Повышение эффективности спутниковых радиосистем при использовании синхронного кодового разделения шумоподобных сложных сигналов

Одно из основных направлений развития современных наземных и спутниковых мобильных персональных систем связи (ПСС) базируется на разработке и внедрении методов многостанционного доступа с использованием кодового разделения шумоподобных сложных сигналов (СлС) абонентов [1,6,7,16,18−20,128,137,140 154,205,246,260,264−269,317−319,321−324]. Их применение позволяет обеспечить высокоэффективное использование спектра частот, высокую помехоустойчивость устройств обработки сигналов, скрытность и конфиденциальность передачи информации при воздействии всей совокупности структурных широкополосных и узкополосных помех при наличии замираний в радиоканалах, обусловленных как условиями распространения сигналов, так и многолучевостью каналов связи [1,3,4,8,16,8587,144,161,180].

Основные задачи этого направления включают синтез или выбор типов применяемых СлС и сигнально-кодовых конструкций на их основе в зависимости от условий функционирования ПСС, а также разработку оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов и устройств их поиска по времени и частоте, синтез алгоритмов и устройств слежения за временным смещением, частотой и фазой СлС, а также эффективных квазикогерентных алгоритмов обработки информационных СлС на фоне всей совокупности возможных помех.

Известные способы решения указанных задач предложены в работах И.Н. Ами-антова, Л. В. Варакина, А. Г. Зюко, В. П. Ипатова, В. В. Калмыкова, В. И. Коржика, К. А. Мешковского, В. Б. Пестрякова, М. Б. Свердлика, А. А. Сикарева, Н. И. Смирнова, Г. И. Тузова, И. М. Теплякова, М. С. Ярлыкова и др., а также зарубежных авторов Р. Баркера, А. Витерби, Г. Велти, С. Голомба, Р. Диксона, Д. Сарвате, Д. Спилкера, Г. Турина, Р. Уорда, Х. Хармута и др. [1−5,8−10,14−16,59−66,70,99,113,144,115,119, 127,129,145,173,175,180,199,202,204,242,244,248,250,252,272,304,317].

Таким образом, к настоящему времени решены задачи статистического синтеза алгоритмов и многокритериального выбора соответствующих им структурных схем устройств обработки СлС, обладающих высокой помехоустойчивостью при воздействии комплекса шумовых, структурных, сосредоточенных, узкополосных, импульсных, взаимных, имитационных, ретрансляционных и др. помех. Они ориентированы на обеспечение минимума полной вероятности ошибок при обработке информационных СлС, которой характеризуется качество приема дискретных сообщений, и в большинстве случаев обладают одновременно высокой функциональной устойчивостью.

Важнейшее направление повышения эффективности ПСС с многостанционным доступом на основе кодового разделения (МДКР) основывается на повышении точности синхронизации применяемых СлС по времени и частоте в сочетании с кодовой адресацией миллионов абонентовпри этом объемы ансамблей СлС составляют миллионы, а их базы — десятки и сотни тысяч. Это позволяет повысить пропускную способность многолучевых радиоканалов на основе измерения с высокой точностью параметров СлС в условиях многостанционного доступа с кодовым разделением при работе в общей полосе частот одновременно десятков или сотен абонентов из общего их числа, составляющего несколько сотен тысяч или миллионов [1,4,7,16,19,20].

В современных спутниковых ПСС значения базы синхросигналов составляют сотни тысяч [7,16,138−140,225,226], что позволяет существенно улучшить показатели их качества, т. е длительность времени вхождения в связь с вызываемым абонентом и допустимое число одновременно действующих абонентов при требующемся высоком качестве и конфиденциальности связи. Это объясняется тем обстоятельством, что такие синхросигналы задают собственные шкалы времени как станций сопряжения, так и абонентских станций, т. е. определяют границы кадров и тактов, за которыми может производиться непрерывное слежение в приемниках, в том числе и при снижении мощности синхросигналов в паузах речи более чем на порядок. В результате, обеспечивается высокая точность синхронизации станций сопряжения и абонентских станций как по времени, так и по частоте, поскольку оказывается возможным высокоточное измерение в приемниках временного и частотного смещений принимаемых синхросигналов сотен одновременно действующих абонентов относительно друг друга и относительно местных шкал в условиях многолучевого распространения сигналов на фоне как внешних, так и внутрисистемных помех, т. е. от сотен абонентов, функционирующих одновременно в общей полосе частот.

В этом случае для обнаружения адресных СлС по методу максимального правдоподобия при аппроксимации взаимных помех флуктуационным шумом требуется лишь вычисление суперпозиций корреляционных функций этих СлС, каждая из которых вычисляется при известном смещении по времени и частоте опорного и принимаемого СлС, т. е. лишь в одной точке. Однако количество значений корреляционных функций, которые необходимо вычислить, соответствует общему числу абонентов в ПСС, т. е. может достигать нескольких миллионов. С учетом этого обстоятельства, а также характеристик типичных внешних и взаимных помех в ПСС, установлено, что для обеспечения требующихся высоких вероятностных характеристик обнаружения адресных СлС их базы, как и базы синхросигналов, могут составлять десятки тысяч.

В дальнейшем двухэтапная процедура обнаружения-различения СлС, когда на первом этапе измеряются относительные смещения по времени и частоте одинаковых по структуре синхросигналов абонентов, а на втором этапе обнаруживаются адресные СлС с известными задержками по времени и частоте, называется синхронным МДКР. Его реализация на практике требует применения СлС с большими базами, составляющими десятки и сотни тысяч, а также разработки сигнально-кодовых конструкций, обеспечивающих совмещение в общей полосе частот синхросигналов, адресных СлС и информационных СлС сотен одновременно действующих абонентов из общего их числа, составляющего сотни тысяч и миллионы. При этом требующееся быстродействие аппаратуры обработки таких СлС превышает сотни миллиардов операций в секунду в случае использования традиционных алгоритмических методов, т. е. реализуемых с использованием согласованных фильтров и корреляторов.

Это обстоятельство требует введения ограничений как на величину базы обрабатываемых СлС, так и на объем их ансамбля, что существенно снижает показатели эффективности ПСС. Так, например, все абоненты ПСС могут входить в связь с использованием одной и той же или нескольких адресных СлС, т. е. адресных СлС доступа, случайно выбираемых из некоторой их совокупности [7,138−140]. В этом случае лишь в процессе вхождения в связь назначаются адресные СлС, которые в дальнейшем используются абонентами при передаче полезной информации вместе с информационными СлС. При этом процедура вхождения в связь в мобильных ПСС осуществляется не только активными абонентами, но должна время от времени осуществляться всеми абонентами с целью регистрации на станции сопряжения и снижения нагрузки в каналах персонального вызова.

В этом случае мощность синхросигналов и адресных СлС доступа, а затем и информационных СлС, используемых в процессе вхождения в связь в том числе и для передачи номера абонента, должна быть соизмерима с мощностью информационных СлС абонентов, уже ранее вошедших в связь, или даже превосходить ее. Это объясняется тем обстоятельством, что на этапе вхождения в связь, вплоть до назначения адресных СлС, оказывается невозможным реализовать эффективную обработку многолучевых сигналов, обеспечить компенсацию взаимных помех, переход из одной зоны обслуживания в другую без перерывов в связи и т. д. Тогда, учитывая то обстоятельство, что при вхождении в связь используется та же полоса частот, что и при обмене полезной информацией между абонентами с помощью станции сопряжения, получаем, что эта станция вынуждена постоянно контролировать текущее количество абонентов, входящих в связь. Основная цель такого контроля состоит в необходимости предотвращения сбоев при передаче полезной информации и необходимости удержания отношения сигнал/помеха на входах приемников абонентов в заданных пределах. При этом, если в настоящее время в случае максимальной загрузки радиоканала число абонентов, входящих в связь, составляет 10. .15% от общего числа действующих абонентов, и они снижают пропускную способность радиоканалов в среднем на 25%, то в ПСС третьего поколения при передаче данных в компьютерных сетях снижение пропускной способности в информационных каналах может достигать 50% и более, т.к. такие абоненты будут вынуждены поддерживать режим синхронизации со станцией сопряжения в течение всего промежутка времени, когда может потребоваться связь, т. е. в течение нескольких часов. Это объясняется тем обстоятельством, что требующаяся длительность времени установления связи в компьютерных сетях должна быть менее секунды, в то время как в современных спутниковых ПСС с МДКР она составляет от нескольких секунд до нескольких десятков секунд [7,18,19,20,138−140,225,226].

Поэтому требуется разработка ускоренных цифровых алгоритмов обработки СлС, позволяющих в реальном масштабе времени вычислять суперпозиции корреляционных функций миллионов СлС с базами, составляющими десятки и сотни тысяч. В этом случае при снижении длительности времени вхождения в связь до десятых долей секунды возможно одновременное снижение мощности синхросигналов и закрепленных за каждым из абонентов адресных СлС на несколько порядков при сохранении высоких вероятностных характеристик их обнаружения-различения. При этом повышение полезной пропускной способности спутниковых радиоканалов, т. е. при обмене полезной информацией между абонентами, составит не менее 3 дБ в ПСС с мобильными абонентскими станциями, имеющими мощности передатчиков порядка нескольких Вт и штыревые антенны. В результате такие ПСС будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к ПСС третьего поколения. В частности, полезная пропускная способность радиоканала в одном луче антенны спутникового ретранслятора, превысит 2 Мбит/с в полосе частот с шириной порядка 16МГц, что не позволяют обеспечить спутниковые ПСС второго поколения с малыми абонентскими станциями и МДКР. Отметим, что относительно невысокая пропускная способность спутниковых ПСС объясняется энергетическими характеристиками их радиоканалов с малыми абонентскими станциями, и не может быть увеличена, например, при использовании другого метода многостанционного доступа.

Дополнительное повышение пропускной способности не менее чем на 3.4 дБ может быть достигнуто при увеличении длин информационных псевдослучайных последовательностей (ПСП). Последнее при требующейся скорости передачи информации в выделенной полосе частот обеспечивается как использованием многофазных СлС, формируемых на основе/?-ичных ПСП прир=4,8,16,32, когда увеличивается длина эквивалентных двоичных ПСП, так и на основе m-ичного ортогонального кодирования двоичных информационных импульсов с использованием ПСП, ортогональных в точке, в сочетании с реализацией алгоритмов компенсации взаимных помех информационных СлС [130,138−140,144,145 147−151]. Эти алгоритмы будут более эффективными при одновременном синхронном МДКР, поскольку из-за квазикогерентной обработки СлС с большими базами уменьшается уровень их взаимных помех и повышается точность оценки параметров, в том числе — и мощностей СлС на фоне помех.

Наибольший вклад в развитие теории ускоренной обработки СлС с большими базами внесли Д. Спилкер, Титсворт, Р. Уорд, В. В. Лосев, JI.E. Варакин, Г. И. Тузов, Н. В. Семаков, В. А. Зиновьев, Г. В. Зайцев, Л. В. Канатова, В. А. Сивов [8,15,57,58, 104,112,208,.274,275,281−283]. Однако во всех известных алгоритмах вычисляется одномерная автокорреляционная функция лишь одного СлС с большой базой. Гораздо меньше развиты ускоренные алгоритмы, обеспечивающие «разделение» СлС по форме, т. е. алгоритмы совместного обнаружения неизвестного числа СлС из большого их ансамбля.

Анализ публикаций в этой области показал отсутствие как теоретических, так и практических результатов по разработке ускоренных методов вычислений суперпозиций десятков, сотен тысяч или миллионов двумерных корреляционных функций (ДКФ) СлС с большими базами.

Таким образом, настоятельная потребность в применении новых высокоэффективных систем связи требует разработки перспективных ускоренных алгоритмов обработки СлС, позволяющих использовать в системах их обнаружения и синхронизации ранее не учитываемые ресурсы.

Основная проблема, решаемая в диссертационной работе.

Необходимо обеспечить повышение показателей качества спутниковых ПСС с МДКР и малыми абонентскими станциями (т.е. снизить длительность времени вхождения в связь в таких ПСС до десятых долей секунды и одновременно повысить полезную пропускную способность каждого спутникового радиоканала, организуемого в одном луче антенны спутникового ретранслятора, не менее чем до 2 Мбит/с в полосе частот с шириной порядка 16МГц) на основе разработки новых алгоритмов максимального правдоподобия ускоренной цифровой обработки СлС с большими базами, реализуемых в виде функционально законченных микроэлектронных вычислительных устройств.

Следует подчеркнуть, что требования к характеристикам спутниковых радиоканалов выше формулирутся для мобильных ПСС с мощностями передатчиков абонентских станций не более нескольких Вт и штыревыми антеннами.

Актуальность проблемы.

Она обусловлена тремя причинами.

Во-первых, спутниковые технологии 3G в настоящее время находятся в стадии разработки, и имеется пять предложений по их созданию: SW-CDMA и SW-CTDM Европейского космического агентства (ESA) — ICO RTT — ICO Global CommunicationsSAT-CDMA (Южная Корея) — Horizons (Инмарсат), четыре из которых предполагают использование МДКР. Кроме того, в настоящее время функционирует спутниковая ПСС Globalstar, в которой МДКР осуществляется на основе стандарта IS-95, относящегося ко второму поколению стандартов мобильной телефонной связи. Естественным развитием стандарта IS-95 является стандарт третьего поколения cdma-2000, на основе которого предполагается дальнейшее развитие и совершенствование спутниковой ПСС Globalstar. Таким образом, технологии радиосвязи с использованием МДКР получили в настоящее время международное признание. Вместе с тем, отечественные спутниковые ПСС с МДКР предназначены в основном для специального использования. Они не могут широко применяться в коммерческих целях, поскольку находятся на предельном уровне нагрузки, и необходимо как повышение их ресурса, так и разработка новых ПСС, которые могут эффективно использоваться как в коммерческих целях, так и для решения задач двойного применения.

Во-вторых, в современных радиотехнических системах и устройствах цифровая обработка сигналов с помощью микропроцессоров и микро-ЭВМ занимает ведущие позиции, поскольку предоставляет уникальные возможности по совершенствованию и оптимизации всей процедуры выделения полезной информации. В связи с этим возникает необходимость в разработке новых цифровых методов обработки СлС, реализуемых в виде микроэлектронных вычислительных устройств.

В третьих, в течение ряда лет работа велась в соответствии с тематическими планами хоздоговорных НИР Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ), а с 1986 г. она выполняется по заданиям предприятий: НПО Заря, МНИРТИ, МНИИРС, МНИИРС-Ц, НПО Элас, УГП НПЦ «СПУРТ», НИИ Радио. Проведенные исследования использовались в совместной работе с МНИИРС для Главного управления промышленности средств связи государственного комитета РФ по оборонным отраслям промышленности в соответствии с решениями Государственной комиссии по электросвязи середины 90-х годов и, в частности, № 134 от 1 ноября 1995 г. «О подготовке программы разработки и внедрения универсальной сотовой системы с кодовым разделением каналов для создания наземных и спутниковых сетей связи двойного назначения» .

Цель и задачи работы.

Целью работы является теоретическое обобщение и решение научно-прикладной проблемы, заключающейся в реализации возможностей многоканальной ускоренной цифровой обработки СлС с большими базами в системах обнаружения-различения и синхронизации для повышения показателей качества спутниковых ПСС с МДКР.

Достижение этой цели связано с решением совокупности задач: необходимо произвести совместную разработку ускоренных алгоритмов обнаружения-различения СлС и их больших ансамблей, таких, чтобы любая совокупность СлС из ансамбля могла быть обнаружена с использованием алгоритма максимального правдоподобия, вычислительная сложность которого минимальна, по сравнению с другими известными алгоритмами, при допустимых значениях вероятностных характеристик обнаруженияразработать методы анализа помехоустойчивости новых оптимальных и квазиоптимальных ускоренных цифровых алгоритмов обнаружения-различения СлС при воздействии структурных широкополосных и узкополосных, а также импульсных и флуктуационных помехразработанные алгоритмы цифровой обработки СлС базируются на обоб-щен-ном спектральном анализе, т. е. представлении СлС в новых синтезиро- ^ ванных системах квазибазисных функций конечномерного векторного пространствапоэтому для анализа характеристик эффективности соответствующих устройств обработки СлС при рассогласованиях опорных и принимаемых сигналов не только по времени, но и по частоте, необходимо разработать метод анализа и произвести исследование характеристик спектров СлС как в новых системах векторных функций, представляющих собой базисные или квазибазисные системы конечномерного векторного пространства, так и в системе дискретных экспоненциальных функций, являющихся дискретными аналогами гармонических функцийпроизвести оптимизацию и исследование характеристик многоэтапных алгоритмов синхронизации СлС с большими базами по времени и частоте при больших рассогласованиях примаемых СлС относительно опорных СлСна первом этапе производится обнаружения принимаемых СлС с использованием ускоренных спектральных преобразований, на основе их представления в двух системах базисных или квазибазисных функций конечномерного векторного пространства — «временной» и «частотной» — последующие этапы синхронизации включают оценку частоты, фазы и временного смещения принимаемого СлС относительно опорного в кольцах слежения по частоте и задержке с перекрестными связямипроизвести системный анализ аспектов применения разработанных алгоритмов обработки СлС в спутниковых персональных системах связи и, в частности, произвести анализ характеристик эффективности спутниковых радиоканалов при учете применения новых алгоритмов обработки СлС и соответствующих им структурных схем устройств.

Весь комплекс вышеперечисленных актуальных задач характеризуется как теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы, направленной на повышение качества функционирования и помехоустойчивости спутниковых мобильных персональных систем связи.

Методы исследований.

Теоретические и практические результаты диссертации базируются на использовании: методов теории вероятностей и математической статистики (обнаружение и оценивание на основе критерия максимального правдоподобия) — теории обобщенного спектрального анализа сигналов, заданных на конечных интервалах, их ортогональных разложений и методов цифровой обработкиабстрактной алгебры и теории абстрактных пространств (теории конечномерных полей и мультипликативных групп, теории полей Галуа) — теории матриц и квадратичных форм.

Научные результаты и их новизна.

1. Синтезированы новые системы квазибазисных функций конечномерного комплекснозначного р-ичного и двоичного векторного пространства, а также соответствующие им алгоритмы быстрых спектральных преобразований, вычислительная сложность которых соответствует обобщенному быстрому преобразованию Фурье в базисе функций Виленкина-Крестенсона (Ф-В-К) или для двоичного пространства — быстрому преобразованию Адамара в базисе функций Рида-Мюллера (Ф-Р-М) соответствующей размерностиновые квазибазисы являются результатами усечения и прореживания базисов Ф-В-К и Ф-Р-М больших размерностей, и поэтому были названы базисами типа Ф-В-К и типа Ф-Р-М, а соответствующие им новые быстрые преобразования — преобразованиями типа быстрого преобразования Фурье и типа быстрого преобразования Фурье-Адамара.

2. Исследованы свойства и характеристики новых систем квазибазисных функций конечномерного векторного пространства и новых соответствующих им быстрых спектральных преобразований, т. е. свойство асимметричности, характеристики квазиортогональности квазибазисных функций, верхние границы вычислительной сложности. Показано, что эти границы соответствуют MlogpN, где М — размерность пространства, если она больше числа квазибазисных функций, либо М — число квазибазисных функций, если оно превышает размерность пространстваN — размерность пространства из базисных функций которого синтезированы новые квазибазисы меньшей размерности.

3. Разработаны алгоритмы преобразований новых синтезированных квазибазисных функций конечномерного векторного пространства в сегменты /?-ичных или двоичных линейных рекуррентных последовательностей (ЛРП) максимального периоданачальные блоки сегментов соответствуют номерам квазибазисных функций при их нумерации в базисах Ф-В-К и Ф-Р-М, использовавшихся при синтезе новых квазибазисовпоказано, что новые квазибазисы и сегменты ЛРП максимального периода связаны преобразованием типа перестановки столбцов в случае использования их представления в виде матрицэто позволяет вычислять суперпозиции взаимно корреляционных функций ансаблей ПСП из сегментов ЛРП максимального периода с использованием одного из новых быстрых спектральных преобразований, т. е. с вычислительной сложностью на несколько порядков меньшей, чем при традиционном параллельно-последовательном корреляционном алгоритме для типичных длин сегментов и количества вычисляемых значений корреляционных функций.

4. Проведенные исследования позволили разработать алгоритмы ускоренного вычисления корреляционных функций сложных сигналов, сложность которых соответствует однократному быстрому преобразованию Фурье (БПФ) или быстрому преобразованию Адамара (БПА) этих сигналов.

5. Выявлены качественные и количественные взаимосвязи между представлениями СлС в различных конечномерных системах квазибазисных функций конечномерного векторного пространства и характеристиками корреляционных функций псевдослучайных последовательностей (ПСП), используемых при их формировании.

Практическая ценность.

1.Ha основе разработанных в диссертации методов ускоренной цифровой обработки СлС с большими базами предложены конкретные варианты построения как новых ПСС с МДКР, так и варианты модификации функционирующих отечественных ПСС, позволяющие значительно повысить эффективность их работы на основе снижения более чем на два порядка мощности синхросигналов и адресных СлС, используемых абонентами в процессе вхождения в связь. При этом высокая точность синхронизации абонентской станции со станцией сопряжения по времени до нескольких десятков не, а по частоте до двухсот Гц обеспечивается за десятые доли секунды независимо от радиуса орбиты спутниковой группировкипри этом полезная пропускная способность спутниковых радиоканалов в ПСС второго поколения повышается в среднем на 20−25%, по сравнению со случаем использования традиционных алгоритмов обработки сигналованалогичное повышение пропускной способности радиоканалов ПСС третьего поколения может достигать 50% и более.

2. Для спутниковых мобильных ПСС разработаны методы анализа и получены количественные оценки длительности времени вхождения в синхронизм аппаратуры обработки сложных сигналов и пропускной способности спутниковых радиоканалов (т.е. допустимого числа одновременно действующих абонентов при заданной скорости и качестве передачи информации) на фоне совокупности помех при использовании новых алгоритмов ускоренной обработки СлС.

2. Разработанные алгоритмы и программы, моделирующие функционирование ^ устройств ускоренной цифровой обработки СлС, а также программы, предназначающиеся для анализа эффективности этих устройств при действии совокупности помех, используются в ряде предприятий (НПО «Элас», УГП НПЦ «Спурт», МНИРТИ, МТУ СИ).

В ходе работы над диссертацией в отраслевой научно-исследовательской лаборатории МТУ СИ при непосредственном участии диссертанта был создан ряд высокоэффективных алгоритмов и соответствующих им устройств обработки СлС. Эти разработки внедрены на предприятиях НПО «Элас», УГП НПЦ «Спурт», МНИРТИ, НИЧ МТУСИ, в учебный процесс МИЭТ, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы.

Материалы диссертации с 1987 по 2001 год обсуждались в 63 докладах на 24 Всесоюзных, Всероссийских и международных НТК, семинарах и симпозиумах. В том числе: на Всесоюзной научной сессии, посвященной дню Радио, в Москве в 1989 г. и в 1995 г.- на Всесоюзных научно-технических семинарах «Статистический синтез и анализ информационных систем» в Москве в 1987 г., в Ульяновске в 1989 г. и в Черкассах в 1992 г.- на 9 Всесоюзной НТК по теории кодирования и передаче информации в Одессе в 1988 г.- на НТК «Формирование сложных сигналов» в Суздале в 1988 г.- на Всесоюзной НТК «Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования сигналов и их обработки» в Риге в 1989 г.- на Всесоюзной НТК «Интегральные информационные системы» в Москве в 1989 г.- на 1-ой и 2-ой Всесоюзных НТК «Методы представления и обработки случайных сигналов и полей» в Харькове в 1989 ив 1991 г. г.- на Международном симпозиуме «Спутниковая связь: реальность и перспективы» в г. Одессе в 1990 г. и в Москве в 1996 г.- на Всесоюзной НТК «Компьютерные методы исследования проблем теории и техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам «в Евпатории в 1990 г.- на НТК, посвященной дню Радио, «Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи» в Санкт-Петербурге в 1992 г.- на НТК «Повышение качества и эффективности устройств синхронизации в системах связи» в Ярославле в 1993 г. и в 2000 г.- на 2-ой, 3-ей, 5-ой и 6-ой Межрегиональных НТК «Обработка сигналов в системах двухсторонней телефонной связи в Москве и в Пушкино в 1993, 1995, 1996 и в 1997 г. г.- на 3-ей Всероссийской НТК «Теория цепей и сигналов» в 1996 г.- на Всероссийской НТК «Направления развития систем и средств радиосвязи» в Воронеже в 1996 г.- на 2, 3, 4 и 5 Бизнес-форуме «Мобильные системы: Международная конференция: направления развития и новейшие технологии подвижной связи в России и СНГ» в Москве в 1997, 1998, 1999 и 2000 г. г.- на НТК «Радио и волоконнооптическая связь, локация и навигация» в Воронеже в 1997 г.- на 5-ой Всероссийской НТК «Повышение эффективности методов и средств обработки информации» в Тамбове в 1997 г.- на НТК «Сети связи и сетевые технологии» в Суздале в 1997 г.- на НТК «Спутниковые системы связи и навигации» в Красноярске в 1997 г., на 1-ой и 2-ой Международных конференциях «Цифровая обработка сигна-лов и ее применение» в 1998 г. и в 1999 г. в Москвена Международной НТК «Информационные технологии в науке, образова-нии, телекоммуникации, бизнесе и охране природных ресурсов» в Гурзуфе в 1999 г.- на Международном форуме информатизации «Информационные процессы, технологии, системы, коммуникации и сети» в Москве в 1995.2000 г. г.- на 3,4, 5 международных конференциях «Satellite communications» в Москве в 1998, 1999, 2000 г. г.- на конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1987.2001 г. г.

Тезисы и содержание докладов опубликованы.

Публикации по работе.

По теме диссертации опубликовано 91 печатная работа, в том числе 28 статей в НТ журналах и сборниках, 63 печатных тезисов докладов на НТК, семинарах и симпозиумах и одно учебное пособие (изд. МТУСИ). Основные научные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в следующих периодических НТ изданиях, выпускаемых издательствами по списку, утвержденному ВАК: Радиотехника и электроника (5 статей), Радиотехника (4 статьи), Электросвязь (8 статей) — Радиоэлектроника (Изв.вузов) (3 статьи), Зарубежная радиоэлектроника (1 статья), Труды учебных институтов связи (1 статья), Техника средств связи (1 статья), Технологии и средства связи (1 статья).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика и результаты сравнительного анализа эффективности ускоренных алгоритмов обнаружения сложных сигналов с большими базами на фоне шумовых помех в соответствии с методом максимального правдоподобия, к которым относятся: параллельно-последовательный корреляционный алгоритм, по-лихотомический алгоритм поиска сложных сигналов на основе последовательностей быстрого поиска (ПБП) Титсворта, модификации алгоритма Уорда, обнаружение сложных сигналов на основе М-последовательностей с использованием быстрого преобразования Адамара.

2. Метод, позволяющий синтезировать новые системы квазиортогональных векторных функций типа функций Виленкина-Крестенсона и Рида-Мюллера и соответствующие им новые асимметричные алгоритмы быстрых спектральных преобразований типа быстрого преобразования Фурье и типа быстрого преобразования Фурье-Адамара.

3. Метод, позволяющий разработать новые ансамбли сложных сигналов на основе сегментов линейных рекуррентных последовательностей максимального периода, суперпозиции корреляционных функций которых могут быть вычислены на основе новых быстрых спектральных преобразований.

4. Метод синхронного многостанционного доступа с кодовым разделением абонентов и соответствующий ему способ кодовой адресации абонентов на основе сегментов линейных рекуррентных последовательностей максимального периода и ускоренные методы вычисления суперпозиций корреляционных функций этих сегментов.

5. Методика и результаты анализа эффективности применения новых ускоренных алгоритмов максимального правдоподобия для обнаружения-различения сложных сигналов в спутниковых мобильных персональных системах связи, т. е. длительности времени вхождения в связь с вызываемым абонентом при заданных высоких вероятностных характеристиках обнаружения-различения сигна.

19 лов, а также пропускной способности спутниковых радиоканалов при требующемся качестве связи.-6. Метод и результаты анализа характеристик представлений сложных сигналов в системах базисных и квазибазисных функций конечномерного векторного пространства.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка, включающего 333 наименования и приложения, содержащего документы о внедрении результатов диссертации. Она содержит 350 страниц машинописного текста, в том числе 287 страниц основного текста и 63 страницы рисунков и таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основе системного анализа аспектов применения сложных сигналов в.

J vo v7 спутниковых персональных системах связи показано,'повышение их пропускной способности не менее чем на 25% может быть обеспечено путем совместной оптимизации алгоритмов обнаружения применяемых сигналов по двум показателям: помехоустойчивости и вычислительной сложностина основе такой оптимизации, с учетом синхронного многостанционного доступа, оказывается возможным снижение длительности времени вхождения в связь до десятых долей секунды и одновременное снижение мощностей синхросигналов и адресных сигналов более чем на два порядка при требующихся вероятностных характеристиках их обнаружения с использованием новых ускоренных алгоритмов.

2. Показано, что в спутниковых персональных системах связи обнаружение синхросигналов с большими базами целесообразно производить с использованием алгоритма максимального правдоподобия на основе быстрого преобразования Фурье или Фурье-Адамарав этом случае, при обеспечении требующихся значений вероятностных характеристик обнаружения синхросигнала, выигрыш в числе элементарных операций составит более чем два порядка, по сравнению с параллельно-последовательным корреляционным алгоритмом, модифицированным алгоритмом Уорда, а также полихотомическим алгоритмом обнаружения типичных последовательностей быстрого поиска.

3. Разработаны новые оптимальные алгоритмы обработки сложных сигналов, имеющие минимальную вычислительную сложность, на основе синтеза новых систем квазибазисных функций конечномерного комплекснозначного /7-ичного и двоичного векторного пространства, а также соответствующих им алгоритмов быстрых спектральных преобразований, вычислительная сложность которых соответствует обобщенному быстрому преобразованию Фурье в базисе функций Виленкина-Крестенсона (Ф-В-К) или для двоичного пространства — быстрому преобразованию Адамара в базисе функций Рида-Мюллера (Ф-Р-М) соответствующей размерностиновые квазибазисы являются результатами усечения и прореживания базисов Ф-В-К и Ф-Р-М больших размерностей, и поэтому были названы базисами типа Ф-В-К и типа Ф-Р-М, а соответствующие им новые быстрые преобразования — преобразованиями типа быстрого преобразования Фурье и типа быстрого преобразования Фурье-Адамара.

4. Исследованы свойства и характеристики новых систем квазибазисных функций конечномерного векторного пространства и новых соответствующих им быстрых спектральных преобразований, т. е. свойство асимметричности, характеристики квазиортогональности квазибазисных функций, верхние границы вычислительной сложности. Показано, что эти границы соответствуют MlogpN, где М — размерность пространства, если она больше числа квазибазисных функций, либо М — число квазибазисных функций, если оно превышает размерность пространстваN — размерность пространства из базисных функций которого синтезированы новые квазибазисы меньшей размерности.

5. Разработаны алгоритмы преобразований новых синтезированных квазибазисных функций конечномерного векторного пространства в сегменты р-ичных или двоичных линейных рекуррентных последовательностей (ЛРП) максимального периоданачальные блоки сегментов соответствуют номерам квазибазисных функций при их нумерации в базисах Ф-В-К и Ф-Р-М, использовавшихся при синтезе новых квазибазисовпоказано, что новые квазибазисы и сегменты ЛРП максимального периода связаны преобразованием типа перестановки столбцов в случае использования их представления в виде матрицэто позволяет вычислять суперпозиции взаимно корреляционных функций ансамблей ПСП из сегментов ЛРП максимального периода с использованием одного из новых быстрых спектральных преобразований, т. е. с вычислительной сложностью на несколько порядков меньшей, чем при традиционном параллельно-последовательном корреляционном алгоритме для типичных длин сегментов и количества вычисляемых значений корреляционных функций.

6. Проведенные исследования позволили разработать алгоритмы ускоренного вычисления корреляционных функций сложных сигналов в оптимальных алгоритмах их обработки, сложность которых соответствует однократному быстрому преобразованию Фурье (БПФ) или быстрому преобразованию (БПА) этих сигналов.

7. Установлено, что использование разработанных ускоренных алгоритмов обнаружения СлС в сочетании с синхронным МДКР позволяет обеспечить выигрыш в требующемся числе операций суммирования или перемножения с накоплением в 103.105 раз, по сравнению с наилучшим ранее известным алгоритмом обнаружения СлС для любых требующихся значений вероятности правильного обнаружения р0б и вероятности ложной тревоги рлт при всех возможных отношениях сигнал/помеха Рси/Р"ом.

8. При учете возможностей современных цифровых сигнальных процессоров общего назначения показано, что длительность времени идентификации АС по закрепленным за ними сегментам МПД с использованием новых ускоренных алгоритмов обнаружения СлС с высокой вероятностью составит ТиАС~(8.80)мс в зависимости от общего числа AC NAc при этом NAc~104. /О6. При использовании специальных ЦПОС выигрыш в значении ТиАС может составлять более 10 раз, по сравнению с процессорами общего применения, из-за возможности оптимизации вычислительной среды специального ЦПОС для решения лишь одной задачи.

9. Разработанная методика анализа статистических характеристик спектральных плотностей мощности (СПМ) двоичных и четверичных псевдослучайных последовательностей (ПСП) в базисе дискретных экспоненциальных функций (ДЭФ) позволила выразить значения СПМ через весовые суммы выбросов различных типов корреляционных функций ПСП и использовать нормальную аппроксимацию закона распределения значений СПМ при достаточно больших длинах ПСП, составляющих не менее нескольких десятковэто позволило впервые выявить общие закономерности в статистических характеристиках СПМ различных типов ПСП в базисе ДЭФ.

10. При гауссовской аппроксимации случайных процессов на выходе устройства корреляционной обработки сложных сигналов в случае воздействии как одиночных узкополосных и широкополосных структурных помех, так и их совокупностей, получены аналитические выражения для отношений сигнал/помеха на его выходеэти отношения являются функциями статистических характеристик помех, представленных в системах базисных и квазибазисных функций векторного пространстваметодика анализа статистических характеристик представлений помех в системах векторных функций также разработана в диссертациина ее основе проведены исследования характеристик помех.

11. С использованием разработанной методики анализа помехоустойчивости устройства корреляционной обработки сложных сигналов установлено, что в СПСС при типичных отношениях сигнал/помеха на входе обнаружителя адресных сегментов МП с использованием ускоренных алгоритмов для обеспечения необходимых значений вероятностных характеристик обнаружения требуется обрабатывать длины сегментов Ncesn=(l .5)104 вычислительная сложность разработанных ускоренных алгоритмов обнаружения адресных сегментов МП практически не зависит от их длины Исе? л и отношения сигнал/помеха на входе приемника, а определяется в основном общим числом адресных сегментов NACпри типичных NAC=105.10б требуется лишь Non=J05.106операций суммированияпотенциальная пропускная способность радиоканала, образованного в одном луче спутникового ретранслятора СПСС типа Globalstar в прямом канале связи на границах зоны его обслуживания при типичных входных отношениях сигнал/шум составит R i~2,1.2,4Мбит/спотенциальная пропускная способность радиоканала, образованного в одном луче спутникового ретранслятора СПСС типа Globalstar в обратном канале связи на границах зоны его обслуживания при типичных отношениях сигнал/шум составит Rjdon&2,03.2,32M6um/cоднако, при одинаковых мощностях синхросигналов и информационных сигналов в случае низкой эффективности функционирования устройств синхронизации полезная пропускная способность будет существенно меньше, и составит лишь 1,4. 1,62Мбит/с.

12. Произведен синтез алгоритма обработки СлС на фоне совокупности узкополосных и широкополосных структурных помех с известными параметрами по критерию соответствия формы взаимно корреляционной функции входной смеси и опорного СлС ее идеальной формев этом алгоритме на частотах гармоник полезного СлС формируются коэффициенты передачи, обратные спектру входной смеси полезного СлС и помех, т. е. выравнивается спектр принимаемого СлС, искаженный помехами.

13. Проведен качественный и количественный анализ энергетических потерь полезного СлС при использовании оптимального алгоритма его обработки на фоне помех и показано, что они пропорциональны отношению среднеарифметического значения мощностей спектральных составляющих СлС и помех на входе приемника к среднеарифметическому их обратных значений, т. е. потери возрастают по мере увеличения неравномерности спектра входной смеси.

14. Произведен синтез алгоритма обработки СлС на фоне совокупности флуктуационных и узкополосных помех с неизвестными частотами и начальными фазами по критерию максимизации отношения сигнал/помеха на выходе устройства обработки корреляционного типав этом алгоритме опорный сигнал устройства корреляционной обработки СлС ограничивает его максимальные коэффициенты передачи.

15. Для спутниковых персональных систем связи с многостанционным доступом на основе кодового разделения каналов развит многоэтапный параллельно-последовательный метод совместного обнаружения и оценки параметров синхросигналов с большими периодами повторениярассмотрен вариант его реализации с использованием канала синхронизации на основе разработанной структурной схемы устройства ускоренного обнаружения синхросигналов и совместно работающих с перекрестными связями колец слежения за их частотой и задержкой.

16. Разработан метод анализа длительности времени вхождения в синхронизм аппаратуры обработки сложных сигналов с использованием канала синхронизациион позволил установить, что при типичных параметрах СПСС и учете возможностей современных микроэлектронных вычислительных средств длительность времени вхождения в синхронизм аппаратуры обработки сложных сигналов практически не зависит от радиуса и сложности орбитальной группировки, и составляет не более 0,6 с.

17. Разработана методика анализа характеристик искажений совокупности сложных сигналов при их нелинейной ретрансляции, в рамках которой: обоснованы математические модели интермодуляционных помех, образующихся при преобразованиях совокупности СлС в безинерционных нелинейных элементах, представляющие линейные комбинации произведений апериодических импульсных случайных процессов на «клиппированные сигналы» — установлено, что при анализе характеристик энергетического спектра помехи, образующейся в идеальном ограничителе с коэффициентом передачи К0 и К0″ а (а — амплитуды СлС на входе ограничителя), достаточно учитывать ее составляющую, представляющую собой апериодический импульсный случайный процессустановлено, что при воздействии на ретранслятор с жестким ограничителем совокупности СлС с приблизительно одинаковыми уровнями мощность образующейся интермодуляционной помехи в полосе пропускания ствола ретранслятора уменьшается прямо пропорционально arctg к.

Л/ и уже при No6 = 50 не превышает 4% от полной мощности сигнала на выходе ретранслятора в полосе AfPTP, где Na§ - число ретранслируемых СлСпоказано, что мощность интермодуляционных помех на выходе ретранслятора при всех Na6 в полосе полезных СлС Д/?7Р приблизительно в два раза превышает полезную мощность СлС каждого из абонентов.

18. На основе методики анализа помехоустойчивости устройств корреляционной обработки сложных сигналов, разработанной в разделе 4, при учете характеристик интермодуляционных помех, образующихся при их нелинейной ретрансляции, разработана новая методика анализа пропускной способности ствола спутникового ретранслятора СПСС с МДКР, с использованием которой выявлено: при построении ПСС с ретранслятором на геостационарной орбите даже в диапазоне 14. 11 ГГц на абонентских станциях возможно использование антенн диаметром порядка 30смв этом случае при максимально допустимой ЭИИМ ретранслятора в 50дБВт и типичных значениях шумовых температур приемников АТЛбдоп в одном луче составит несколько сотенмощности передатчиков абонентских станций должны быть не менее 10 Вт, тогда коэффициент усиления ретранслятора будет не более 125 дБ, а требующаяся ширина диаграммы направленности его антенны по уровню половинной мощности составит 1°- при использовании среднеэллиптиче-ских и низких орбит в случае, если ширина диаграммы направленности одного луча ретранслятора составляет 1° в СПСС могут функционировать абонентские станции со штыревыми антеннами и мощностью передатчиков порядка 100 мВтв этом случае при средней скорости передачи информации у одного абонента в 4,8кбит/с допустимое число одновременно действующих абонентов в полосе частот в 36 МГц будет около 600.

19. Разработаны структурные схемы аппаратуры формирования и обработки сложных сигналов на основе новых ускоренных алгоритмов обнаружения-различения сигналов как для абонентских приемо-передатчиков, так и для станций сопряжения спутниковых персональных систем связи с синхронным кодовым разделением на основе шумоподобных сложых сигналов и проведен анализ технической сложности их реализации.

20. Разработанные в данной работе структурные схемы устройств формирования и обработки сложных сигналов внедрены в аппаратуру абонентских приемо-передатчиков и станций сопряжения ряда функционирующих спутниковых персональных систем связи специального назначения, а также используются в опытных образцах и макетах перспективных устройств обработки сложных сигналов как для спутниковых, так и наземных систем связи, о чем свидетельствуют имеющиеся акты о внедрениитехнические аспекты реализации разработанных структурных схем, лабораторные установки и соответствующее программное обеспечение являются собственностью их разработчика.