгоритмы МПД третьего поколения разработаны только для обратного канала системы CDMA по стандарту Is-95 для однокомпонентного сигнала, в котором матрица взаимных корреляций неизвестна. Вследствие этого (вычитание приходится выполнять на промежуточной частоте сигнала) алгоритмы характеризуются относительно высокой сложностью реализации (по разным оценкам, они требуют не менее чем 300% усложнения аппаратуры связи на одну ступень многопользовательского детектора). Кроме того, при реализации алгоритма в аппаратуре возникают сложности с коммутацией сигналов различных пользователей в единой шине данных. Таким образом, остается простор для синтеза новых, более совершенных алгоритмов МПД, и модификации старых.

Кроме того, несмотря на то, что алгоритмы третьего поколения МПД являются в настоящий момент наиболее простыми, все работы посвящены лишь теоретическим аспектам алгоритмов, и в них, как правило, не приводится результатов для тестирования реальных сигналов, построенных для реальных стандартов. Как правило, рассматриваются лишь идеализированные случаи, определяющие только принципиальную работоспособность алгоритмов для специально сформированных для таких задач сигналов. Например, в передаваемый информационный сигнал вводятся специальные тренировочные последовательности для оценки матрицы взаимных корреляций, как это делается в [58], что не соответствует ни одному из известных стандартов связи CDMA. Малоисследованным направлением остается также влияние алгоритмов МПД на общие свойства сотовой сети.

Все эти причины и определили цель выполненного диссертантом исследования.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка новых и совершенствование известных алгоритмов многопользовательского детектирования с целью увеличения емкости сотовых систем радиосвязи с кодовым разделением каналов.

Достижение этой цели обеспечивается двумя направлениями исследований:

1) синтез и анализ оптимальных/квазиоптимальных алгоритмов различения и оценки параметров коррелированных сигналов CDMA;

2) исследование связей между алгоритмами многопользовательского детектирования и параметрами сотовой системы как целого.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи по первому направлению исследований:

1. Анализ известных алгоритмов многопользовательского детектирования, сравнение этих алгоритмов между собой и получение потенциально достижимых характеристик помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования.

2. Синтез и анализ новых квазиоптимальных алгоритмов, сравнение характеристик этих алгоритмов с характеристиками известных методов обработки сигналов, применяемых в настоящее время.

3. Проверка и тестирование качества предлагаемых алгоритмов для следующих систем связи: прямого и обратного каналов CDMA по стандартам Is.

95, обратного канала cdma2000, а также обратного канала CDMA по стандарту UMTS.

4. Исследование реализуемости предлагаемых алгоритмов, сравнение их вычислительной сложности со сложностью известных алгоритмов.

Задачи по оценке влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы (второе направление исследований) конкретизировались следующим образом:

1. Анализ известных математических моделей сотовой системы радиосвязи с точки зрения надежности и достоверности описания в них связей между алгоритмами многопользовательского детектирования и емкостью сотовой системы.

2. Формирование математической модели сотовой системы, соответствующей условиям ее функционирования.

3. Получение оценок эффективности различных алгоритмов многопользовательского детектирования на основании построенной модели.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория статистических решений, методы радиотехники и радиофизических измерений, методы теории вероятности и математической статистики. Основные статистические результаты были проверены методами компьютерного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Показано, что используемые в настоящее время в литературе границы потенциально достижимой помехоустойчивости являются значительно завышенными. Для всех исследовавшихся конфигураций канала распространения получены уточненные границы потенциально достижимых характеристик многопользовательского детектирования.

Синтезированы новые квазиоптимальные алгоритмы многопользовательского детектирования, отличающиеся от известных методикой оценки мешающего влияния сигналов различных пользователей друг на друга, а также методом компенсации этого мешающего влияния.

Получены характеристики алгоритмов многопользовательского детектирования как синтезированных в настоящей работе, так и известных алгоритмов, причем существенная часть результатов получена для условий, более приближенных к реальным, чем описанные в литературе.

Проведено тестирование разработанных алгоритмов, включающее в себя моделирование полного тракта обработки сигнала CDMA строго в соответствии с требованиями стандартов связи второго (Is-95) и третьего поколения (UMTS и cdma2000) сотовых систем радиосвязи.

Выполнен анализ влияния многопользовательского детектора на свойства сотовой сети в целом. Рассмотрена возможность применения алгоритмов многопользовательского детектирования при условии перехода пользователей из соты в соту.

Практическая важность и результаты внедрения. Практическая важность работы заключается в следующем. Применение алгоритмов многопользовательского детектирования позволяет улучшить характеристики системы связи, а именно:

— увеличить емкость системы;

— снизить стоимость связи;

— снизить излучаемую мощность передатчика, то есть улучшить электромагнитную совместимость устройств связи, снизить мощность вредного для здоровья человека излучения, обеспечить экономию энергетических ресурсов.

Результаты исследований, представленные в работе, были использованы при выполнении НИР «Канада» с целью увеличения пропускной способности сотовых систем связи CDMA стандарта Is-95, а также при выполнении ОКР «Кодокан» с целью увеличения емкости базовых станций CDMA в Воронежском научно-исследовательском институте связи.

Положения, выносимые на защиту:

— несколько новых квазиоптимальных алгоритмов многопользовательского детектирования для систем радиосвязи с кодовым разделением каналов;

— результаты анализа алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные как для предложенных, так и для известных алгоритмов в реальных условиях канала связиграницы потенциальной помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования, полученные для различных стандартов систем связи;

— компьютерная модель системы связи, соответствующая существующим на сегодняшний день стандартам сотовой радиосвязи и дополненная алгоритмами многопользовательского детектированияанализ влияния алгоритмов многопользовательского детектирования на свойства сотовой системы в целом (ее емкость).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 3-й, 4-й и 5-й научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь». Воронеж, 1997, 1998, 1999 гг.- а также на 2-й Международной конференции DSPA'99 «Цифровая обработка сигналов и ее применение». М., 1999.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах: в 2-х научных статьях, 2-х депонированных рукописях, и 6-и докладах на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 91 наименования. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков.

Заключение

.

Диссертация посвящена разработке оптимальных/квазиоптимальных алгоритмов приема коррелированных сигналов (многопользовательское детектирование) для сотовых широкополосных систем радиосвязи с кодовым разделением каналов (CDMA).

Основные научно-технические результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследованы используемые на практике и предлагаемые в литературе алгоритмы многопользовательского детектирования. Показано, что они имеют относительно низкую эффективность и в помехоустойчивости значительно проигрывают оптимальному алгоритму.

2. Показано, что используемые в литературе границы потенциальной помехоустойчивости алгоритмов многопользовательского детектирования являются существенно завышенными. Получены уточненные границы помехоустойчивости для различных конфигураций канала распространения.

3. На основании критерия качество-сложность предложены квазиоптимальные алгоритмы (итеративный и последовательный). Они обладают значительно меньшей вычислительной сложностью по сравнению с оптимальным и другими известными алгоритмами. Их точностные характеристики близки к потенциально достижимым и существенно превосходят характеристики известных квазиоптимальных алгоритмов. Разработка предложенных алгоритмов выполнялась для условий распространения сигнала, соответствующих реальным условиям канала связи CDMA.

4. Выполнен анализ алгоритмов многопользовательского детектирования для различных априорных ситуаций. Показано, что выигрыш в емкости соты, который может быть получен методами многопользовательского детектирования, составляет величину не менее 2 дБ для всех случаев распространения сигнала в пределах одной соты.

5. Проведено тестирование разработанных алгоритмов для следующих систем сотовой связи: прямого и обратного каналов CDMA по стандарту Is-95, а также для обратного канала системы CDMA-2000 и UMTS, включая полный тракт связи (в том числе процедуру кодирования/декодирования).

Использование алгоритмов многопользовательского детектирования обеспечивает в этом случае выигрыш в емкости системы в 2.5 раза.

6. Применение новых алгоритмов и получение выигрыша было достигнуто без необходимости изменения стандартов связи и протоколов обмена между мобильной и базовой станциями, а также не требует использования дополнительного оборудования, замены парка мобильных станций и т. д. Этот выигрыш обусловлен исключительно заменой используемых в настоящее время алгоритмов обработки сигнала на предлагаемые в настоящей диссертации.

7. Рассмотрены вопросы использования алгоритмов многопользовательского детектирования в распределенной системе сотовой связи, включающие в себя процесс перехода мобильной станции из соты в соту. Для этих условий определены величины потенциально достижимых характеристик алгоритмов МПД, а также численное значение выигрыша, который может быть получен при использовании алгоритмов МПД. Этот выигрыш составляет величину от 4.5 до 1.5 дБ и зависит от конфигурации рассматриваемой системы.

Вместе с тем в области многопользовательского детектирования остаются неисследованными следующие направления, которые могут служить основой для дальнейшего совершенствования алгоритмов многопользовательского детектирования.

1. Исследование новых методов оценки коэффициентов матрицы взаимных корреляций для сложных псевдослучайных последовательностей.

2. Разработка и применение в стандартах связи псевдослучайных последовательностей, обладающих лучшими характеристиками выбросов взаимнокорреляционной функции ПСП на отрезках.

3. Исследование возможности подавления помех из соседних сот (особенно это касается мощных пилот-сигналов от базовых станций соседних сот в прямом канале CDMA).

4. Большие перспективы просматриваются при использовании алгоритмов МПД применительно к задаче определения местоположения объекта мобильной станции в сотовых системах CDMA.

5. Тестирование алгоритмов МПД для прямого канала CDMA-2000 и UMTS.

6. Наиболее важной проблемой по-прежнему остается вопрос реализации алгоритмов МПД в аппаратуре, поскольку именно в данной области возможно появление наибольшего количества новых решений, изобретений и патентов.

Проведенное исследование показало, что предлагаемые в данной работе алгоритмы многопользовательского детектирования целесообразно использовать в новых системах радиосвязи второго и третьего поколения сотовых радиотелефонных систем, в том числе в разрабатываемом в настоящее время российском стандарте CDMA Is-95r.