Разработка и исследование цифровых алгоритмов подавления помех в мобильных системах связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Сединин, Алексей Валерьевич

• Сединин, Алексей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сединин, Алексей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СТАТИСТИКА ЗАТЕНЕНИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ # РАДИОВОЛН МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

В УСЛОВИЯХ ГОРОДА

Общие замечания

1.1 Методика и структурная схема исследования

1.2 Зависимость средней интенсивности принимаемого сигнала от дальности и частоты

1.3 Экспериментальные закономерности и расчетные методы

2 МОДЕЛИ КАНАЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Общие замечания

2.1 Математические модели каналов с многолучевостью

2.2 Детерминированная модель радиоканала

2.3 Статистическая модель радиоканала

2.4 Типы моделей распространения

2.5 Шестилучевая модель радиоканала

Выводы по второй главе

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ ЦИФРОВОГО ОБЕЛИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА ДЛЯ БОРЬБЫ С МНОГОЛУЧЕВОСТЬЮ

Общие замечания

3.1 Обзор методов борьбы с многолучевостью и техники приема разнесенных сигналов

3.2 Математическая модель многолучевого сигнала

3.3 Синтез алгоритма цифрового обеливающего фильтра для пространственного разнесенного приема

Выводы по третьей главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ПОДАВЛЕНИЯ ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ Общие замечания

4.1 Оценка вероятности ошибки в системах связи с разнесенным приемом

4.2 Моделирование многолучевого канала сотовой связи

4.3 Анализ эффективности подавления многолучевых помех с помощью пространственно разнесенного эквалайзера

Выводы по четвертой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование цифровых алгоритмов подавления помех в мобильных системах связи»

Актуальность работы: Обеспечение высоких качественных показателей современных систем мобильной связи, связано с увеличением пропускной способности используемых каналов радиосвязи.

Одним из факторов, сдерживающие увеличение реальной скорости передачи потока цифровых сообщений является наличие межсимвольных искажений в принимаемом сигнале. Причем возникновение этих искажений достаточно велико, однако при использовании в системе связи, радиоканала наиболее существенным фактором является наличие в канале связи многолучевого распространения радиоволн. Существующие мобильные системы связи уже используют различные методы борьбы с межсимвольными искажениями. Однако, достигаемые в этих системах скорости передачи дискретных сообщений уже недостаточны для нужд потребителей. В настоящие время речь идет об увеличении в мобильных системах связи скорости передачи в десятки раз. Такую задачу можно решить, используя оптимальные методы приема сигналов с использованием методов разнесенного приема и адаптивной, обеливающей фильтрации многолучевых помех.

Первыми работами по этому направлению можно считать теорию потенциальной помехоустойчивости В.А.Котельникова и теорию оптимального кодирования, основы которой заложены К.Шенноном. Результаты, полученные этими исследователями, а так же отраженные в работах А.Н.Колмогорова, Н.Винера, С.О.Райса, Д.Миддлтона и других, по праву считающиеся классическими, в основном получены с использованием гаус-совских моделей сигналов и помех.

Однако наличие в канале радиосвязи многолучевого распространения радиоволн приводит к тому, что принимаемый приемником сигнал отличается от гауссовской модели. В этих условиях эффективным подходом при разработке алгоритмов обработки сигналов является применение теории обеливающей фильтрации, а также адаптация известных алгоритмов приема к реальным изменениям параметров канала связи и помеховой обстановки в нем.

Наиболее важные результаты в этом направлении отражены в работах зарубежных и отечественных ученых: Д.Миддлтона, Р.Кеннеди, Ван Трис Т., Б.Р.Левина, И.С.Андропова, Л.М.Финка, Д.Д.Кловского, А.И.Фалько,

А.А.Сикарева, Ю.С. Шинакова и многих других. Большинство представленных в них методов обработки сигналов обеспечивают довольно эффективную защиту от различных типов помех, присутствующих в реальных каналах связи. Однако они становятся мало эффективными в случае присутствия в канале связи структурно-подобных (многолучевых) помех, возникающих за счет многолучевого распространения радиоволн. В этом случае, для эффективной борьбы с многолучевыми помехами целесообразно применять цифровую обе-ливающую фильтрацию, с адаптацией под реальные параметры помеховой обстановки в совокупности с методами теории разнесенного приема.

Бурное развитие в последнее десятилетие микропроцессорной техники и методов цифровой обработки сигналов, создают необходимые предпосылки для технического решения этой проблемы. Благодаря этому становится возможным проводить адаптивную обработку как в спектральной так и во временной области.

Решение поставленной задачи составляет основную часть представленной работы, которая лежит в русле многолетних исследований в области раз-• работки адаптивных систем связи в каналах с межсимвольными искажениями, замираниями и сложной помеховой обстановкой, выполняемых в СибГУТИ.

Цель работы. Разработка и исследование новых, более эффективных методов приема и обработки сигналов в каналах мобильной связи с многолучевым распространением радиоволн.

Задачи исследования:

1 Экспериментальное исследование статистики затенений распространения радиоволн в мобильных системах радиосвязи; Ш

2 Анализ моделей каналов распространения радиоволн в мобильных системах связи;

3 Сравнительный анализ методов борьбы с многолучевостью и техники приема разнесенных сигналов;

4 Разработка математической модели многолучевого сигнала;

5 Разработка эффективного алгоритма подавления многолучевых помех на основе многоканального обеливающего фильтра;

6 Анализ эффективности разнесенного приема многолучевых сигналов с использованием многопозиционных сигналов;

7 Анализ эффективности подавления многолучевых помех с помощью многоканального, пространственно разнесенного обеливающего фильтра (эквалайзера).

Методы исследования. Основная часть работы выполнена с применением методов статистической теории связи, теории функций и функционального анализа, теории вероятностей, математической статистики, имитационного и математического моделирования. Все расчеты получены с использованием численных методов, реализованных в средах математического программирования Mathevatica, MatLAb и MathCad.

Научная новизна:

1 Разработана методика расчета напряженности поля принимаемого сигнала в условиях городской застройки, на основе поправочных коэффициентов;

2 Получены поправочные коэффициенты, учитывающие влияние высот подвеса антенн базовых и мобильных станций, рабочих частот и условий затенений распространению радиоволн в условиях городской застройки;

3 Для моделей, входящих в предлагаемую классификацию моделей многолучевых каналов мобильной радиосвязи, определены реальные размеры зоны формирования отраженных лучей и получены одномерные функции распределения модуля и фазы передаточной функции радиоканала;

4 Получен адаптивный алгоритм работы цифрового эквалайзера для пространственно разнесенного приема, позволяющий эффективно подавлять многолучевые помехи;

5 Систематически исследован новый метод подавления многолучевых помех с использованием многоканального цифрового эквалайзера и разработана реализация этого метода средствами цифровой обработки в частотной и временной области;

6 Проведен обширный сравнительный анализ эффективности известного и разработанного методов подавления многолучевых помех, при котором использованы как практические оценки, так и компьютерное моделирование.

Практическая ценность и реализация результатов работы. В работе изложен новый метод подавления многолучевых помех, основанный на сочетании пространственно разнесенного приема и цифровой обеливающей фильтрации, способной существенно повысить скорость передачи дискретных сообщений в мобильных системах связи.

Разработанный метод реализован в виде алгоритма цифровой обработки сигналов в частотной и временной области. Его преимущества доказаны результатами практического анализа и статистического моделирования.

Разработанный в диссертации метод подавления многолучевых помех, алгоритмическое и программное обеспечение, его реализующее, а также результаты статистического моделирования многолучевого канала связи и цифрового эквалайзера нашли применение в КБ ЗАО "ЭЛЕКТРОСИГНАЛ" при разработке современных транкинговых систем связи.

Результаты диссертационной работы также приняты для практического использования на внедренческих предприятиях: НПО "БУЛАТ", КБ "МАРС".

Результаты исследования внедрены в учебный процесс Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и Информатики.

Практическое использование результатов работы подтверждено соответствующими актами, приложенных к данной диссертационной работе.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть полезными широкому кругу разработчиков научно-исследовательских и проектных учреждений, занимающихся повышением эффективности существующих и проектированием новых мобильных систем связи.

1 Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсу ждались на:

2 Международных научно-технических конференциях "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 2000-2004 г.);

3 Международных научно-технических конференциях "Проблемы электронного машиностроения" АПЭП (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.);

4 Международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, RLNC,-2003 г., 2004 г.);

5 Международных школах-семинарах по электронным приборам и материалам. (EDEM 2003, 2004. Altay Region, Russia);

6 Международных семинарах СибДальСвязь (Новосибирск-Владивосток, 2002-2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работ. Публикации включают 9 полных докладов на конференциях, 8 тезисов докладов, 5 статей в сборниках трудов, 3 депонированных статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основ-• ная часть работы содержит 142 страниц текста с 54 иллюстрациями. Список

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Сединин, Алексей Валерьевич

Результаты исследования внедрены в учебный процесс Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и Информатики.

Практическое использование результатов работы подтверждено соответствующими актами, приложенными к данной диссертационной работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сединин, Алексей Валерьевич, 2004 год

1. Пер. с англ. Под ред. М.С. Ярлыкова и М.В. Чернякова. М.: Связь, 1979. 520 с.

2. Трифонов П.М. Расчет переизлученного и рассеянного электромагнитного поля СВЧ в городе // XI Всесоюз.конф. по распространению радиоволн. 4.3. Казань: Казанск.ун-т, 1975. С. 87-90.

3. Black D.M., Reudink D.O. Some characteristics of mobile radio propagation at 836 MHh in the Philadelfia area // IEEE Trans. Veh. Technol. 1972. Vol 21. N2. P. 45-51.

4. Введенский Б.А. Распространение ультракоротких радиоволн. М.: Наука, 1973.408с.

5. Longley A.G. Radio propagation in urban areas // 28-th IEEE Veh. Techol. Conf. (Denver, 1978), N.Y.? 1978. P. 503-511.

6. Чепура В.Ф. Исследование распространения ультракоротких радиоволн в городе // Изв.вузов СССР. Сер.Радиотехника. 1958. N 2. С. 209-213.

7. Trubin V.N. Urban and suburban radio propagation characteristics in the VHF and UNF bands // 7-th INT. Wroclaw Symp. Electromagn. Compat. 1984. Vol l.P. 393-402.

8. Reudink D.O. Comparison of radio transmission at X-band frequencies in suburban and urban areas // IEEE Trans. Prop. 1972. AP-20. P. 470-473.

9. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service / J. Okumura, E. Ohmori, T. Kawana et al. // Rev. Elec. Com. Lab. 1968. Vol 16. N 9-10. P. 825-873.

10. Калинин А.И., Черенкова E.JI. Распространение радиоволн и работа радиолиний.- М.: Связь, 1971.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

12. Кловский Д.Д., Сойфер В.А. Обработка пространственно-временных сигналов (в каналах передачи информации). М.: Связь, 1976.

13. Джейк У.К. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ: Пер. с англ./Под ред. М.С. Ярлыкова.- М.: Связь, 1979.

14. Системы подвижной радиосвязи / Под ред. И.М. Пышкина.- М.: Радио и связь, 1986.

15. Ли К. Техника подвижных систем связи. М.: Радио и связь, 1985.

16. Мясковский Г.М., Кириченко В.Н. Статистические характеристики радиопомех в зоне действия сухопутной подвижной радиосвязи // Электросвязь -1980 №6.

17. Харкевич А.Д. Расчет числа соединительных линий на сетях с обходными направлениями. -М.: ВЗЭИС, 1976.

18. Бочаров М.К., Николаев С.А. Математико статические методы в картографии.- М.: Геодеиздат, 1956.

19. Бочаров М.К. Методы математической статистики в географии. М.: Мысль, 1971.

20. Бусулаев И.В. Математико-статистические методы обработки картографических материалов // Пробл. Гидроэнергетики и вод. Хоз-ва -1966. №4.

21. Шарапов И.П. Функция распределения высот рельефа // Рельеф земли и математика.- М.: Мысль, 1967.

22. Состояние и основные направления работ по развитию средств низовой радиосвязи широкого применения за рубежом: Обзор // Иностр. Техника и экономика средств связи. 1982.- № 14.

23. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания/Пер. с англ. И.И. Грушко -М.: Машиностроение, 1979.

24. ETSI. European Digital Cellular Telecommunication System (Phase 2). European Telecommunication Standards Institute, 1994. m 28 Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и Связь, 2000. 800 с.

25. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. М.: Мир, 1983.

26. Okumura J. et al. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service // Rev. Inst. Elec. Eng. -1968.- V.16.-№ 9-10.-p.825-873.

27. Цифровая обработка сигналов: Справочник / Л.М.Гольденберг, Б.Д.Матюшкин, М.Н.Поляк.- М.: Радио и Связь, 1985. 312 с.

28. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: * Мир, 1989.-448 с.

29. Панченко В.Е., Ерохин Г.А., Гайнутдинов Т.А., Кочержевский В.Г., Шорин О.А. Сочетание статистических и детерминистских методов расчета радиополя в городских условиях // Электросвязь. -1998.- № 4.-с.31-33.

30. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: "Советское радио", 19977,432 с.

31. Микушин А.В., Сединин А.В. Адаптивный алгоритм подавления различных типов помех на основе цифрового обеливающего фильтра. 3-я МНТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СНГ. Техника и технология связи. Украина, Одесса, 2000 г.

32. Сединин А.В., Бакалов В.П., «Анализ эффективности применения цифровых обеливающих фильтров, для подавления помех в мобильных системах радиосвязи». Региональная НК «Наука, техника, инновации». (НТИ 2001), НГТУ, 10-12 декабря 2001.

33. Микушин А.В., Попов Г.Н., Сединин А.В., «Применение обеливающих ^ фильтров для измерения и подавления помех в системах мобильнойсвязи». 6-ая МНТК, АПЕП-2002.

34. Кириллов С.Н., Зорин С.В. Синтез оптимальных порождающих фильтров для вейвлетных разложений, Доклады 4-ой МНТК "DSPA-2002", Санкт-Петербург, 2002 г.

35. Адаптивные фильтры. /Под ред. К.Ф.Н.Коуэна и П.М.Гранта. М.: Мир, 1988, 392 с.

36. Чайковский В.И. Базовый алгоритм дискретной максимально правдоподобной пространственно-временной обработки. -"Радиотехника", 1982, №3.

37. Попковский В.Е., Коновалов A.M. Анализ и синтез адаптивного алгоритма пространственно временной обработки сигналов. - "Радиотехника", 1982, №7.

38. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М., -"Мир", 1989.

39. Кайлат Т. Метод порождающего процесса в применении к теории обнаружения и оценки. ТИИЭР, 1070, т.58, №5, 82-89с.

40. Уидроу Б. Компенсация помех. Принципы построения и применения. //ТИИЭР. -1975. №12. 69-97с.

41. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов: пер.с анг./Под ред. Шаца С.Я. -М.: Связь. 1979. -416с.

42. Егоров Е.И., Калашников A.M., Михайлов А.С. Использование радиочастотного спектра и радиопомех. М.: Радио и Связь, 1986.

43. Цикин И.А. Дискретно-аналоговая обработка сигналов. -М.: Радио и Связь, 1982,-160с.

44. ARINC Characteristic 716-10. Airborne VHF Communications Transceiver.

45. ARINC Characteristic 750-2. VHF Data Radio.50 1С AO Международные стандарты и рекомендуемая практика (SARPS). Приложение 10 "Авиационная электросвязь".

46. МТР 1327 A Signalling for Trunked Private Land Mobile Radio Systems. January 1988. Revised and reprinted October 1991.

47. В.И.Сединин, А.И.Фалько Защита от помех в системах мобильной радиосвязи, -изд. Наука, СП РАН, 1998 172 с. щ 53 С.М.Кей, С.Л.Марпл Современные методы спектрального анализа: Обзор.-ТИИЭР, 1981, т.69, №11 5-51с.

48. А.Е.Костюкович, А.С.Чухров, А.В.Микушин Авторегрессионная модель узкополосных помех. XXIX Областная научно-техническая конференция, посвященная 275-летию со дня рождения М.В.Ломоносова, 40-летию Организации. Тезисы докладов 1986 г. С.57.

49. В.И.Борисов, В.М.Зинчук, и др. Под ред. В.И.Борисова Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектрасигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью./

50. Под ред. В.И.Борисова. М.: Радио и связь, 2003. -640 е.; ил.314к

51. Список публикаций Сединина А.В.

52. Сединин А.В .Цифровой алгоритм поиска источника радиосигналов с априорно неизвестным местоположением. Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1999г.

53. Микушин А.В., Сединин А.В. Синтез цифрового адаптивного алгоритма приема сигналов с подавлением комплекса различных типов помех. Деп. В ВИНИТИ 02.11.2000 N2789-B 2000.

54. Сединин А.В. Подавление импульсных помех в системах мобильной радиосвязи. Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток,2000.

55. Сединин А.В., Бакалов В.П., «Анализ эффективности применения цифровых обеливающих фильтров, для подавления помех в мобильных системах радиосвязи». Региональная НК «Наука, техника, инновации». (НТИ 2001), НГТУ, 10-12 декабря 2001.

56. Микушин А.В., Сединин А.В. Подавление помех в сотовых системах связи на основе цифровых алгоритмов обеливания. Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток, 2001.

57. Микушин А.В., Сединин А.В. Применение адаптивных обеливающих фильтров для подавления помех в мобильных системах радиосвязи. Деп. В ВИНИТИ 29.06.2001 N 1558-В 2001.

58. Сединин А.В., Ленчуков А.В. "Статистика затенений распространения радиоволн сотовых систем связи в условиях города". Региональная НК «Наука, техника, инновации». (НТИ 2002), НГТУ, 2002.

59. Сединин А.В. Статистика затенений распространения радиоволн сотовых систем связи в условиях города. Деп. В ВИНИТИ 04.06.2003 N 1084-В 2003.

60. Сединин А.В., "Учет зон затенений при распространении радиоволн сотовых систем связи в условиях города". Сб. трудов международного семинара Сибдальсвязь. Новосибирск-Владивосток,2003.

61. Сединин А.В., Микушин А.В. Анализ влияния шумов квантования ** цифрового приемника на качество приема полезного сигнала.

62. Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2004г.

63. Микушин А.В., Сединин А.В. Применение обеливающих фильтров для измерения и подавления помех в системах мобильной связи.Х Международная научно-техническая конференция "РАДИОЛОКАЦИЯ, НАВИГАЦИЯ, СВЯЗЬ" (RLNC -2004), НПФ "Саквое" Воронеж. Апрель 2004.

64. Alexander V. Mikushin, Alexei V. Sedinin On using whitening filters for measurements and noise suppression in mobile communications systems. EDEM 2004 Conference, Altai Region, Rossia.

65. Гл.инженер ООО КТЦ "Сигнал" к.т.н Фоыкп А.А.1. Of 2004г.1. АКТвнедрения результатов диссертационной работы А.В.Сединина на тему " Разработка и исследование цифровых алгоритмов подавления многолучевых помех в мобильных системах связи "

66. КТЦ «Сигнал», использованы следующие материалы диссертационной работы А.В. Сединина:

67. Анализ распространения радиоволн в условиях городской застройки.

68. Внедрения в учебный процесс СибГУТИ результатов диссертационнойработы А.В.Сединина на тему " Разработка и исследование цифровых алгоритмов подавления многолучевых помех в мобильных системах связи "

69. По данной дисциплине на основе материала четвертой главы диссертации поставлены две лабораторных работы по компьютерному моделированию систем сотовой связи второго и третьего поколения.

70. Декан факультета ИВТ, Профессор1. Трофимов В.К./