Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Радиотехнические и телевизионные системы

Диссертационная работа:

Варфоломеев Глеб Анатольевич. Методы пространственной селекции точечных и протяженных источников излучения и их применение в системах сотовой связи : диссертация ... кандидата технических наук : 05.12.04.- Санкт-Петербург, 2002.- 166 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/917-9

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 13

1.1 Повышение помехоустойчивости и пропускной способности систем связи с пространственной обработкой сигналов 13

1.2 Особенности структуры сигналов и помех в сотовой связи 19

1.3 Определение понятия пространственно-протяженного источника. Многоточечная и спектральная модели пространственно-протяженнного источника 24

1.4 Обзор существующих методов высокого разрешения для источников с известным функциональным описанием угловой плотности мощности сигнала 32

1.5 Обзор моделей источников с неизвестной угловой плотностью мощности сигнала. 36

1.6. Задачи и содержание диссертационной работы 38

Выводы 39

2. МОДЕЛЬ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ МАТРИЦЫ СИГНАЛОВ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ 46

2.1 Постановка задачи 46

2.2 Разработка модели 46

2.3. Анализ модели. Расчет протяженности источника по оценкам параметров модели.49

Выводы 54

3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧИСЛА И КЛАССИФИКАЦИИ

ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ ПО ПРИЗНАКУ "ТОЧЕЧНЫЙ ПРОТЯЖЕННЫЙ" 57

3.1 Постановка задачи 57

3.2 Разработка метода классификации и подсчета числа источников 61

3.3 Анализ и оценка требований к разрешающей способности метода 66

3.4 Логическая схема устройства 70

Выводы 75

4. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ И СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ПЛИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА МАКСИМАЛЬНОГО ПРАВДОПОДОБИЯ 86

4.1 Вводные замечания 86

4.2 Особенности оценок максимального правдоподобия 87

4.3 Исходные данные 89

4.4 Постановка задачи 90

4.5 Оценка параметров. Соотношения для численных расчетов 94

4.6 Асимптотическая эффективность оценок 97

4.7 Оценка асимптотической устойчивости метода к некоторым ошибкам в принятой модели 100

4.9 Структурная схема оценивателя ПО

Выводы 111

5. МНК-ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ПРОСТРАНСТВЕННО ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ 118

5.1 Постановка задачи 118

5.2 Оценка параметров. Аналитические соотношения 119

5.3 Соотношения для численных процедур оценки параметров. Асимптотический анализ эффективности 123

5.4 Результаты численных расчетов 129

5.5 Аппаратурная реализация алгоритмов 131

Выводы 133

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 141

Список использованных источников 143

Приложение 1. Вычисление производных функции правдоподобия и асимптотического гессиана 149

Приложение 2. Вывод формул для вычисления оценок параметров, входящих

в вектор 156

Приложение 3. Необходимые математические результаты 158

Приложение 4. Некоторые свойства оператора и кронекеровского произведения 162

Приложение 5. Структуры матрицы Q и вектора . Доказательство невырожденности матрицы \ JWXJW 164 

Введение к работе:

За последние 8-10 лет мобильная телефония стала вполне привычным видом связи по всему миру. В развитых странах Европы, например, количество пользователей мобильных систем передачи данных и голоса различных категорий сегодня измеряется уже десятками миллионов. Также неуклонно растет число пользователей цифровыми системами, такими, как IS-54, GSM-900, GSM-1900, PCS-1800 и т.д. Цифровые стандарты постепенно вытесняют аналоговые, такие как AMPS, TACS, NMT-400 и др. Однако в связи с ростом популярности этих видов связи возникают проблемы «перенаселенности». Дело в том, что мобильная связь, как правило, организуется по сотовому признаку. При сотовой связи определенную группу подвижных станций обслуживает в пределах одной соты одна так называемая базовая станция [1,2]. В связи с ограниченным частотным диапазоном, выделяемым на организацию каналов связи базовая станция может обслужить одновременно только определенное число мобильных станций. Так в соответствии с наиболее популярным на сегодняшний день стандартом GSM-900 имеется около 45 частотных каналов, в каждом из которых, за счет временного разделения и использования протоколов сжатия данных1 в каждом частотном канале размещается до 120 временных окон, каждое из которых предназначено для обмена данными с определенной мобильной станцией(станциями). При этом надо принять во внимание, что конкретный оператор сотовой связи по существующим правилам, принятым на территории РФ, может получить в свое распоряжение максимум 10 частотных каналов. Таким образом, в одной соте одновременно обмен данными с базовой станцией могут вести не более 500 - 600 абонентов. По стандарту GSM-900 максимальный радиус соты составляет приблизительно 35км. Для того, что бы покрыть территорию, например, С.-Петербурга вполне достаточно бы было иметь 3-4 базовые станции. Однако при этом обеспечивалась бы возможность связи максимум 2400 абонентов одновременно при условии их равномерного распределения по сотам. Например, в С.-Петербурге на конец 2001г. пользователей мобильных станций стандарта GSM-900 насчитывалось более 430 тысяч. Эти цифры в наглядной форме подтверждают актуальность задачи повышения пропускной способности систем сотовой связи, для чего могут применяться несколько подходов [81].

Одним из перспективных методов увеличения пропускной способности систем сотовой связи является подход, в рамках которого предполагается использование пространственного разделения (SDMA) сигналов мобильных станций путем использования базовых станций с АР. В частности, большой объем исследований в этом направлении проводится фирмой Ericsson АВ (Швеция). Специалисты полагают, что наиболее эффективное использование базовых станций с АР состоит в применении методов обработки сигналов, учитывающих информацию о направлении прихода (НП) сигналов [1,2].

Проблема извлечения информации о НП сигналов привлекает к себе значительный интерес исследователей. Прежде всего этот интерес порожден нуждами радиолокации и гидроакустики, однако большинство из предложенных методов можно применять и в мобильной связи и в системах цифровой проводной связи. Кратко охарактеризуем эти методы.

К первой группе методов можно отнести линейные диаграммообразующие методы. Процессоры, работающие по этим методам осуществляют суммирование взвешенных сигналов от каждого приемного элемента (приемника) АР. Взвешивающие коэффициенты выбираются исходя из заданного критерия качества обработки. Возможные критерии качества и соответствующие им весовые коэффициенты подробно разобраны в [5-7]. Существенными недостатками линейных методов следует считать относительно низкую по сравнению с нелинейными методами разрешающую способность, фактически, ограниченную релеевским пределом.

Ко второй группе относятся так называемые авторегрессионые методы [8]. Ключевое допущение этих методов, в состав которых входят такие методы как метод Юла-Уолкера, Бурга, градиентные и т.п., в том, что пространственный спектр сигналов, воздействующих на АР описывается авторегрессионой моделью невысокого порядка.

1 Для сжатия речи, например, используются протоколы GSM 06.10 или GSM 06.12. Авторегрессионые методы характеризуются относительной простотой реализации, невысокой чувствительностью к погрешностям в априорных моделях (в том числе к ошибкам в определении порядка авторегрессионой модели) и высокой разрешающей способностью. Недостатком авторегрессионых алгоритмов можно считать отсутствие удобной решающей статистики для принятия решения о количестве присутствующих точечных сигналов и их НП.

В третью группу относят так называемые «оптимальные» методы [8]. В рамках этих методов процедуры оценки параметров, в частности оценки числа и НП источников сигналов, строятся с использованием критерия максимального правдоподобия (МП) или максимума апостериорной вероятности (МАВ). Как правило, во многих случаях, точный расчет или, хотя бы, оценку апостериорной вероятности получить очень трудно, что, по-видимому, является причиной очень низкой популярности МАВ при оценке пространственного спектра сигналов, приходящих на АР. Хотя известен ряд работ, например [10,11], в которых авторы применяют МАВ для задач оценки параметров неточечных сигналов. Гораздо более широкое применение, особенно в случае гауссовских статистик сигналов и шумов, находит МП.

Наконец, в четвертую группу методов следует занести так называемые методы «подгонки собственных подпространств» (МСП) [8]. К этой группе относятся методы, использующие для извлечения информации об НП собственные (сингулярные) числа и векторы (подпространства) матриц-статистик, построенных по сигналам с выхода АР. В качестве матрицы статистики чаще всего выступает выборочная корреляционная матрица (ВКМ). Методами из этой группы являются, например, MUSIC, WSF, ESPRIT, MODE и т.д [12-16]. МСП обеспечивают получение сверхрелеевского разрешения. Асимптотически МСП не уступают по точности МП, при этом большинство из МСП либо не совсем не требуют многомерного нелинейного поиска глобального экстремума заданной целевой функции, либо этот поиск осуществляется с гораздо меньшими вычислительными затратами, чем для МП. Также большинство МСП допускают реализацию в виде численных процедур, имеющих фиксированное время выполнения. Методы МСП являются интенсивно развивающейся областью теории обработки сигналов. Можно сказать, что МСП практически нет альтернатив в случаях, когда требуется получить высокое разрешение по угловым координатам в системах, использующих АР, состоящую из небольшого числа приемных элементов и (или) использующие небольшое число отсчетов сигнала. Для подтверждения этого тезиса приведем два примера.

Первый пример относится к сотовой связи. Как уже говорилось выше, применение АР на базовых станциях позволяет перейти к пространственному разделению каналов. Использование техники формирования веера лучей [5,6,26] позволяет в несколько раз увеличить пропускную способность системы. Фактически, пропускная способность определяется шириной диаграммы направленности луча АР. Если два абонента (мобильные станции) используют одинаковый ресурс (несущую частоту, временной канал, код и т.д.) и расположены в пределах ширины луча АР, то такие абоненты будут создавать друг другу значительные помехи. Однако большинство современных сотовых приемников имеют возможность менять рабочий ресурс по командам с базовой станции. И если в пределах ширины луча АР находится несколько сотовых абонентов, то можно по командам с базовой станции осуществить перераспределение ресурсов между абонентами. Для решения этой задачи, вначале, определяется число и рабочие частоты абонентов в пределах ширины луча. Поскольку, сотовая связь - это связь с активным ответом, то отношения сигнал/шум обычно достаточно велики. Поэтому для задачи определения числа абонентов практически вне конкуренции оказываются МСП [1].

Второй пример относится к более широкой области цифровой связи. Для передачи различных управляющих сигналов широко используются так называемые двухчастотные тональные посылки (DTMF) [26]. На качество работы приемной системы, осуществляющей выделение DTMF-сигналов на фоне других сигналов и шумов, налагаются достаточно жесткие требования в соответствии с международным стандартом G.201 [3]. Там же в [3] представлены результаты исследования трех систем, предназначенных для выделения DTMF-сигналов. Системы используют методы рекурсивной фильтрации, метод Герцеля [27] и MUSIC, соответственно. Показано, что метод Герцеля ни при каком выборе параметров не может удовлетворить требованиям стандарта G.201. Рекурсивные фильтры, удовлетворяющие требованиям стандарта требуют такой вычислительной нагрузки, что могут быть реализованы лишь на некоторых новых и дорогих моделях сигнальных процессоров. Только метод MUSIC, который является одним из «классических» представителей МСП, позволяет удовлетворить требованиям G.201 при приемлемой вычислительной нагрузке и может быть реализован на дешевых сигнальных процессорах.

Однако, на сегодняшний день существует ряд задач, связанных с применением МСП, которые либо не решены, либо предложенные решения не удовлетворительны по точности или вычислительной нагрузке. Перечислим основные трудности, не позволяющие в большинстве случаев непосредственно применять МСП для решения реальных задач, в частности, для сотовой связи:

• Обнаружение/определение числа источников сигналов при применении МСП производится по собственным (сингулярным) числам матрицы-статистики. Однако, в связи со сложностью получения точных распределений собственных чисел (СЧ) при конечном числе отсчетов, для построения решающих статистик используются асимптотические по числу отсчетов распределения для СЧ. Построенные таким образом решающие статистики хорошо работают при значительных объемах выборок, но, если число отсчетов невелико (измеряется несколькими десятками), то применение этих статистик приводит к заметным ошибкам. Кроме того, все эти критерии используют только информацию, содержащуюся в СЧ корреляционной матрицы. В то же время один из основных результатов многомерного статистического анализа гласит, что СЧ и собственные векторы ВКМ независимы тогда и только тогда, когда берутся выборки белого гауссовского шума. Поэтому возникает задача разработки критерия, который бы также учитывал информацию, содержащуюся в собственных векторах. 

• Базовые МСП предполагают, что сигналы, которые подлежат обнаружению и определению своих НП, являются «точечными» (см. раздел 2). Точечная модель источника сигнала предполагает, в первую очередь, отсутствие в канале распространения особенностей, приводящих к многолучевому распространению. Однако, например, для мобильной связи [28,29] как раз характерна ситуация многолучевого распространения за счет многочисленных переотражений сигнала от местных предметов (зданий, деревьев, подстилающей поверхности). Особенно эта ситуация характерна для «восходящих» направлений (от мобильной станции к базовой) [2]. При наличии многолучевого распространения применение классических МСП может привести к значительным погрешностям оценки НИ. В последние несколько лет было предложено несколько модификаций МСП, пригодных для работы при наличии «неточечных» источников. Однако этим методам присущи ряд существенных недостатков. • При наличии неточечных источников чрезвычайно актуальной является проблема разделения обнаруженных источников на точечные и неточечные. Во-первых, это необходимо для правильного определения числа источников. Во-вторых, это необходимо для точного определения НП источников, поскольку для оценки НП точечных и протяженных источников используются принципиально разные методы (раздел 4). Причем, поскольку эта задача является в определенном смысле вспомогательной, то важно, что бы система разделения источников требовала для своей работы минимальных вычислительных ресурсов.

Фактически, вышеперечисленные недостатки не позволяют применять МСП при небольших объемах выборок сигналов (порядка нескольких десятков отсчетов), и (или) при наличии неточечных источников сигналов. Основная часть диссертационной работы посвящена преодолению вышеуказанных недостатков. В связи с чем задачи данного исследования формулируются следующим образом:

1. Разработка модели, пригодной для описания пространственно-протяженных источников, которая, в отличии от известных до сих пор моделей, не требует априори знания функционального описания угловой плотности мощности сигнала и хорошо аппроксимирует сигналы с угловой протяженностью, сравнимой с релеевским пределом для данной АР. Разработка методов и алгоритмов оценивания параметров этой модели, исследование эффективности их функционирования.

2. Разработка методов и алгоритмов, позволяющих разделять источники сигналов на точечные и пространственно-протяженные при использовании двух АР, которые имеют несовпадающие друг с другом расстояниями между приемными элементами. Разработка методики расчета асимптотической эффективности метода.

Раздел 1 содержит постановку задач исследований. Обсуждаются типовые энергетические соотношения в сотовой связи, особенности конструкций систем и сигналов, которые важны для диссертации. В этом же разделе обсуждаются недостатки существующих моделей и методик оценки их параметров. Вводится понятие протяженности объекта, основанное на понятии эффективного ранга.

В разделе 2 разрабатывается нелинейная модель (далее, для краткости, - модель) корреляционной матрицы пространственно-протяженного источника (ПЛИ). Рассматриваются допустимые упрощения этой модели в определенных ситуациях.

Раздел 3 посвящен решению второй задачи из списка задач данного исследования. Предложен метод, позволяющий разделить точечные источники и 1111И путем измерения смещения одноименных максимумов в двух проекционных спектрах, построенных по данным с первой и второй АР, соответственно. Ключевое требование к используемым АР состоит в том, чтобы они имели различные расстояния между приемными элементами. Во второй части раздела приводится методика, позволяющая оценить смещения спектральных максимумов в неасимптотической ситуации. Обсуждаются вопросы аппаратурной реализации алгоритмов, предложенных в третьем разделе.

В разделе 4 для модели предложена методика оценки параметров, основанная на методе максимального правдоподобия. Для получения численных оценок используется модифицированный метод Ньютона [23]. Доказывается состоятельность и асимптотическая эффективность оценок модели. Также исследуется асимптотическая устойчивость модели к погрешностям в задании структуры корреляционной матрицы вследствие неточностей в настройке АР, окрашенности шума и др. Предложена структурная схема устройства, обеспечивающего получение оценок параметров модели в соответствии с алгоритмами, предложенными во втором разделе.

В разделе 5 для оценки параметров модели, введенной в разделе 2, используется подоптимальная процедура, основанная на методе наименьших квадратов (МНК). Показано, что система уравнений, получающаяся в процессе применения этой процедуры, допускает понижение размерности. Для получения численных оценок используется модифицированный метод Ньютона. Доказано, что асимптотически МНК-оценки не уступают по точности МП-оценкам и, кроме того, МНК-оценки более устойчивы к отклонениям в принятой модели чем МП-оценки. Для вычисления МНК-оценок необходимо меньше вычислительных ресурсов чем для МП-оценок. Платой за это является то, что МНК-оценки уступают по точности МП-оценки при конечных выборках. Предлагается структурная схема устройства, обеспечивающего получение оценок параметров модели в соответствии с алгоритмами, которые разработаны в третьем разделе.

Суммируя все вышесказанное, сформулируем положения, выносимые на защиту:

1. Модель сигналов пространственно-протяженных источников, имеющих меньшую или сравнимую с релеевским пределом угловую протяженность, которая, в отличие от известных до сих пор моделей, не требует априори знания функционального описания УПМ сигнала.

2. Два метода расчета параметров предложенной модели, основанные на методах максимума правдоподобия и взвешенных наименьших квадратов, соответственно.

3. Метод и алгоритмы, позволяющие решать задачу определения числа источников сигналов в случае наличия протяженных источников.

4. Метод и алгоритмы, позволяющие классифицировать источники сигналов по эффективному рангу. 

Подобные работы
Горячкин Олег Валериевич
Методы слепой обработки сигналов и их применения в системах радиотехники и связи
Никитин Александр Николаевич
Повышение эффективности системы сотовой связи с кодовым разделением каналов методом адаптации параметров быстрого регулирования мощности передатчиков мобильных станций
Будяк Владимир Серафимович
Методы совершенствования параметров электромагнитной совместимости радиоузлов региональной корпоративной системы связи
Алехин Сергей Юрьевич
Математические модели, методы анализа и имитационное моделирование системы двух связанных параметрических контуров с кондуктивной связью
Маврычев Евгений Александрович
Пространственная обработка сигналов в системах связи с антенными решетками на прием и передачу в условиях многолучевого распространения
Клименко Владимир Викторович
Исследование приемного тракта системы связи командного типа
Кокорева Вилена Анатольевна
Исследование и оптимизация алгоритмов обработки сигналов в асинхронно - адресных системах связи
Нефедов Виктор Иванович
Линеаризация характеристик мощных транзисторных усилителей систем подвижной связи
Сухотин Виталий Владимирович
Определение координат источников сигналов в системах спутниковой связи
Бизяев Алексей Евгеньевич
Исследование вопроса повышения эффективности систем сухопутной подвижной связи в условиях многолучевого распространения радиоволн

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net