Исследование и разработка алгоритмов многопользовательской демодуляции для систем сотовой подвижной связи

Состояние вопроса. Постановка проблемы и ее актуальность. В последнее время быстро развиваются цифровые системы связи, особенно системы сотовой подвижной связи. Перспективной технологией, позволяющей эффективно использовать ресурсы канала связи и рассчитывать на увеличение пропускной способности этих систем, является многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) [1−15]. Системы сотовой подвижной связи (ССПС) 3-го поколения (3G-4G) разработаны для обеспечения высоких скоростей передачи данных (десятки Мбит/с). Для эффективного использования частотно-временного ресурса канала связи была выбрана технология WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), использующая более широкую полосу частот, чем в ССПС 2-го поколения. Технология CDMA стандарта IS-95 (2G) использует узкую полосу частот и поддерживает передачу данных с максимальной скоростью 14.4 кбит/с. В этой системе, как правило, используется традиционный алгоритм демодуляции, который не учитывает структуру внутриканальных помех в системе CDMA.

Традиционный демодулятор (многоканальный коррелятор, Rake приемник) позволяет получить потенциальную помехоустойчивость только при использовании в системе ансамбля ортогональных сигналов. В силу того, что ортогональные сигналы обладают плохими автокорреляционными свойствами, в условиях случайных задержек сигналов пользователей в радиоканале используют квазиортогональные сигналы. Если используется ансамбль квазиортогональных сигналов, то в системе возникает шум неортогональности или внутриканальная помеха, мощность которой растет с увеличением числа пользователей, что приводит в итоге к снижению пропускной способности системы. Поэтому для достижения потенциальной пропускной способности систем CDMA требуются новые подходы к обработке сигналов, одним из которых является использование алгоритмов многопользовательской демодуляции (Multiuser Detection [16, с. 283]) вместо традиционного многоканального коррелятора, используемого в системах CDMA 2-го поколения [5−10].

Алгоритмы многопользовательской демодуляции (МПД), необходимые для поддержки высокоскоростной передачи данных в ССПС 3-го поколения, учитывают корреляцию между сигналами пользователей системы и компенсируют внутриканальные помехи путем совместной обработки сигналов в приемнике базовой станции (БС). В алгоритмах МПД обрабатываются данные, представленные в виде матриц большой размерности, в общем случае зависящей от базы сигналов, числа пользователей и числа лучей, а также от числа одновременно наблюдаемых информационных символов каждого пользователя. Также требуется умножение и обращение таких матриц в реальном времени, что значительно увеличивает вычислительную сложность алгоритмов М ПД, реализуемых в приемнике БС на цифровом сигнальном процессоре (ЦСП), выполняющим операции с плавающей или фиксированной точкой и имеющем сетку высокой разрядности.

Из-за недостаточного быстродействия ЦСП практическая реализация алгоритмов МПД до настоящего времени была невозможна для высоких скоростей передачи данных или для большого числа пользователей системы. Поэтому в системах CDMA обычно использовался традиционный алгоритм демодуляции, не обеспечивающий потенциальную пропускную способность. С появлением высокоскоростных ЦСП (миллиард ы операций с плавающей точкой в секунду) были предложены прототипы МПД для приемников БС, которые все еще достаточно сложные по сравнению с Rake приемником [1,17] и требуют более точных оценок параметров радиоканала, особенно в условиях многолучевости, что задерживает их внедрение в реальные системы.

Система 3-го поколения UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) для распределения частотно-временного ресурса радиоканала между пользователями использует принцип кодового разделения каналов с прямым расширением спектра (Direct Sequence CDMA, как в стандарте IS-95). Для передачи данных в условиях многолучевости используется широкая полоса частот порядка 5 МГц (один канал), выделенная для систем WCDMA [8−15]. Широкая полоса частот позволяет с высоким разрешением разделять принимаемый сигнал на компоненты, соответствующие отдельным лучам, а затем объединять их с помощью Rake приемника.

Приемник Rake оптимален в условиях радиоканала с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) и ортогональными сигналами [5]. В системе CDMA сигналы всех пользователей суммируются и одновременно передаются в одной полосе частот по радиоканалу. В условиях многолучевости из-за задержек во времени сигналы теряют ортогональность, что приводит к внутриканальным помехам. Сигналы пользователей в зоне соседних БС также создают помехи между сотами. Помехи обусловлены корреляцией между сигналами и имеют сложную структуру. В этих условиях приемник Rake не оптимален, поскольку он обрабатывает внутриканальные помехи как АБГШ [5]. Алгоритмы МПД, используемые в приемнике БС, позволяют компенсировать эти помехи (шум неортогональности) и повысить пропускную способность системы по сравнению с алгоритмом Rake [1,5,17].

Современные ЦСП позволяют реализовать сложные алгоритмы цифровой обработки сигналов [42]. Однако оптимальный многопользовательский демодулятор [5], основанный на использовании критерия максимального правдоподобия, практически нереализуем даже при современном уровне элементной базы из-за экспоненциального роста вычислительной сложности с увеличением числа пользователей.

Целью настоящей работы является разработка квазиоптимальных алгоритмов многопользовательской демодуляции для систем сотовой подвижной связи с кодовым разделением каналов, которые бы по эффективности как можно больше приближались к оптимальному алгоритму при минимальных вычислительных затратах и работающих в различных условиях.

В данной работе решается задача демодуляции сигналов пользователей в системе CDMA, принимаемыми БС в пределах одной соты. Сигналы пользователей в зоне соседних БС также создают помехи между сотами. Сигналы от соседних сот в данной работе рассматриваются как АБГШ. Исследуются и разрабатываются алгоритмы многопользовательской демодуляции, позволяющие при обработке сигналов учесть корреляцию между ними, компенсировать взаимные помехи и повысить пропускную способность системы CDMA. При разработке алгоритмов обработки сигналов учитываются следующие явления в радиоканале: тепловой шум (АБГШ) — шум неортогональности, обусловленный неортогональностыо сигналов пользователеймноголучевое распространение радиоволндоплеровское расширение спектра сигналов.

Метод решения. В диссертации показано, что для решения поставленной задачи могут быть использованы подходы к оцениванию и фильтрации параметров [18−32], а также итерационные методы [33−41]. Рассмотрим возникающие при разработке алгоритмов проблемы и предлагаемые в диссертации пути их решения.

Алгоритмы многопользовательской демодуляции можно разделить на две основные группы: линейные и нелинейные [5]. Линейные алгоритмы имеют низкую вычислительную сложность, но их эффективность далека от эффективности оптимального многопользовательского демодулятора. В связи с этим возникает интерес к нелинейным квазиоптимальным алгоритмам.

В работе предлагается нелинейный квазиоптимальный многопользовательский демодулятор цифровых сигналов, основанный на итерационном алгоритме Чебышева [33−41]. Этот демодулятор обеспечивает существенное увеличение пропускной способности системы CDMA по сравнению с известными линейными алгоритмами при невысокой вычислительной сложности. Эффективность итерационного метода Чебышева по сравнению с другими итерационными методами для решения задачи многопользовательской демодуляции доказана теоретически [35−37] и подтверждена путем статистического моделирования [38−40]. В данной диссертационной работе предложен подход, позволивший повысить эффективность алгоритма Чебышева при его использовании для решения задачи многопользовательской демодуляции.

Одним из основных факторов, ограничивающих пропускную способность систем радиосвязи, является многолучевое распространение радиоволн. В системах CDMA имеется возможность использования разнесенного приема по нескольким лучам. Для традиционного демодулятора проблема объединения лучей принципиально решена [1,5,17]. При использовании МПД возникают трудности при обработке лучей в силу наличия внутриканальных помех, обусловленных взаимной корреляцией лучей. Если каждый луч рассматривается как сигнал отдельного пользователя, то размерность системы увеличится пропорционально числу лучей и вычислительная сложность алгоритмов демодуляции существенно возрастет. В работе предложены алгоритмы, сложность которых линейно зависит от числа лучей.

Как известно, при когерентной демодуляции сигналов пользователей необходимо иметь сведения о значениях комплексных амплитуд. Эти значения неизвестны, поэтому их необходимо оценивать с заданной точностью. К тому же значения амплитуд непрерывно изменяются во времени в силу нестационарности канала связи (КС). Для эффективной работы МПД требуется более высокая точность оценивания комплексных амплитуд по сравнению с традиционным демодулятором [32]. Оценивание значени й амплитуд сигналов пользователей можно осуществлять независимо, например, с помощью обучающей последовательности. Однако с точки зрения теории статистического синтеза задача оценивания (фильтрации) амплитуд должна решаться совместно с задачей многопользовательской демодуляции. Таким образом, в процессе наблюдения сигналов пользователей необходимо осуществлять фильтрацию непрерывных параметров — комплексных амплитуд, и оценивание дискретных параметров — информационных символов.

Для алгоритмов демодуляции необходимы сведения о параметрах радиоканала (комплексных амплитудах и задержках сигналов). По результатам исследования методов оценивания параметров канала [26,27] синтезирован алгоритм фильтрации комплексных амплитуд сигналов пользователей. Предложен итерационный алгоритм совместной фильтрации комплексных амплитуд и многопользовательской демодуляции, исследованы вопросы практической реализации предложенных алгоритмов.

После этих замечаний перечислим основные вопросы, являющиеся предметом исследования в диссертации.

1. Анализ характеристик и вычислительной сложности известных алгоритмов многопользовательской демодуляции.

2. Разработка нелинейных квазиоптимальных алгоритмов многопользовательской демодуляции при известных параметрах канала связи для однолучевого канала.

3. Разработка алгоритмов многопользовательской демодуляции для условий многолучевого распространения радиоволн.

4. Исследование влияния точности оценивания комплексных амплитуд сигналов пользователей на работу алгоритмов многопользовательской демодуляции.

5. Разработка совместных алгоритмов многопользовательской демодуляции и оценивания комплексных амплитуд сигналов пользователей.

Методы научного исследования. Основные результаты работы получены на основе применения статистической радиотехники, теории цифровой связи, теории численных методов, теории вероятностей, математической статистики и статистического моделирования.

Для исследования в работе используется следующий математический аппарат: теория оценивания и теория фильтрации [18−32], теория численных методов [33−37], теория связи [43−57], теория сигналов [58−62], теория синхронизации [63,64], теория систем подвижной связи [65−67], линейная алгебра и теория матриц [68−71], теория вероятностей и математическая статистика [73−75], теория статистического синтеза [76−79], теория оптимизации и вычислительной сложности алгоритмов [80,84].

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Разработаны алгоритмы многопользовательской демодуляции при известных параметрах канала связи, которые имеют лучшие характеристики и меньшую вычислительную сложность по сравнению с известными алгоритмами.

2. Разработаны алгоритмы многопользовательской демодуляции для условий многолучевого распространения волн, более эффективные по сравнению с известными алгоритмами, и сложность которых линейно зависит от числа лучей.

3. Разработан алгоритм совместной многопользовательской демодуляции и оценивания комплексных амплитуд сигналов пользователей. Алгоритм обеспечивает требуемую для демодуляции точность оценивания амплитуд и устойчиво работает в условиях доплеровского расширения спектра сигналов.

Практическая ценность диссертации состоит в следующем.

1. Квазиоптимальные нелинейнейные алгоримы, разработанные для однолучевого канала, по эффективности приближаются к оптимальному алгоритму, позволяют повысить емкость системы CDMA в 1.5 — 2 раза по сравнению с известными алгоритмами и допускают реализацию на ЦСП. Для разработанных алгоритмов возможен обмен вычислительной сложности на эффективность, что позволяет полностью использовать ресурсы ЦСП.

2. Алгоритмы, разработанные для условий многолучевого распространения радиоволн, за счет совместной обработки лучей позволяют получить энергетический выигрыш по сравнению с известными алгоритмами при меньшей вычислительной сложности. Предлагаемый алгоритм, объединяющий алгоритм Rake и МПД, позволил повысить энергетическую эффективность декоррелятора на 0.5 -1 дБ по сравнению с известным алгоритмом в условиях многолучевости, при этом сложность обработки возросла пропорционально числу лучей.

3. Разработанный алгоритм совместной демодуляции и оценивания амплитуд позволяет оценивать амплитуды по информационному сигналу с требуемой для многопользовательской демодуляции точностью и имеет приемлемую вычислительную сложность для практической реализации. Предложенный алгоритм обеспечивает дисперсию ошибки оценивания амплитуд по информационным символам порядка Ю-3 при ОСШ около 10 дБ, при этом длина пилот-последовательности составляет 400 символов.

4. Методом статистического моделирования проведены исследования разработанных алгоритмов МПД при использовании моделей сигналов, определенных стандартами UMTS и IS-2000.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке алгоритмов многопользовательской демодуляции для систем подвижной связи с кодовым разделением каналов. Практическую ценность используемых результатов подтверждают соответствующие документы.

Апробация диссертации. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на Научных сессиях РНТОРЭС им. А. С. Попова, посвященных Дню Радио (57−61 сессии), и Научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (2002 — 2006 годы).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в научно-технических журналах и сборниках (7 работ) и в материалах конференций (14 работ). Всего опубликована 21 работа.

Основные результаты проведенных исследований и разработок заключаются в следующем:

1. Предложен ряд алгоритмов многопользовательской демодуляции для системы CDMA, разработанных при известных параметрах канала связи и предназначенных для работы в различных условиях.

• Алгоритм с сокращенным перебором при загрузке системы 50% и модуляции ФМ-2 по эффективности практически совпадает с оптимальным алгоритмом. При этом сложность разработанного алгоритма есть полином третьей степени от числа пользователей и пропорциональна сложности декоррелятора. Возможен обмен сложности на эффективность алгоритма.

• Линейный алгоритм, основанный на итерационном методе Чебышева, по эффективности практически совпадает с декоррелятором при потерях в емкости, не превышающих 12%.

• Нелинейный алгоритм, основанный на итерационном методе Чебышева, позволяет более, чем в 1.5 раза увеличить емкость системы CDMA по сравнению с линейным алгоритмом за счет использования на каждой итерации демодулятора многопозиционных сигналов, учитывающего априорные сведения о множестве значений информационных символов. Сложность разработанного алгоритма есть полином второй степени от числа пользователей.

2. Предложен ряд алгоритмов для системы CDMA, обеспечивающих совместную работу алгоритма Rake и алгоритмов многопользовательской демодуляции в условиях многолучевости. Сложность алгоритмов линейно зависит от числа лучей. Совместное использование Rake приемника и многопользовательских демодуляторов обеспечивает энергетический выигрыш порядка 0.5 — 1 дБ при ОСШ = 9. 15 дБ (число пользователей в системе К = 3, число лучей (2 = 3) для декоррелятора и алгоритма Чебышева и позволяет сократить вычислительную сложность алгоритмов в Q2 и Q раз, соответственно, по сравнению с раздельным использованием Rake приемника и многопользовательских демодуляторов для обработки лучей пользователей.

3. Предложен алгоритм многопользовательской демодуляции и совместного оценивания комплексных амплитуд сигналов пользователей системы CDMA.

• В результате моделирования показано существенное влияние дисперсии ошибки оценивания амплитуд на работу алгоритмов многопользовательской демодуляции. Для декоррелятора при увеличении дисперсии ошибки оценивания амплитуд с 10~2 до Ю-1 при ОСШ около 10 дБ емкость системы CDMA уменьшается в 3 раза. Для традиционного демодулятора в тех же условиях емкость уменьшается в 2 раза. При этом декоррелятор обеспечивает в 3 раза больше пользователей в системе, чем традиционный демодулятор (при базе сигналов N = 32).

• Предложен алгоритм оценивания комплексных амплитуд сигналов пользователей, основанный на модели Джейкса, обеспечивающий необходимую для алгоритмов многопользовательской демодуляции дисперсию ошибки оценивания амплитуд порядка 10~3 в следующих условиях: длина пилот-последовательности равна 400 пилот-символамчисло пользователей К = 4- база сигналов N = 4- ОСШ на бит составляет около 10 дБчастота Доплера fd = 300 Гцпериод дискретизации Ts = 10″ 4 св качестве кодовых последовательностей использовались отрезки М-последовательности длины 2П -1 символов.

• Предложен алгоритм совместного использования алгоритма оценивания комплексных амплитуд и алгоритмов многопользовательской демодуляции сигналов пользователей, имеющий полиномиальную вычислительную сложность. Благодаря итерационной структуре и совместному использованию блоков оценивания и демодуляции на каждой итерации разработанный алгоритм позволяет учесть корреляцию между сигналами пользователей не только при демодуляции, но и при оценивании амплитуд. Разработанный алгоритм обеспечивает дисперсию ошибки оценивания амплитуд по информационным символам порядка 10~3 в условиях, указанных в предыдущем пункте.

В системах подвижной радиосвязи стандартов IS-2000 и UMTS рекомендуется использовать нелинейный итерационный демодулятор, основанный на алгоритме Чебышева.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.