Исследование характеристик группового сигнала и повышение качества синхронизации радиосистем абонентского доступа с кодовым разделением каналов

Актуальность проблемы.

В конце XX века системы абонентского радиодоступа вступили в фазу бурного развития, которая продолжается и в настоящее время. На сегодняшний день, очевидно, что такие системы практически находятся вне конкуренции по оперативности развертывания, цене, количеству возможных услуг, во многих случаях представляя собой единственное экономически оправданное решение.

Для стран, в которых большая территория сочетается с невысокой плотностью населения, системы абонентского радиодоступа имеют особое значение, так как позволяют оперативно обеспечить телекоммуникационными услугами обширные территории. Как известно, в Российской Федерации остро стоит вопрос информатизации удаленных сельских регионов, поэтому для решения данного вопроса целесообразно использовать системы радиодоступа. Помимо этого, применение подобных систем в ведомственных и корпоративных сетях позволит сократить затраты на их развертывание и эксплуатацию.

На сегодняшний день известно множество технологий абонентского радиодоступа — это и WLL, и широко известный WiFi, и новый стандарт сетей радиодоступа — WiMaX и многие другие. Различие между ними заключается не только в объеме предоставляемых абонентам услуг и в архитектуре построения сети, но и в методе разделения каналов (FDMA, TDMA, CDMA). Сегодня наибольшее распространение получает метод кодового разделения каналов CDMA, что обусловлено многими неоспоримыми преимуществами данной технологии.

Многочисленные исследования доказали, что емкость сети, определяющая количество пользователей, способных работать в зоне действия одной базовой станции, наибольшая для CDMA-сетей и наименьшая для FDMA-сетей. Помимо этого, CDMA — единственная технология, не требующая, как правило, частотного планирования, необходимого для эффективного использования имеющегося спектра частот и предоставления услуг большему числу абонентов в системах FDMA и TDMA.

Сегодня весь мир находится на этапе перехода к сетям третьего и четвертого поколения (3G и 4G), а технология CDMA, как известно, выбрана специалистами Международного Союза Электросвязи в качестве основной технологии систем следующего поколения.

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью исследования характеристик группового сигнала и повышения качества синхронизации таких систем.

Системам радиодоступа с кодовым разделением каналов посвящен ряд работ таких отечественных и зарубежных авторов, как В. А. Григорьев, JI.M. Невдяев, В. Ю. Бабков, М. А. Сивере, Lee J, Simon M.K. Вопросам синхронизации в технике связи посвящены работы таких авторов, как JI.C. Левин, М. Н. Колтунов. Применение функций Радемахера-Уолша освещается в работах таких авторов, как Н. Г. Дядюнов, А. И. Сенин, Х. Ф. Хармут.

Однако ряду проблем, в том числе вопросам синхронизации приемного и передающего оборудования в системах абонентского радиодоступа, в научно-технической литературе уделено недостаточное внимание.

Цель и задачи исследования

.

Целью диссертационной работы является проведение исследований, направленных на исследование характеристик группового сигнала и повышение качества синхронизации систем радиодоступа с кодовым разделением каналов, а именно: выявление влияния трактов на характеристики канальных и группового сигнала, оценка искажений при демодуляции сигналов Уолша из-за ограниченной точности интервальной синхронизации, усовершенствование систем поиска и установки состояния синхронизма.

Указанная цель достигается решением следующих задач.

1. Анализ спектральных характеристик канальных и групповых сигналов систем CDMA.

2. Анализ влияния всех трактов системы радиодоступа с кодовым разделением каналов на спектральные характеристики канальных и группового сигнала.

3. Анализ автокорреляционных функции (АКФ) канальных сигналов систем CDMA.

4. Анализ искажений при демодуляции сигналов Уолша из-за ограниченной точности интервальной синхронизации.

5. Исследование статистических свойств группового сигнала системы CDMA.

6. Разработка новых способов и устройств поиска и установки состояния интервального синхронизма в системах CDMA.

7. Анализ статистических временных характеристик новых способов поиска и установки синхронизма, их сравнение с известными.

8. Экспериментальное исследование предложенных в диссертации устройств синхронизации для систем CDMA.

Решение поставленных задач осуществлялось на основе применения математического аппарата теории вероятностей, спектральной теории сигналов, теории случайных процессов и цифровой обработки сигналов. Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений использовались программные математические комплексы MathCad и Maple. Программное обеспечение реализовано на языках ассемблер, С++ и Pascal.

Достоверность полученных в ходе исследований результатов подтверждена результатами натурных экспериментов.

Научная новизна.

Получены аналитические выражения, а также построены графики спектральных характеристик канальных и групповых сигналов системы CDMA, позволяющие оценить влияние трактов системы на характеристики данных сигналов.

Предложена методика, позволяющая рассчитать необходимое для правильного детектирования группового и канального сигнала отношение с/ш на входе приемника системы CDMA при различных типах используемых фильтров и различных сочетаний модулированных канальных сигналов в составе группового сигнала.

Получены выражения, позволяющие оценить искажения, возникающие при демодуляции сигналов Уолша из-за ограниченной точности интервальной синхронизации в системах CDMA, а также построены графики АКФ канальных сигналов и средней мощности демодулированных канальных сигналов при неточной синхронизации и при различных используемых алфавитах информационных символов: 1- -1 и 1- 0.

Установлены не отмеченные ранее в литературе статистические свойства группового сигнала, на основании которых предложены новые устройства поиска и установки состояния интервального синхронизма: без использования синхрогрупп и с использованием укороченных синхрогрупп.

Предложена методика расчета статистических временных характеристик устройств поиска синхронизма.

Практическая ценность.

Практическое применение результатов оценки влияния трактов системы CDMA на спектральные характеристики группового и канального сигнала позволяет на этапе проектирования подобных систем выбрать оптимальные частотные характеристики ее трактов.

Применение результатов оценки искажений, возникающих при демодуляции сигналов Уолша из-за ограниченной точности интервальной синхронизации позволяет сформулировать требования к стабильности частот задающих генераторов устройств синхронизации.

Новые устройства поиска и установки синхронизма, в основе которых лежат установленные автором статистические свойства группового сигнала, позволяют сократить время, необходимое на отыскание состояния синхронизма, повысить эффективность использования канала связи и повысить качество синхронизации в системах CDMA: уменьшить среднее время и дисперсию времени вхождения системы в синхронизм.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Аналитические выражения и графики спектральных характеристик и АКФ групповых сигналов при различных сочетаниях канальных переносчиков в системе CDMA.

2. Аналитические выражения и графики, оценивающие влияние трактов системы на спектральные характеристики канальных и групповых сигналов системы CDMA.

3. Методика оценки искажений, возникающих при демодуляции сигналов Уолша из-за ограниченной точности интервальной синхронизации, графики средней мощности демодулированных канальных сигналов при неточной синхронизации и при различных используемых алфавитах информационных символов: 1- -1 и 1- 0.

4. Установленные автором статистические свойства группового сигнала системы CDMA.

5. Сформулированные требования к взаимной нестабильности генераторов опорных сигналов абонентских и базовых станций системы CDMA.

6. Новые устройства поиска и установки состояния интервального синхронизма, их временные характеристики, а также результаты их сравнения с ранее известными устройствами.

Реализация результатов работы.

Основные результаты работы внедрены в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках федерального государственного унитарного предприятия «Ленинградский отраслевой научно-исследовательский институт радио» (ФГУП ЛОНИИР) и в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (СПбГУТ).

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы обсуждались и были одобрены на 55, 56, 57, 58, 59-й научно-технической конференции (НТК) профессорско-преподавательского состава СПбГУТ. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 работ (8 в соавторстве) из них 2 статьи в журнале «Мобильные системы», 2 статьи в журнале «Broadcasting» и 3 статьи в сборниках «Труды учебных заведений связи», а также получено 2 патента РФ на полезные модели.

Краткое содержание диссертации.

В главе 1 приведен обзор современных систем абонентского радиодоступа. Рассмотрена классификация систем, приведены основные стандарты систем радиодоступа. Представлены основные методы разделения каналов. Приведен обзор технологии CDMA. Проанализированы публикации и рекомендации ITU-T и ITU-R, посвященные системам абонентского радиодоступа, а также системам CDMA. Выявлены наиболее существенные вопросы, связанные с исследованием характеристик группового сигнала и повышением качества синхронизации таких систем. Сформулированы цели диссертационной работы, выбраны средства для их достижения.

В главе 2 получены спектральные характеристики канальных и групповых сигналов системы CDMA при различных размерностях базиса канальных сигналов. Приведено описание программы для расчета спектра группового сигнала при различных наборах и количестве канальных переносчиков из заданного базиса. Приведены результаты анализа влияния трактов системы радиодоступа на характеристики канального и группового сигнала.

В главе 3 приведена методика оценки зависимости снижения энергетического запаса радиолинии от точности работы устройства интервальной синхронизации в системах DS-CDMA. Показано, что уменьшение энергетического запаса радиолинии зависит от АКФ канальных переносчиков. Рассмотрены различные способы расчета АКФ и в качестве примера рассчитаны АКФ канальных переносчиков из 16-мерного базиса Уолша. Определены требования к взаимной нестабильности генераторов опорных сигналов абонентских и базовых станций системы CDMA.

В главе 4 найдены и доказаны новые статистические свойства группового сигнала системы CDMA, на основании которых созданы новые способы поиска интервального синхронизма: без использования синхрогрупп и с использованием укороченных синхрогрупп из одного или двух чипов. Также созданы новые способы проверки истинности установленного состояния синхронизма. Приведены их описания. Представлены расчеты временных характеристик алгоритмов поиска и установки синхронизма в системах DS-CDMA. Описаны, проанализированы и подвергнуты сравнению известные способы поиска и установки синхронизма по интервалам ортогональности, освещены их достоинства и недостатки.

В главе 5 приведено описание экспериментальных исследований, для которых разработан и изготовлен действующий макет устройства поиска и установки интервального синхронизма, а также создан испытательный стенд, позволяющий провести физическое моделирование. Приведены обобщенные результаты проведенных экспериментов, в которых исследовались такие параметры, как влияние неидеальности трактов системы на искажения группового и канального сигналов, время вхождения в синхронизм и частость потери состояния синхронизма. Оценки данных параметров проводились при различных способах обработки группового сигнала (цифровом или многоуровневом), при различных способах реализации алгоритма поиска синхронизма (аппаратном или программном), а также при воздействии и отсутствии искажений различного рода в группового тракте системы радиодоступа. По результатам проведенных экспериментов сделаны выводы о выборе оптимального алгоритма поиска и установки состояния синхронизма и способа обработки группового сигнала.

Основные результаты исследований, проведённых в рамках диссертационной работы.

1. Проработаны и проанализированы публикации и рекомендации ITU-T и ITU-R, посвященные системам абонентского радиодоступа, а также системам CDMA. Подробно рассмотрены современные системы радиодоступа, а также системы CDMA. Выявлены наиболее существенные вопросы, связанные с исследованием характеристик группового сигнала и повышением качества синхронизации таких систем. Их исследование и разрешение выбрано в качестве основного направления научных исследований данной работы. Сформулированы цели диссертационной работы, выбраны средства для их достижения.

2. Получены спектральные, энергетические и корреляционные характеристики канальных и групповых сигналов системы CDMA при различных размерностях базиса канальных сигналов, позволившие детально проанализировать групповой сигнал таких систем, а также установить ранее неизвестные статистические свойства группового сигнала и на их основе предложить новые способы поиска и установки синхронизма.

3. На основе проведенных исследований создана программа на языке Pascal, позволяющая рассчитать спектр группового сигнала системы CDMA при различных наборах и количестве канальных переносчиков из заданного базиса. Данная программа может применяться разработчиками подобных систем, а также в учебном процессе вузов связи.

4. Проанализировано влияние трактов системы радиодоступа на характеристики канальных и группового сигналов. Разработаны алгоритмы расчетов необходимого для правильного детектирования группового и канального сигнала отношения с/ш на входе приемника системы CDMA при различных типах фильтров.

5. Разработана методика расчета коэффициента ослабления при прохождении группового сигнала в случае неполной загрузки (отсутствии в групповом сигнале части канальных переносчиков) через квазиоптимальный и согласованный фильтры, соответствующие групповому сигналу при полной загрузке.

6. Разработана методика расчета средней мощности выходного сигнала канального демодулятора при точной и неточной интервальной синхронизации, а также при различных используемых алфавитах информационных символов: 1- -1 и 1- 0.

7. Определены требования к взаимной нестабильности интервалов ортогональности в абонентском передатчике и приемнике базовой станции и к соответствующим источникам маркерных импульсов. Установлено, что в N-мерном базисе наиболее чувствительны к неточности интервальной синхронизации канальные переносчики с большими (по Уолшу) номерами: N и N-, наименее чувствительны — нулевой и первый переносчики. Если допустить уменьшение мощности полезного сигнала на входе решающего устройства, даже для наиболее чувствительных переносчиков, не более 1 дБ, то фазовый сдвиг Д (р между маркерными импульсами в абонентском передатчике и приемнике базовой станции не должен превосходить критической величины Афкр= ±2л/1(Ж Соответствующий критический временной интервал составляет ткр=±77(10Лг).

8. Описаны, проанализированы и подвергнуты сравнению известные способы поиска и установки интервального синхронизма, приведены их достоинства и недостатки.

9. Установлены и доказаны новые статистические свойства группового сигнала системы CDMA, позволившие предложить новые способы поиска интервального синхронизма.

10. Предложены два новых способа поиска состояния интервального синхронизма: без использования синхрогруппы и с использованием укороченной синхрогруппы из одного или двух чипов. Предложены также новые способы проверки истинности установленного состояния синхронизма на основе полученных статистических свойств группового сигнала. Данные способы поиска и проверки состояния синхронизма позволяют повысить качество синхронизации в системах радиодоступа, а именно сократить среднее время поиска и установки синхронизма в полтора-два раза по сравнению с известными способами, а также повысить на 25−30% эффективность использования пропускной способности канала связи.

11. Разработаны алгоритмы и устройства поиска и установки синхронизма, реализующие предлагаемые способы поиска и проверки синхронизма и позволяющие повысить не менее чем в полтора раза качество интервальной синхронизации в системах CDMA. Полезные модели, разработанные на основе этих алгоритмов, защищены двумя патентами РФ.

12. Разработана методика расчета показателей качества синхронизации в системах CDMA: дисперсии и среднего времени вхождения в синхронизм .

13. Создан действующий макет устройства поиска и установки синхронизма, а также испытательный стенд, позволяющий провести физическое моделирование. С помощью испытательного стенда проведена оценка влияния неидеальности трактов системы на искажения группового и канального сигналов, оценка времени вхождения в синхронизм и частости потери состояния синхронизма. Полученные результаты обработаны и представлены в виде таблиц. По результатам испытаний сделан вывод о том, что теоретические расчеты, выполненные в диссертационной работе, удовлетворительно совпадают с экспериментально полученными данными.

14. По результатам проведенных экспериментов выявлено, что наилучшим является, предложенный в диссертации, алгоритм поиска и установки состояния синхронизма, программно реализованный по пункту 3 формулы патента РФ на полезную модель № 62 487 [33], при цифровой обработке группового сигнала.

5.6.

Заключение

.