Исследование и разработка алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных шумоподобных сигналов в абонентских терминалах спутниковых систем мобильной связи с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования

Важная роль в системах мобильной связи (CMC) третьего поколения (3G) отводится спутниковым CMC, предназначенным для предоставления широкого спектра услуг (голосовые услуги, услуги мультимедиа, мобильный доступ к сети Интернет, услуги позиционирования и т. д.) подвижным пользователям (естественно, что и пользователям фиксированных систем связи) в заданной зоне действия и практически в реальном времени. Различные группы подвижных пользователей (воздушных, морских, наземных и т. п.) предъявляют высокие требования к качеству функционирования спутниковых CMC и, прежде всего к таким характеристикам как точность (достоверность), помехоустойчивость, оперативность (пропускная способность) и надежность связи [1, 3, 9, 10, 12, 13]. Особое место в теории и практике спутниковых CMC занимают системы, которые основаны на технологиях CDMA, WCDMA и им подобных, что обусловлено преимуществами шумоподобных сигналов (111ПС) и метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) по помехоустойчивости и скрытности связи, качеству функционирования систем в условиях многолучевости и др.

Потребности жизни, а также конкуренция вынуждают операторов спутниковых CMC настойчиво бороться за расширение номенклатуры предоставляемых услуг, среди которых важное место занимают услуги, связанные с определением местоположения пользователей (например, система Globalstar) [10, 14, 29, 31]. В то же время качество позиционирования (прежде всего его точность) абонентских терминалов (AT) спутниковых CMC при использовании только собственных радиосигналов в большинстве случаев не удовлетворяет предъявляемым на сегодняшний день требованиям. Выход из сложившейся ситуации возможен путем привлечения (в той или иной мере) среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типов ГЛОНАСС (Россия) или GPS (США) [8, 10,14,15, 29] и создания на этой основе единых многофункциональных интегрированных AT (МИАТ), которые способны выполнять телекоммуникационные функции и функции позиционирования [10,29,72].

Для различных групп подвижных пользователей многие факторы реальных условий функционирования (усложнение электромагнитной обстановки, наличие помех естественного и искусственного происхождения, многолучевость, рост числа активных абонентов, вероятность затенения видимых космических аппаратов (КА), наличие перерывов в слежении за ними, особенности распространения радиоволн в городских районах, туннелях, горах, на границах суша-вода и т. д.) заметно снижают качество работы спутниковых CMC, приводя к тому, что они не удовлетворяют предъявляемым требованиям по точности, помехоустойчивости и т. д. [16,24,26].

Для того чтобы парировать негативные воздействия особенностей применения и довести качество функционирования радиосвязи спутниковых CMC с кодовым разделением каналов до уровня современных требований, целесообразно выполнять AT в виде многоканальных приемо-обрабатывающих устройств с автономным контролем целостности (RAIM-технология), способных за счет использования информационной избыточности (например, дополнительных КА сверх минимально необходимых) изменять свою структуру (варьировать каналы приема и их количество) практически в реальном времени согласно текущим условиям.

По принципу действия современные AT должны выполнять следующие функции: различения (в простейшем случае — обнаружения) принимаемых полезных радиосигналов по энергетическому уровню применительно к каждому каналу, исключения слабых (непригодных) парциальных сигналов из обработки и лишь последующего оценивания информационных и сопутствующих процессов.

В связи с вышеизложенным исследование и разработка алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных ШПС в AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования, удовлетворяющих предъявляемым требованиям по качеству функционирования в реальных условиях применительно к различным группам подвижных пользователей, является актуальной задачей для развития спутниковых систем подвижной связи нового поколения.

Цель диссертации заключается в повышении качества функционирования (точности, помехоустойчивости, целостности) AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС путем оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и комплексной первичной обработки ШПС при наличии информационной избыточности (дополнительные КА, наличие автономных измерителей скорости).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: — выбор и обоснование методов и критериев оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки сигналов спутниковых CMC, СРНС и автономных измерителей скорости;

— разработка математических моделей (ММ) сигналов, помех, информационных и сопутствующих параметров;

— решение «собственно» задачи синтеза алгоритмов приема и совместной обработки дискретно-непрерывных ШПС в AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования (получение уравнений для оптимальных и субоптимальных оценок компонент векторного дискретно-непрерывного процесса (ДНП));

— разработка и обоснование субоптимальных структурных схем МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС и автономными измерителями скорости;

— оценка качества функционирования (точности, помехоустойчивости и целостности) МИАТ и выработка практических рекомендаций по их применению.

Для решения поставленных задач исследования были использованы положения теории марковских процессов и марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, теории вероятностей и случайных процессов, теории сложных сигналов, методы математической статистики, автоматического управления и вычислительной математики.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели принимаемых ШПС и помех на входе МИАТ (а также сигналов автономных измерителей скорости) для спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования. Такие ММ достаточно полно отражают реальные условия функционирования спутниковых CMC, СРНС и автономных измерителей скорости с учетом таких особенностей как: фазовая манипуляция ШПС, наличие дискретных информационного и энергетического параметров, запаздывание радиосигналов, относительное перемещение AT и КА, наличие эффекта Доплера, многолучевость, наблюдение сигналов инерциальной навигационной системы (ИНС) на фоне окрашенных (небелых) шумов и т. п.

2. Получены на базе марковской теории оптимального оценивания случайных процессов (применительно к некомплексной и комплексной оптимальной нелинейной обработке наблюдений) аналитические выражения:

— для апостериорных смешанных распределений (АСР) векторного ДНП, у которого дискретная часть — двухкомпонентный вектор в виде цепей Маркова, а непрерывная — многомерный диффузионный марковский процесс;

— для условных апостериорных вероятностей (АВ) дискретных компонент ДНП;

— для апостериорной плотности вероятности (АПВ) выборки непрерывных компонент ДНП.

Полученные выражения позволяют в принципе всегда в соответствии с выбранным критерием получить общие соотношения для оптимальных оценок дискретных и непрерывных компонент таких ДНП.

3. Синтезированы оптимальные (субоптимальные) реконфигурируемые, помехоустойчивые (в частности, благодаря информационной избыточности и автономному контролю целостности (АКЦ)) алгоритмы с обратными связями по дискретным параметрам (для случаев некомплексной и комплексной обработки наблюдений) применительно к МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и с возможностью позиционирования СРНС, а также сигналов от автономных измерителей скорости. При этом предусматривается совместная обработка радиосигналов CMC.

4. Разработаны на основе синтезированных алгоритмов структурные схемы субоптимальной системы КОИ в МИАТ спутниковой CMC с кодовым разделением каналов и возможностью позиционирования, которые реализуют потакговую двухэтапную обработку принимаемых ШПС от всех одновременно видимых в данный момент СКА и НКА (концепция all-in view) в случаях некомплексной и комплексной обработки наблюдений. Использование в предлагаемых алгоритмах и структурных схемах информационной избыточности и АКЦ является существенным фактором повышения точности и помехоустойчивости МИАТ, особенно в условиях, когда имеет место работа с ограниченными созвездиями СКА или НКА, большое значение геометрического фактора или сложная помеховая обстановка.

5. Разработаны: методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных дискретных параметров в зависимости от отношения сигнал/шум на входе приемника, от коэффициента глубины AM и от точности фильтрации фазы;

— методика расчета потенциальных характеристик точности позиционирования МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов для случаев некомплексной и комплексной обработки ШПС от всех одновременно видимых СКА и НКА при различных вариантах конфигурации созвездий и разных условиях функционирования.

6. Рассчитаны характеристики точности и помехоустойчивости субоптимальных МИАТ (вычислены вероятности ошибочного приема дискретных информационного и энергетического параметров и апостериорные дисперсии случайной фазы) и характеристики точности позиционирования пользователей для различных условий функционирования (в зависимости от отношения сигнал/шум, количества одновременно видимых СКА и НКА и т. п.).

Практическая значимость работы.

Полученные в диссертации результаты (алгоритмы, структурные схемы и количественные характеристики) позволяют осуществить практическую разработку многофункциональных интегрированных AT для спутниковых CMC с кодовым разделением каналов (при их объединении с СРНС) нового поколения, которые как по номенклатуре услуг (в том числе и позиционирования), так и по качеству их предоставления различным группам подвижных пользователей (воздушных, морских, наземных и т. д.) удовлетворяют предъявляемым требованиям в реальных условиях применения.

Результаты диссертационной работы могут быть также использованы при разработке технических требований к спутниковым CMC с кодовым разделением каналов.

Внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации использованы в научно-производственной деятельности ЦНИИС и НИИР, а также в учебном процессе МТУСИ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на на 6-й Международной конференции DSPA-2004 «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 31 марта-2 апреля 2004 г.) — на XII Международной конференции «Мобильный бизнес: проблемы и решения» (г. Жуан-ле-Пен, Франция, 18−25 мая 2003 г.), Первом Российском конгрессе CDMA-450 (г. Москва, 1−2 декабря 2004 г.) а также на научно-технических конференциях ЦНИИС и МТУСИ в 2001;2004 гг.

Публикации результатов.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях в виде 7 статей (в том числе в журналах «Радиотехника и электроника» и «Радиотехника» [54, 65, 74, 82, 88, 91] и одной коллективной монографии [90], стр. 4459, 466−503.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 193 страницах, содержит 32 рисунка, список литературы состоит из 95 наименований. Кроме того, содержит 8 приложений на 36 страницах.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Показано, что в настоящее время перспективным направлением создания и внедрения в практику нового поколения спутниковых CMC с кодовым разделением каналов, удовлетворяющих требованиям по составу услуг (в том числе высокоточного позиционирования) и обеспечивающих их предоставление с показателями не хуже, чем в современных цифровых сетях стационарной связи, является разработка в соответствии с концепцией all-in view многофункциональных интегрированных AT на основе оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и совместной обработки ШПС в подобных спутниковых CMC при их комплексировании (в той или иной степени) со среднеорбитальными СРНС, а также при необходимости с автономными измерителями скорости. Такие МИАТ с автономным контролем целостности по принципу действия должны выполнять функции различения (обнаружения) принимаемых радиосигналов от всех одновременно видимых КА по энергетическому уровнюисключения слабых сигналов из дальнейшей обработки, реконфигурируя свою структуру в реальном времени, и последующего субоптимального оценивания информационных и сопутствующих параметров.

2. Установлено, что требуемое качество позиционирования AT спутниковых CMC (точность, помехоустойчивость, целостность, достоверность, оперативность и т. д.) во многих случаях не может бьггь обеспечено на основе приема и обработки только лишь их собственных радиосигналов. Повышение качества позиционирования до требуемого на сегодняшний день уровня может быть достигнуто путем интеграции спутниковых CMC и среднеорбитальных СРНС. Глубина интеграции телекоммуникационного и навигационного сегментов в таком МИАТ в зависимости от его назначения, группы подвижных пользователей (воздушные, морские, наземные и т. д.), решаемых задач (маршрутизация движения, потребность в электронной карте и т. п.) и предъявляемых требований различна: от простого комбинирования и до применения КОИ на вторичном и первичном уровнях. Наибольшего выигрыша в качестве позиционирования МИАТ удается достичь при комплексировании в его составе связного и навигационного оборудования на уровне первичной обработки информации.

3. В качестве математического аппарата использованного при синтезе для оптимизации алгоритмов приема и совместной обработки радиосигналов выбраны методы марковской теории оптимального оценивания случайных процессов, в частности, методы поэтапного решения уравнения Стратоновича и гауссовской аппроксимации АПВ оцениваемых процессов, которые позволяют корректно учесть реальные условия функционирования в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и в то же время получить субоптимальные алгоритмы приемлемой вычислительной сложности, которые достаточно просто реализуемы на практике.

4. Разработаны математические модели дискретно-непрерывных ШПС и помех на входе МИАТ, информационных и сопутствующих параметров, которые позволяют с требуемой детальностью осуществить постановку задачи синтеза алгоритмов КОИ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов, при этом учитывая такие особенности функционирования систем как: фазовая манипуляция ШПС, наличие дискретных информационного и энергетического параметров, относительное перемещение пользователя и КА, запаздывание радиосигналов, наличие эффекта Доплера и широкополосных флуктуационных помех, многолучевость и т. п.

5. Получены на базе марковской теории оптимального оценивания случайных процессов применительно к случаям некомплексной и комплексной обработки наблюдений аналитические выражения: для АПВ и АСР векторного марковского ДНП, у которого дискретная часть — двухкомпонентный вектор в виде цепей Маркова, а непрерывнаямногомерный диффузионный марковский процессдля условных АВ дискретных компонент векторного марковского ДНПдля АПВ непрерывных компонент (или их выборки) векторного марковского ДНП.

Полученные выражения в принципе позволяют всегда в соответствии с выбранным критерием найти общие выражения для оптимальных оценок компонент векторного марковского ДНП.

6. Синтезированы на основе методов марковской теории оптимального оценивания применительно к некомплексной и комплексной обработке наблюдений оптимальные и субоптимальные реконфигурируемые помехоустойчивые (в частности, благодаря АКЦ) алгоритмы с обратными связями по дискретным параметрам и с возможностью высокоточного позиционирования, предназначенные для приема ШПС в многофункциональных интегрированных AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов (при их объединении с СРНС, а при необходимости с автономными датчиками скорости).

7. Разработаны в соответствии с синтезированными алгоритмами структурные схемы субоптимальных систем КОИ в МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов. Такие системы КОИ осуществляют потактовую двухэтапную обработку принимаемых ШПС от всех одновременно видимых в данный момент СКА и НКА (концепция all-in view). Реализуемое в МИАТ комплексирование на уровне первичной обработки радиосигналов позволяет производить оценивание дискретных и непрерывных параметров в условиях возможных пропаданий радиосигналов, срывов слежения за ПРС и при малых отношениях сигнал/шум, а также сократить время начального поиска радиосигналов на основе дополнительного наблюдения, например, от ИНС. При функционировании МИАТ с использованием АКЦ в аномальных режимах для определения текущих координат подвижного пользователя могут быть совместно использованы линии положения как спутниковых CMC, так и СРНС.

8. Разработаны:

1) методика расчета вероятностей ошибочного приема двоичных дискретных параметров в зависимости от отношения сигнал/шум на входе оптимального приемника, от коэффициента глубины AM и от точности фильтрации случайной фазы;

2) методика расчета потенциальных характеристик точности позиционирования (СКО координат пользователя и их производных) МИАТ спутниковых CMC с кодовым разделением каналов в зависимости от различного количества одновременно видимых СКА и НКА, от конфигурации созвездий и от отношения сигнал/шум в каждом канале приема МИАТ.

9. На основе анализа результатов по оценке точности и помехоустойчивости синтезированной системы КОИ получено, что и использование в МИАТ реконфигурируемых алгоритмов с АКЦ, а также комплексирование CMC, СРНС и автономных измерителей скорости на уровне первичной обработки радиосигналов с учетом имеющейся при этом информационной избыточности (концепция all-in view) позволяют существенно улучшить характеристики точности и помехоустойчивости системы по сравнению с традиционными. Так, например, наличие паразитных амплитудных замираний, соответствующих 50% AM (по сравнению с их отсутствием), при q = 10 приводит к росту вероятности ошибочного приема информационного символа в 10. 15 раз.

Точность позиционирования МИАТ (прежде всего в аномальных условиях и при сильных помехах) оказывается весьма высокой. Например, при q3 = 10~3 типовой вариант применения системы) установившееся значение СКО ошибок оценивания координат МИАТ составляет 0,7 м и 0,5 м, а составляющих относительной скорости движения 0,04 м/с и 0,02 м/с для 4 и 8 видимых КА соответственно. При усложнении помеховой обстановки (q3 уменьшается от 10″ 3 до 10″ 5) установившиеся значения СКО ошибок оценивания координат и скорости перемещения МИАТ возрастают соответственно до 7 м и 0,4 м/с для G = 4 идо5ми 0,2 м/с для G = 8.

Использование в МИАТ для высокодинамичных объектов, например, самолетов, дополнительной информации от автономных измерителей скорости (в частности, ИНС) является весьма желательным, так как заметная доля выигрыша в точности и помехоустойчивости при формировании оценок скорости движения обеспечивается именно за счет этих измерителей. Кроме того, наличие автономного сигнала скорости сокращает длительность переходных процессов в систем КОИ, что означает уменьшение вероятности срыва слежения за задержкой ШПС и сокращение времени поиска при повторном вхождении системы в синхронизм. 10. Путем сопоставления характеристик многофункциональных интегрированных AT, разработанных на основе синтезированных алгоритмов приема и обработки радиосигналов, с характеристиками существующих образцов AT спутниковой CMC типа Globalstar (например, AT типов: Ericsson R290, Telit Sat550 и Qualcomm GSP1600) [8,9,69] установлено, что точность тех и других в штатных (нормальных) условиях применения принципиально друг от друга не отличается. Однако в целом качество функционирования (помехоустойчивость, целостность и т. д.) у синтезированных МИАТ за счет комплексирования и возможностей адаптации к текущим условиям применения заметно выше, чем у существующих, что существенно проявляется в аномальных условиях, т. е. при усложнении электромагнитной обстановки, наличии помех естественного и искусственного происхождения, многолучевости, росте вероятности затенения видимых КА, наличии перерывов в слежении за ними, проявлении особенностей распространения радиоволн в городских районах, туннелях, горах, границах суша-вода и т. д., когда разработанные МИАТ имеют возможность продолжать функционирование с требуемыми показателями, а существующие AT не адаптируются и обычно оказываются неработоспособными.

Особенно заметны преимущества по точности, помехоустойчивости, целостности и т. п. синтезированных МИАТ по сравнению с существующими AT в сфере предоставляемых услуг, связанных с высокоточным позиционированием для различных групп (воздушных, морских, наземных и т. д.) подвижных пользователей спутниковой CMC с кодовым разделением каналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных в диссертации исследований достигнута цель, состоящая в повышении качества функционирования (точности, помехоустойчивости, целостности) AT спутниковых CMC с кодовым разделением каналов и возможностью высокоточного позиционирования на основе объединения с СРНС путем оптимизации реконфигурируемых алгоритмов приема и комплексной первичной обработки ШПС при наличии информационной избыточности (дополнительные КА, наличие автономных измерителей скорости);