Исследование многопользовательских систем связи с ортогональным разделением сигналов на основе функций Уолша

Актуальность темы

Обилие разнообразных радиопередающих средств привело к тому, что существующие частотные диапазоны загружены практически полностью и расширение их невозможно по техническим или правовым причинам. Тем не менее беспроводные технологии находят все большее распространение в сфере вычислительных сетей и коммуникаций. Это обусловлено как повышением требований различных потребителей к удобству использования имеющегося у них оборудования, так и новыми разработками в данной области. Последние ведутся в целом ряде направлений: улучшаются антенные системы, способы модуляции, радиотехнические компоненты, механизмы управления доступом к среде, безопасность.

Кроме того, при широком использовании беспроводных технологий передачи информации очень остро встаёт вопрос загруженности частотных диапазонов, выделенных для тех или иных протоколов передачи данных. Обилие разнообразных средств связи привело к тому, что существующие частотные диапазоны загружены практически полностью и расширение их невозможно по техническим или правовым причинам. Однако количество информации и скорость, с которой информация должна передаваться на расстояние растет постоянно. Кроме того, при использовании средств радиосвязи в условиях плотной городской застройки на вход приемного устройства кроме прямого сигнала от передатчика, поступают сигналы, отраженные от различных препятствий, время прохождения которых от передатчика к приемнику изменяется по случайному закону. Поэтому представляет интерес повышения пропускной способности линии связи, без существенного расширения занимаемой полосы частот. Одним из способов решения этой задачи является использование цифровых многоканальных систем связи с кодовым разделением сигналов.

Первые аналоговые сети сотовой связи были введены в эксплуатацию в начале восьмидесятых годов двадцатого века. Сети первого поколения сотовой связи в полной мере выполнили свою «первопроходческую» роль. На их основе были отработаны принципы построения сотовых сетей, выявлены проблемы, организованы операторские компании, разработаны принципы и нормативно-правовая база взаимоотношений операторов, обучены специалисты, и, главное, миллионы людей стали абонентами сотовых сетей и уже не представляют себе жизнь без мобильной связи.

В 90-х годах были разработаны и получили широкое применение сотовые системы второго поколения, основанные на цифровых методах формирования и обработки сигналов при частотном и временном принципах разделения каналов абонентов сети.

В настоящее время на базе цифровых систем разрабатываются и уже находят широкое применение сотовые системы связи третьего поколения, использующие широкополосные сигналы с кодовым разделением каналов. Кодовое разделение основано на том, что каждому абоненту выделяется свой абонентский алфавит сигналов (или кодовых последовательностей), с помощью которого он передает информацию. Разделение возможно потому, что сигналы различных абонентов существенно отличаются по форме. При таком способе разделения передаваемая информация снабжается адресом, роль которого выполняют выделенные сигналы. Наличие адресов позволяет реализовать асинхронный режим совместной работы многих абонентов.

В настоящее время на базе цифровых систем разрабатываются и уже находят широкое применение сотовые системы связи третьего поколения, использующие широкополосные сигналы с кодовым разделением каналов. Началом исследований по кодовому уплотнению и разделению сигналов можно считать работу Д. В. Агеева, опубликованную в 1935 году [19]. При кодовом разделении имеют место взаимные помехи, которые являются следствием одновременной работы абонентов в общей полосе частот. Однако при кодовом разделением каналов можно так выбрать параметры сигналов, что уровень взаимных помех будет сколь угодно малым, т. е. обеспечить заданную помехоустойчивость.

Однако во всех рассмотренных в диссертации источниках описания систем связи с кодовым разделением каналов и использованием функций Уолша приводятся для когерентного приема, при наличии устойчивой синхронизации. Особенности и характеристики асинхронных многопользовательских систем передачи информации с ортогональным кодированием функциями Уолша, а также влияние на характеристики таких систем каналов связи с множественными переотражениями радиосигнала, характерными для распространения радиоволн в условиях плотной городской застройки, в этих источниках не рассматриваются. Данная диссертационная работа призвана восполнить этот пробел.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности многопользовательских систем связи с ортогональным разделением сигналов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование и оценка основных характеристик многопользовательских систем связи.

2. Обоснование применения функций Уолша в многопользовательских системах связи с ортогональным разделением каналов.

3. Способы построения согласованных фильтров на базе функций Уолша и особенности их характеристик.

4. При построении систем связи с ортогональным разделением каналов необходим учет взаимнокорреляционных свойств используемой системы ортогональных функций.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Выполнен анализ взаимокорреляционных свойств системы функций Уолша, позволяющий наилучшим образом выбрать количество и номера используемых функций Уолша.

2. Разработаны новые алгоритмы построения согласованных фильтров для многопользовательских систем связи на базе функций Уолша.

3. Произведен анализ влияния нестабильностей параметров в системе связи на ее характеристики.

4. Построена новая модель многопользовательской системы с ортогональным разделением на базе функций Уолша в среде Lab VIEW.

5. На основе модели в среде Lab VIEW проведена комплексная оценка характеристик многопользовательской системы связи на базе функций Уолша.

Практическая ценность работы.

1. Повышение помехоустойчивости работы систем связи с ортогональным разделением сигналов за счет рационального выбора номеров кодирующих функций.

2. Улучшение эксплуатационных характеристик при правильном определении допусков на параметры системы.

3. Разработанная модель многопользовательской системы связи может быть использована для оптимизации режимов работы систем связи и выбора оптимальных параметров.

Реализация результатов работы.

Модели, разработанные в среде ЬаЬУ1Е?, используются в учебном процессе кафедры ТОР ТТИ ЮФУ для студентов радиотехнических специальностей, изучающих курсы, связанные со статистическими методами («Прикладные математические методы в статистической радиотехнике», «Сигналы, помехи и методы обработки сигналов»), также в разработках ООО «СПЕЦСТРОЙСВЯЗЬ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Для построения многопользовательской системы связи с ортогональным разделением целесообразно использовать функции Уолша относительно более высокого порядка, причем необходимо подобрать такие функции, которые бы попарно имели взаимную корреляцию, не превышающую допустимого уровня. При этом число малокоррелируемых функций растёт быстрее, чем общее число функций. В результате проведенных исследований показано, что для системы из 8 функций Уолша удовлетворительно разделяются 50% пар функций, для системы из 32 функций Уолша процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет 82%, а длясистемы, из 64 функций процент удовлетворительно разделяемых пар функций составляет уже более 90% пар функций.

2. Проведенные исследования показали, что согласованные фильтры весьма чувствительны к временным рассогласованиям принимаемого сигнала, что особенно существенно для асинхронных систем передачи информации. Анализ рассогласования параметров сигналов и согласованных с ними фильтров показал, что при изменении длительности входного сигнала, даже в небольших пределах (± 20%), выходной сигнал изменяется для 4-й функции Уолша на 6 дБ, и для 6-й функции Уолша на 10 дБ. Так же при этом происходит изменение длительности максимального пика выходного сигнала согласованного фильтра.

3. Проведенный анализ спектральных свойств. функций Уолша показал, что для передачи, функций Уолша по каналам связи с ограниченной полосой частот достаточно подобрать такие номера функций, основные составляющие спектра которых не выходят за пределы заданной полосы частот. Определены полосы частот, в которых находятся 90% мощности сигнала для первых 1024 функций Уолша.

4. Разработанная в среде Lab VIEW модель позволяет производить различные исследования системы передачи информации с использованием ортогональных функций. В модели предусмотрены выбор номера и количества функций Уолша, применяемых для кодирования на передаче, выбор уровня и типа шумовых помех в канале связи, внесение временной расстройки параметров согласованных фильтров, моделирование канала с многочисленными переотражениями сигнала в канале связи. Кроме того, открытая структура модели позволяет строить на её основе другие устройства и проводить исследования другого рода.

5. Проведенные на модели исследования помехоустойчивости многопользовательских систем передачи информации с ортогональным разделением сигналов на основе функций Уолша показали ее работоспособность, поскольку полученные при моделировании результаты соответствуют теоретическим и сведениям, приведенным в литературе.