Національний технічний університет України
Національний технічний університет України
“Київський Політехнічний Інститут”
Поляков Ігор Леонідович
УДК 621.396.9
Оцінювання завадостійкості
ансамблів адресних кодів для CDMA-систем
Спеціальність 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ -2005
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано на кафедрі засобів телекомунікацій інституту телекомунікаційних систем
Національного технічного університету України “Київський Політехнічний Інститут”.
Науковий керівник кандидат технічних наук, професор
Лебедєв Олег Миколайович
НТУУ “КПІ”, заступник директора НДІ
телекомунікацій з наукової роботи
Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор
Доровських Анатолій Васильович
підприємство “Денсофт”, провідний спеціаліст
кандидат технічних наук, с.н.с.
Войтер Анатолій Петрович
Інститут ядерних досліджень НАН України,
завідуючий відділом ядерної електроніки і засобів
автоматизації
Провідна установа Український науково-дослідний інститут зв’язку,
м. Київ.
Захист відбудеться “25” лютого 2005 р. о 14 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 в Національному Технічному Університеті України “Київський Політехнічний Інститут”, за адресою: м.Київ -56, пр.Перемоги 37, корп. 1, ауд. 163.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного Технічного Університету України “Київський Політехнічний Інститут”, за адресою: м. Київ -56, пр. Перемоги 37.
Автореферат розіслано ____________________
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 Уривський Л.О.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Пріоритетним напрямком розвитку перспективних радіотелекомунікацій третього і в подальшому четвертного поколінь є розробка і впровадження систем і технологій множинного доступу на основі кодового поділу каналів (CDMA). Реалізація нових можливостей CDMA-систем здійснюється як за рахунок удосконалювання існуючих систем, так і реалізації нових технічних рішень, що пов'язані з оптимізацією параметрів окремих вузлів системи.
Однією з істотних особливостей CDMA-систем і недоліків, що випливають з неї, є наявність внутрішньо-системних перешкод, що обумовлені неортогональністю адресних сигналів, що обмежує можливість CDMA-систем з пропускної здатності, погіршує їх енергетичні характеристики і реальне розповсюдження. Одним з ефективних напрямків боротьби з цим недоліком є формування найбільш раціональних ансамблів адресних кодів.
Раціональним названо адресний код, який відрізняється в кращий бік за рядом важливих показників: ступінь ортогональності, широкі можливості по формуванню представницьких ансамблів кодів і стійким до викривлень в каналі CDMA системи.
Для вибору або формування ансамблів раціональних адресних кодів необхідно мати апарат для оцінювання кодів до викривлень в каналі, що враховував би в єдиному сполученні два аспекти: ступінь неортогональності коду і пов’язані з цим показником взаємно кореляційні властивості, а також стійкість коду до викривлень в каналі CDMA-системи. В публікаціях по системам з кодовим поділом каналів рішення наукової задачі в такій постановці відсутнє.
Розробка апарату оцінювання ансамблів адресних кодів для CDMA-систем з урахуванням їх неортогональності і особливостей викривлень у каналі є тематикою даної роботи. Ця задача актуальна як для розробки нових систем так і для вирішення проблеми вибору на ринку CDMA систем для розвитку телекомунікацій України.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконувалася в рамках Державної науково-технічної програми “Перспективні телекомунікаційні системи і технології”, як складова частина дослідницьких робіт НДІ телекомунікацій НТУУ “КПІ”:
“Підвищення ефективності телекомунікаційних систем на основі нових методів формування та обробки складних сигналів”; (2001 - 2002 рр. - НДР д/б №2425)
“Підвищення стійкості складних сигналів до спотворень в телекомунікаційних системах з кодовим розділенням каналів” (2003 - 2003 рр. - НДР д/б № 2609).
Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи розробка нового апарату для оцінювання стійкості ансамблів адресних кодів CDMA-систем до викривлень, застосування якого дозволить вирішувати задачі по розробці систем з підвищеною завадостійкістю.
Задачами роботи є:
Розробка методу формування ансамблів адресних кодів з поліпшеними кореляційними властивостями.
Розробка й удосконалення методик і методів дослідження кореляційних властивостей ансамблів адресних кодів.
Розробка методики та алгоритму чисельного аналізу стійкості ансамблю адресних кодів для CDMA-систем до викривлень у каналі зв’язку.
Створення програмного комплексу, що дозволить проаналізувати будь-яку періодичну двійкову адресну кодову послідовність і зробити порівняльний аналіз з іншими типами послідовностей.
Дослідження стійкості найбільш розповсюджених ансамблів адресних кодових послідовностей до викривлень у каналі.
Об’єктом досліджень є ансамблі адресних кодів для систем з кодовим поділом каналів та методи дослідження їх властивостей.
Предметом досліджень є інструментарій оцінювання стійкості адресних кодів до викривлень в системах з кодовим поділом каналів.
Методами досліджень є математичний аналіз, математичне та імітаційне моделювання на ПЕОМ.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в:
·
розробці нових алгоритмів і засобів оцінювання стійкості до викривлень в каналі ансамблів адресних каналоутворюючих кодів для CDMA-систем, які дозволять отримати ефективні ансамблі.
·
отриманні нових даних про кореляційні властивості ансамблів адресних кодів.
·
отриманні нових даних про стійкість до викривлень в CDMA-каналах найбільш поширених ансамблів адресних кодів.
Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати спрямовані на:
·
формування ансамблів адресних кодів з підвищеною стійкістю до викривлень, що суттєво вплине на завадозахищеність CDMA-систем;
·
обґрунтування вибору найбільш раціональних за завадозахищеністю CDMA-систем для розвитку телекомунікацій в Україні.
Особистий внесок здобувача. Робота виконана на кафедрі засобів телекомунікацій НТУУ “КПІ”. Основні результати, отримані в роботі, опубліковані в спеціалізованій літературі.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертації було апробовано 2-ма доповідями на міжнародних конференціях [5, 6], а також на спеціалізованій науково-технічній конференції [7].
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 робіт, у тому числі 4 статті в провідних фахових виданнях ВАК України [1, 2, 3, 4].
Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 4 розділів, висновку, списку використаної літератури та 2 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 176 сторінок: 136 основного тексту, 27 рисунків, 20 таблиць та 102 бібліографічних джерел на 9 сторінках.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи. Визначено мету роботи, основні задачі та методи досліджень. Сформульовано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі проведено аналітичний огляд існуючих методів формування адресних кодів для CDMA-систем, їх ансамблів і критеріїв оцінювання їх якості.
Основна ідея телекомунікаційних технологій на основі широкосмугових сигналів базується на перетворенні вузькосмугових сигналів з шириною спектра Df в широкосмугові з шириною спектра DF при сталості енергії сигналів E. У такий спосіб в ефір випромінюють сигнал з навмисно розширеною смугою DF. Найпоширенішим способом розширення бази сигналів є пряме розширення спектру частот (direct sequence spreading). При цьому способі розширення бази сигналу вихідний вузькосмуговий сигнал множать на адресну кодову послідовність, що складається з N елементів (чипів) тривалістю Tc і має період повторення T = N ґ Tc. У цьому випадку база сигналу чисельно дорівнює кількості N елементів у періоді адресної кодової послідовності. На практиці як правило використовують двійкові адресні кодові послідовності (адресні коди).
Ансамблі цих кодів обов’язково повинні мати такі властивості:
·
кожна із послідовностей даної множини легко відрізняється від своєї зсунутої в часі копії;
·
кожна із послідовностей даної множини легко відрізняється від будь якої іншої (можливо зсунутої в часі) із цієї ж множини.
На практиці вимагається, щоб сигнали, що використовуються, були періодичними. Це обумовлено тим, що періодичність сигналів дозволяє дуже спростити апаратурну реалізацію. Тому в роботі розгляд обмежений лише періодичними сигналами. Для періодичних сигналів існує таке T, що для будь-якого сигналу із множини виконується умова x(t) = x(t + T) для всіх t.
До теперішнього часу відоме велике число ансамблів послідовностей, що можуть бути використані при формуванні ансамблю адресних кодів. Для розгляду в роботі вибрано за найбільш значущими для практичного застосування ознаками наступні види кодів:
·
М-послідовності;
·
послідовності Голда;
·
послідовності Касамі (мала та велика множини).
Характеристики ансамблю адресних кодів можуть бути додатково поліпшені шляхом застосування одного з методів оптимізації ансамблів адресних кодів.
Для оцінювання якості ансамблів кодів, найчастіше використовують такі критерії:
·
значення кореляційних функцій (авто і взаємних, парних і непарних);
·
середнє значення відношення “сигнал/шум” на виході демодулятора приймача (SNR).
Методи аналізу ансамблів адресних кодів за допомогою кореляційних функцій не є достатньо проробленими, оскільки взагалі існує велика кількість реалізацій в 4 різновидах кореляційних функцій, що мають різний вклад в загальну стійкість до перешкод ансамблю адресних кодів.
Існуючий метод аналізу за допомогою визначення сигнал/шум на виході асинхронного приймача не враховують особливостей викривлень в CDMA-каналі і тому може давати невірний результат.
Тому ставиться задача розробки методики дослідження якості ансамблів адресних кодів. Основні вимоги до цієї методики визначаються так:
·
можливість отримання для кожного виду кодів характеристики спектру значень кореляційної функції на множині реалізацій операції попарного порівняння кодів з урахуванням їхнього взаємного циклічного зсуву;
·
можливість оцінювання впливу каналу на кореляційні властивості кодів та їхньої стійкості до викривлень в каналі.
Для розв’язання задачі аналізу стійкості до викривлень ансамблів адресних кодів з урахуванням CDMA-каналу необхідно більш детально проробити задачу про модель CDMA-каналу і існуючи методики аналізу.
У другому розділі досліджено кореляційні властивості окремих адресних кодів і їх ансамблів. Для цього було використано поняття спектру значень кореляційної функції, яке дозволило істотно зменшити розмірність задачі аналізу авто- і взаємнокореляційних властивостей псевдовипадкових послідовностей (адресних кодів). Кореляційний спектр - це гістограма, що відображає число значень аргументу l, 0 Ј l < N, при яких кореляційна функція для пари послідовностей u і v приймає дане значення. Розроблено методику отримання кореляційного спектру адресних кодів і її застосування для формування ансамблів кодів із підвищеною ступінню їх розрізнення. Приклад розрахованого спектру зображено на рис. 1. В такому вигляді, аналіз присутній у деяких авторів.
Для підвищення інформативності, автором висунуто і математично перевірено гіпотезу про те, що закон розподілу значень кореляційних функцій кодів, близький до нормального. Такий висновок дозволив запропонувати показник для оцінювання взаємного розрізнення кодів - середньоквадратичне відхилення від нульового значення s[q]. За цим показником виконано дослідження 5-ти відомих методів оптимізації формування ансамблю адресних кодів із застосуванням вказаного показника і встановлено наступне:
1. Значення s[q] парних авто- і взаємнокореляційних функцій не змінюються при зміні методів оптимізації. Але зміна методів оптимізації суттєво впливає на аналогічне значення непарних кореляційних функцій, причому в більшій мірі на АКФ (30-40%).
Рис.1 - Cпектр непарної взаємнокореляційної функції послідовності Голда
2. Відсутня пряма кореляція між результатами застосування того чи іншого методу оптимізації до АКФ і ВКФ. Тому, враховуючи велику значущість ВКФ для вирішення задачі підвищення ступені розрізнення кодів слід орієнтуватися на показники для ВКФ і обирати той метод оптимізації, за якого значення показника мінімальне.
Внаслідок багатовимірності кореляційні характеристики ансамблів адресних кодів не є сталою величиною і можуть дещо змінюватися в залежності від початкових умов формування. Дослідження різних джерел показало, що існує декілька підходів до побудови ансамблю адресних кодів, які дозволяють однозначно визначити ансамбль адресних кодів.
На основі аналізу існуючих методів формування запропоновано оригінальний метод за критерієм кросоптимального вибору. Оскільки мета методів оптимізації полягає в тому, щоб із існуючого ансамблю адресних кодів утворити новий з поліпшеними властивостями, то має сенс відкинути зайві, з точки зору кореляційних властивостей послідовності.
Розроблений метод складається з наступних кроків:
1-й крок: визначення автооптимальних фаз (тобто початкових циклічних зсувів адресних послідовностей за яких автокореляційна функція приймає мінімальне значення);
2-й крок: визначення максимального значення функції взаємної непарної кореляції даної послідовності з іншими послідовностями ансамблю для кожної автооптимальної фази;
3-й крок: якщо отримане значення більше заданого, то послідовність виключалася з подальшого розгляду;
4-й крок: повторення етапів 2-3 для різних рівнів максимального значення ВКФ.
Оскільки розроблений автором метод спирається на відкидання “поганих” пар послідовностей, то він має переваги за кореляційними властивостями, що було доведено аналізом кореляційних характеристик за допомогою раніше розробленої методики.
У третьому розділі проведено ґрунтовний аналіз каналу системи з кодовим поділом каналів (під каналом зв’язку у даній роботі розуміється сукупність цифрового модулятора, середовища розповсюдження і цифрового демодулятора) з метою розробки методики оцінки якості адресних кодів. Нажаль існуючі методики аналізу дозволяють провести аналіз лише в ідеалізованому випадку, тобто або без помилок, або з наявністю тільки АБГШ і без урахування неортогональності адресних кодів. Наявність в реальних системах складного характеру шуму (завмирання і т.ін.), а також комплексного характеру переданого сигналу примушують більш ґрунтовно підходити до моделювання системи, оскільки у цьому випадку відбуваються складні взаємодії, що мають наслідки для ефективності систем і які не можуть бути прогнозовані лише на основі показників сигнал/шум, кількість користувачів і довжина коду.
Однією з основних задач даної роботи є визначення стійкості ансамблів адресних каналоутворюючих кодів до викривлень у каналі зв’язку. Для рішення даної задачі було по-перше розроблено модель каналу CDMA, що в враховує основні фактори впливу на інформаційний сигнал при передачі по фізичному каналу зв’язку, по-друге, розроблено модель CDMA-системи на її основі, що також додатково враховує і особливості роботи абонентів в мережі, а по-третє - визначено параметр, за яким повинна здійснюватися оцінка каналоутворюючих кодів.
У мобільних засобах стільникового зв'язку канал зв’язку як фізичне середовище поширення радіохвиль має свою специфіку:
·
зони дії стільникового зв'язку - міста і передмістя - райони з тією чи іншою щільністю забудови;
·
мобільні станції, як правило, знаходиться поза зоною прямої радіовидимості базових станцій, і сигнали в місце прийому надходять внаслідок перевідбиття і дифракції;
· пересування мобільних абонентів під час сеансу зв'язку вносить у сигнали доплеровські частотні зсуви;
·
наявність великої кількості відбивачів в каналі зв’язку приводить до ефекту розсіювання електромагнітних хвиль і багатопроменевому поширенню;
·
мобільна станція приймає безліч інтерферуючих сигналів - копій;
·
в каналі наявні частотно-селективні завмирання.
·
Найбільш адекватною для моделювання каналу CDMA-системи є адаптована модель, створена з використанням рекомендації ITU-R.M.1225. Адаптацію виконано по таких позиціях:
·
У фізичній моделі розповсюдження сигналу враховано колективну роботу з іншими користувачами системи.
· Враховано наявність сусідніх стільників, що працюють в тій самій частотній смузі. У випадку ідеалізованої системи, на прийнятий сигнал суттєво впливають одинадцять сусідніх стільників.
Відповідну схему стільникової мережі зображено на рис. 2.
Рис. 2 - Структура стільникової мережі
Оскільки найгірші властивості з точки зору завадозахищеності має канал “вниз”, то при розрахунках стійкості каналоутворюючих кодів до викривлень в каналі, всі розрахунки проводяться для цього каналу.
Для оцінювання стійкості каналоутворюючих кодів до викривлень в каналі використано значення “сигнал/шум” на виході корелятора, завдяки чому неважко розрахувати ймовірність помилки при прийнятті окремого символу для конкретної реалізації системи.
Відношення сигнал/шум на виході корелятора:
, (1)
де і визначаються:
- корисний сигнал на виході демодулятора:
; (2)
- сигнал, що заважає (інтерференція за рахунок інших каналів):
. (3)
де - груповий сигнал і-ї БС на вході МС, Rct - радіус стільника; g(t) - випадкова величина, що в залежності від типу каналу має або доплеровську або плоску функцію щільності розподілу, tj - затримки у відводах регістру зсуву що визначається рекомендацією ITU-R.M-1225. Ці параметри залежать від типу каналу, рухомості абонента, а також місцевості, тощо.
У четвертому розділі розроблено методику аналізу стійкості до викривлень в CDMA-каналі ансамблів адресних кодових послідовностей. Головною метою розробленої методики, є визначення стійкості до викривлень в каналі ансамблів адресних кодів з урахуванням колективної роботи в системі багатьох абонентів і сусідніх стільників.
Повний аналіз ефективності мереж стільникового зв’язку із CDMA складається із обчислення ряду показників:
·
NBS - кількість БС, що потрібні для обслуговування в місті заданого числа абонентів із заданою якістю обслуговування;
·
Rct, км - радіус стільника;
·
Вхідними даними для такого аналізу слугують наступні дані:
·
ансамбль кодових адресних послідовностей;
·
Na - кількість абонентів, що обслуговує мережа;
·
S, км2 - площа території, на якій ця мережа розгорнута;
·
M - число секторів в одному стільнику;
·
Z1, Ерл - телефонне навантаження, що утворює один абонент (для мереж стільникового зв’язку як правило Z1 = 0.01);
·
·
pa - припустима ймовірність блокування виклику (зазвичай використовують pa=0.1);
·
PMC, дБВт - чутливість приймача БС;
·
Binf - інформаційна швидкість.
·
тип рухомості (швидкорухомий, пішохід, стаціонарний);
·
тип місцевості (пікостільник, мікростільник, макростільник);
· тип каналу.
В методиці використовується розроблена в попередньому розділі математична модель CDMA-каналу, що включає вираз (1) - оцінку значення “сигнал/шум” в каналі, (2) - оцінка величини корисного сигналу на виході приймача ФМ-4 (корелятора), (3) - оцінка величини шумів неортогональності на виході корелятора приймача за рахунок колективної роботи в системі, а також вирази для визначення величини загасання сигналу в каналі, при проходженні від передавача до приймача (згідно ITU-R.M-1225).
Розроблена методика аналізу стійкості адресних кодів до викривлень в каналі передбачає послідовне виконання таких кроків:
1) За формулою Ерланга розраховується кількість абонентів, що може бути обслужена кількістю каналів K.
. (4)
2) Виходячи із щільності абонентів для конкретної місцевості, розраховується площа, яку може обслужити кількість каналів K (площа стільника).
. (5)
3) Розраховуємо радіус стільника:
. (6)
4) Відповідно до типу місцевості, розраховується загасання сигналу на трасі
5) Згідно із виразом (1) робиться оцінка значення “сигнал/шум” в каналі для показників:
·
ансамбль кодових адресних послідовностей;
·
M - число секторів в одному стільнику;
· Binf - інформаційна швидкість.
·
тип рухомості (швидкорухомий, пішохід, стаціонарний);
·
тип місцевості (пікостільник, мікростільник, макростільник);
·
тип каналу (А або В).
·
·
6) Якщо не досягнуто критичного значення SNR0 = 7дБ і є ще адресні коди в ансамблі кроки 1-5 повторюються.
·
Розрахунки проводяться ітераційним методом, за допомогою послідовного перебору кількості каналів в стільнику. Розрахунок починається для K=1 і закінчується при досяганні порогового рівня SNR0 = 7дБ .
·
Алгоритм методу зображено на рис. 3. Приклад розрахунку зображено на рис. 4.
·
Засобом аналізу адресних кодів є програмний комплекс, що реалізує розроблені алгоритми. Він складається з набору окремих функцій та процедур, що написані на мові математичних обчислень високого рівня MatLab (Octave). Кожна із процедур є окремим модулем, що може бути використана окремо від інших. Результати роботи зберігаються в регістрах пам’яті і можуть бути записані на жорсткий диск для подальшого використання.
·
Усі модулі можна розділити на такі категорії:
·
формування адресних кодів;
·
формування ансамблів адресних кодів;
· визначення кореляційних показників ансамблів адресних кодів;
·
визначення стійкості до викривлень в каналі ансамблів адресних кодів.
·
Залежності, одна із яких зображена на рис. 4, отримані на кількості реалізацій близько 10000, звідки випливає, що для оцінювання стійкості адресних кодів до викривлень в CDMA-каналі можливе використання регресійного аналізу. За допомогою регресійного аналізу було проведено підвищення інформативності показника стійкості ансамблю адресних кодів до викривлень в CDMA-каналі. Встановлено, що наявний зворотній тренд:
, (7)
де b0 та b1 - невідомі показники регресійної моделі (визначаються за допомогою однокрокового методу найменших квадратів), e - помилка.
Оскільки, при R ® µ і 1/R ® 0, то показник b0 (дБ) моделі - це границя, до якої прямує SNR0 при зростанні радіусу стільника (кількості каналів, оскільки радіус стільника є прямою функцією від кількості каналів, щільності абонентів і параметрів якості обслуговування). Показник b1 (дБ/м) відображає затримку зменшення SNR0 при зростанні радіусу стільника, або завадостійкість ансамблів при невеликій кількості каналів. Таким чином величина b1 відповідає за завадостійкість ансамблю при малій кількості каналів, а b0 - при великій.
Рис. 3 - Алгоритм методики визначення стійкості адресних кодів до викривлень в каналі CDMA-системи.
Рис. 4 - Розрахована залежність значення “сигнал/завада” від радіуса стільника.
Для наочності отримані результати зображено на графіку. В якості вісей оберемо показники регресійної моделі. Графік зображено на рис. 5.
Кожна точка на цьому графіку відображає одну із комбінацій типу адресного коду, ступеню поліному, виду оптимізації, виду каналу, типу рухомості, тощо.
Рис. 5 - Групування значень параметрів рівняння регресійної моделі
для ступеня поліному 6.
Як видно із графіка рис. 5 має місце групування коефіцієнтів регресії і цей ефект може бути використано для характеристики окремих ансамблів двома показниками кінцевих значень. Таким же підходом можна підійти до оцінки того чи іншого методу оптимізації . Таке дослідження проведене і результати зображено на рис. 6, з якого витікає, що запропонований метод AO/COS має одни з найкращіх властивостей, оскільки забезпечує більше значення сигнал/шум порівняно з іншими.
Рис. 6 - Групування значень параметрів рівняння регресійної моделі для кодів Голда ступеня поліному 6 .
Із отриманих даних можна зробити такі висновки:
·
Наявне значне групування значень параметрів рівняння регресійної моделі в залежності від типу адресного коду;
·
Мала множина Касамі має переваги на великій кількості каналів в стільнику. Перевага цього типу адресних кодів на зазначеному використанні досягає 5 дБ. Однак, потенційно невеликий ансамбль не дозволяє використовувати її в даному аспекті.
·
Послідовності Голда мають переваги на малій кількості каналів в стільнику. Перевага цього типу адресних кодів при зазначеному використанні може досягати 10 - 20 дБ.
· Основна перевага великої множини Касамі - можливість формування великого за об’ємом ансамблю.
·
Найгірші характеристики завадостійкості має метод оптимізації MSE/AO. Очевидно, що його гарні властивості, визначені за методикою описаною в главі 2 визначаються лише пристосованістю до даної методики.
·
Найкращі властивості мають AO/COS і AO/LSE методи. На великій кількості каналів, ця перевага досягає 3 дБ. На малій - 10 дБ. При цьому метод AO/COS має перевагу над AO/LSE в 5 дБ на невеликій кількості каналів.
Отримані результати показують, що в цілому ансамблі, сформовані за методом АО/COS, мають один з найкращих серед інших методів, а в багатьох випадках вони мають перевагу над іншими у 1-3 дБ. Враховуючи дуже велику завантаженість радіочастотного спектру, особливо у місті, використання цих ансамблів дозволяє збільшити кількість каналів без додаткових витрат.
Висновки
В дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача розробки алгоритмів та засобів для оцінювання стійкості ансамблів адресних кодів до викривлень в каналі. Вирішення цієї проблеми має важливе значення у галузі зв'язку, яке сприяє підвищенню ефективності систем на основі CDMA та покращенню якості зв'язку.
Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:
1. На основі аналізу існуючих методів формування і оптимізації ансамблів адресних кодів за різними критеріями, та результатів досліджень завадозахисних властивостей ансамблів адресних кодів, сформованих цими методами за допомогою функції кореляції, розроблено метод і відповідний алгоритм аналізу кореляційних властивостей адресних кодів. Отримано конкретні дані у відношенні кореляційних властивостей адресних кодів під “планкою” їх максимальних значень і розподіл по кількості реалізацій, які дозволяють оптимізувати склад ансамблів адресних кодів.
2. Встановлено і статистично підтверджено, що функція розподілу ймовірностей появи максимальних значень кореляційної функції ансамблів адресних кодів підкорюється квазінормальному закону розподілу з нульовим середнім. Такий підхід дозволяє охарактеризувати будь-який ансамбль адресних кодових параметрів лише чотирма параметрами - середньоквадратичними відхиленнями розподілу парних і непарних кореляційних функцій, що дозволяє змінити підхід до оцінки в бік підвищення інформативності параметрів. За допомогою цих показників, було проаналізовано 4 найбільш поширені типи адресних кодів.
3. Розроблено новий підхід до формування ансамблів адресних кодів, що базується на апараті оптимізації в який автором було внесено особистий внесок розробкою одного з підходів. Розроблено оригінальний метод і алгоритм оптимізації адресних кодових послідовностей за критерієм завадостійкості (АО/COS). Встановлено, що ансамблі, сформовані за методом АО/COS, мають одні з найкращих серед інших методів характеристики, а в багатьох випадках вони мають перевагу над іншими. Враховуючи дуже велику завантаженість радіочастотного спектру, особливо у місті, використання цих ансамблів дозволяє поліпшити електромагнітну сумісність з іншими засобами зв'язку.
4. Проаналізовано існуючі методики аналізу стійкості адресних кодів до викривлень в каналі. Встановлено, що головним недоліком цих методик є те, що вони або не враховують наявність шумів неортогональності, або не враховують особливостей CDMA-каналу (багатопроменевість, швидкі завмирання, наявність сусідніх стільників, тощо).
5. Теоретично обґрунтовано і в подальшому експериментально застосовано модель CDMA-каналу, яка адекватна особливостям CDMA-систем і дозволяє досліджувати проходження через неї адресних кодів. В її основу було покладено математичну модель фізичного середовища розповсюдження згідно із рекомендацій ITU. Адаптацію моделі виконано по таких позиціях:
1) Враховано викривлення, що виникають внаслідок колективної роботи в каналі з іншими користувачами системи.
2) Враховано наявність сусідніх стільників, що працюють в тій самій частотній смузі. Показано, що у випадку ідеалізованої системи, на прийнятий сигнал суттєво впливають одинадцять сусідніх стільників.
В такій постановці задача формування каналу була відсутня. Ця модель дозволила математично описати CDMA-канал і була покладена в основу методики.
6. На основі моделі CDMA-каналу розроблено науково обґрунтовану методику і відповідний алгоритм чисельного аналізу стійкості до викривлень в каналі зв'язку адресних кодових послідовностей з урахуванням основних факторів, що впливають на переданий сигнал. Головними особливостями даної методики є те, що в ній враховані:
·
швидкі завмирання в каналі;
·
повільні завмирання в каналі;
·
наявність шумів неортогональності за рахунок абонентів, що працюють в тому самому частотному діапазоні;
·
·
трафік, що утворюють окремі абоненти;
·
параметри якості з’єднання;
7. За допомогою розробленої методики виконано порівняльний аналіз різних типів ансамблів адресних кодів і різних методів оптимізації. Встановлено, що шляхом правильного вибору ансамблю адресних кодів можна досягти підвищення завадостійкості ансамблю на 1-3 дБ.
8. Створено засоби для аналізу адресних кодів у вигляді програмних модулів на мові високого рівня Matlab, які реалізують зазначені вище методи, методики і алгоритми. Всі розроблені модулі скомпоновано в єдиний програмний комплекс, що дозволяє проаналізувати будь-який ансамбль періодичних двійкових адресних кодових послідовностей і зробити порівняльний аналіз з іншими ансамблями послідовностей.
Список опублікованих праць за темою дисертації
Лебедєв О.М, Поляков І.Л. Вплив зсувів адресних кодів на їх кореляційні властивості. // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, №6, 2001.
Особиста участь здобувача: розробка методу розрахунку кореляційних характеристик ансамблів адресних кодів, проведено розрахунок характеристик, обробка результатів експерименту.
Вакась В.И., Поляков И.Л. Синхронизация в CDMA-сетях // РАДИОТЕХНИКА // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник. Тематический выпуск “Проблеммы телекоммуникаций”, г.Харьков, №133, 2003, с. 190-197.
Особиста участь здобувача: розробка методу розрахунку характеристик стійкості ансамблів адресних кодів до розсинхронізації, проведення машинного експерименту, обробка результатів експерименту.
Поляков І.Л. Методи формування адресних кодових ансамблів // Науково-технічна інформація, УкрІНТЕІ, м.Київ, 2003 р, с. 44-47.
Поляков І.Л. Вплив викривлень на кореляційні властивості адресних кодів. // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, №1, 2003.
Лебедев О.Н., Поляков И.Л. Свойства составных последовательностей Касами для широкополосных сигналов // 10-я Международная конференция “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” CriMiCo, Севастополь, 2000 г.
Особиста участь здобувача: розробка методу розрахунку кореляційних характеристик ансамблів адресних кодів, проведено розрахунок характеристик, обробка результатів експерименту.
Лебедев О.Н., Поляков И.Л. К формированию ансамбля кодовых последовательностей для широкополосных сигналов. // 11-я Международная конференция “СВЧ техника и телекоммуникационные технологии” CriMiCo, Севастополь, 2001 г.
Особиста участь здобувача: розроблено оригінальний метод формування ансамблів адресних кодів, рахунок характеристик, участь у експерименті, обробка результатів експерименту.
Лебедев О.Н., Поляков И.Л., Олейник И.С. Адресные коды для CDMA систем. // Юбилейная научно-практическая конференция "Современные и будущие информационные технологии Украины" Киев,15-17 марта 2000.
Особиста участь здобувача: проведено розрахунок характеристик, рахунок характеристик, участь у експерименті, обробка результатів експерименту.
Анотації
Поляков І.Л. Оцінювання завадостійкості ансамблів адресних кодів для CDMA-систем. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидату технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Національний Технічний Університет України “КПІ” Інститут Телекомунікаційних Систем, Київ, 2004.
Дисертаційна робота присвячена розробці методів оцінювання якості ансамблів каналоутворюючих адресних кодових послідовностей для CDMA-систем. В дисертації розроблені та досліджені нові методики чисельного аналізу стійкості адресних кодових послідовностей до викривлень в каналі зв’язку.
Основна відмінність запропонованої методики від відомих полягає у включенні в розгляд всіх важливих факторів, що впливають на переданий сигнал в каналі зв’язку, а також особливостей ансамблів адресних кодових послідовностей. Запропонована методика дозволяє обґрунтувати вибір найбільш раціональних за завадозахищеністю CDMA- систем для розвитку телекомунікацій в Україні. За розробленою методикою створений програмний комплекс і проведене дослідження стійкості найбільш розповсюджених ансамблів адресних кодових послідовностей до викривлень у каналі.
Ключові слова: системи з кодовим поділом каналів, CDMA-системи, адресні каналоутворюючі коди, стійкість кодів до викривлень в каналі, алгоритми та засоби оцінювання адресних кодів.
Поляков И.Л. Оценка помехоустойчивости ансамблей адресных кодов для CDMA-систем. - Рукопись.
Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Национальный Технический Университет Украины “КПИ” Институт Телекоммуникационных Систем, Киев, 2004.
Диссертационная работа посвящена разработке методов оценивания качества ансамблей каналообразующих адресных кодовых последовательностей для CDMA-систем. На основе анализа существующих методов формирования и оптимизации ансамблей адресных кодов по разным критериям, был разработан метод и соответствующий алгоритм анализа корреляционных свойств адресных кодов. Установлено и статистически подтверждено то, что функция распределения вероятностей появления максимальных значений корреляционной функции ансамблей адресных кодов подчиняется квазинормальному закону распределения с нулевым средним. Такой подход позволяет охарактеризовать любой ансамбль адресных кодовых параметров лишь четырьмя параметрами - среднеквадратичными отклонениями распределения парных и непарных корреляционных функций, которые позволяют изменить подход к оценке в сторону повышения информативности параметров.
Поскольку анализ существующих методик определения стойкости адресных кодов к искривлениям в канале показал, что главным недостатком этих методик является то, что они или не учитывают наличие шумов неортогональности, либо не учитывают особенностей CDMA-канала (многолучевость, быстрые замирания, наличие соседних сот, и т.п.), то была разработана модель CDMA-канала, свободная от этих недостатков. В ее основу была положена математическая модель физической среды распространения в соответствии с рекомендациями ITU.
На основе модели CDMA-канала разработана научно обоснованная методика и соответствующий алгоритм численного анализа стойкости к искривлениям в канале связи адресных кодовых последовательностей с учетом основных факторов, которые влияют на переданный сигнал.
Предложенная методика позволяет обосновать выбор наиболее рациональных по помехоустойчивости CDMA-систем для развития телекоммуникаций в Украине. На основе данной методики разработан программный комплекс и проведено исследование стойкости наиболее распространенных ансамблей адресных кодов к искривлениям в канале.
Ключевые слова: системы с кодовым разделением каналов, CDMA-системы, адресные каналообразующие коды, стойкость кодов к искривлениям в канале, алгоритмы и средства оценивания адресных кодов.
Polyakov I. Estimation of a noise stability ensembles of address codes for CDMA-systems. - Manuscript.
The dissertation on competition of scientific degree of Cand.Tech.Sci on speciality 05.12.02 - Telecommunication systems and networks. - National Technical Univesity of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2004.
Dissertational work is devoted to development of methods of an estimation of quality of ensembles address code sequences for CDMA-systems. In the dissertation new techniques of the numerical analysis of stability of address code sequences to distortions in a channel are developed and investigated. The basic difference of the offered technique from known will consist in inclusion in consideration of all important factors which influence the transferred signal in a liaison channel, and also features of ensembles of address code sequences. The offered technique allows to prove a choice of the most rational on a noise stability of CDMA-systems for development of telecommunications in Ukraine. On the basis of the developed technique the program complex is developed and research the stability of the most widespread ensembles of address codes to distortions in the channel is lead.
Keywords: Code Division Multiple Access, communication channel, code optimization, address code sequences
