CC BY
78
16 декабря 2011 r. 10:19
Т-Comm #9-2010
(Технологии информационного общества)
Адаптивная обработка сигналов в системах связи по технологии CDMA
Приведено описание оптимачьного нестационарного фильтра для разрешения известных сигналов с неизвестными комплексными амплитудами и оценивается возможность его применения к обработке сигните CDMA. Под разрешением понимается раздельная оценка комплексных амплитуд радиосигналов, совокупность которых совместно с шумом поступает на вход приемника. Синтезированный в классе линейных нестационарных систем фшьтр обеспечивает оптимальную оценку сигнала в каждый текущий момент времени, имеет большую по сравнению со стационарными фильтрами скорость выдачи данных и более адекватен нестационарности потоков вызов/te СОМА. Приведены результаты моделирования квазиоптима1ьного варианта нестационарного фичьтра - а*>аптивного коррелятора, в который существенно сокращается количество требуемых вычислительных операций по сравнению с оптимальным. По результатам моделирования адаптивный коррелятор обеспечивает подавление внутрисистемных помех, свойственных технологии CDMA, что позволит не менее чем вдвое увеличить пропускную способность С DMA Адаптивный коррелятор позволяет также регулировать мощность сигнаюв ближних абонентов на входе приемника базовой станции без применения цепи обратной связи через абонентские терминалы.
Колотушкин Р.Н. Шммксвнч Л.Л.,
МТУ СП
Одним из недостатков систем сотовой связи стандарта CDMA. ограничивающих возможность наращивания пропускной способности системы, является взаимная интерференция сигналов мобильных абонентов на выходе антенны базовой станции
В настоящее время для раздельного выделения сигналов в этих системах используется многоканальный коррелятор с набором опорных сигналов, совпадающим с расширяющими спектр сигналов функциями на передаче. Как показано в f 1, 2], традиционная корреляционная обработка в этой ситуации недостаточно эффективна из-за быстрого уменьшения отношения сигнал/помеха (ОСП) при роете числа абонентов. Известен ряд методов повышения отношения ОСП. Некоторые из этих методов направлены на улучшение отношения за счет использования дополнительных каналов приема сигналов и суммирования принятыми ими энергий сигналов. В других методах рассматриваются возможности повышения энергетики за счет различных способов компенсации интерференционных помех. Попытка глобального решения проблемы путем использования перебора всех возможных комбинаций информационных символов всех абонентов в реальном времени (алгоритмы многопользовательского детектирования [3] ) практических результатов не принесла.
Ранее по сравнению с многопользовательскими алгоритмами автором данной статьи рассматривалась задача разрешения шумоподобных сигналов применительно к задачам радиолокации [4].
Постановка задачи сводилась к следующему. На вход приемника воздействует аддитивная смесь белого шума и сумма сигналов известной формы. Форма сигналов известна в том смысле, что в приемнике в виде опорных колебании имеются их текущие значения. Во входной смеси неизвестны комплексное значение амплитуд сигналов, их точные запаздывания или сдвиги частот относительно опорных колебаний. Требовалось найти фильтр, производящий оценку комплексной ам-
плитуды сигналов с минимальной среднеквадратичной погрешностью. Подобная задача возникает, например, в многоканальном взанмнокоррсляцнонном приемнике, опорные напряжения для корреляторов которого снимаются с отводов линии задержки. Входные сигналы, помимо амплитуд, могут отличаться от опорных колебаний запаздыванием, которое является случайной величиной, распределенной в интервале запаздывания между отводами линии задержки, или частотой, вызванной, например, доплсровским эффектом.
Как видно из приведенного, постановка задачи соответствует задаче разделения сигналов в СОМА, поскольку информационный параметр в СОМА идентифицироваться с комплексным значением амплитуд известных расширяющих спектр сигнала функций. В результате синтеза для раздельного выделения каждого из сигналов получены импульсные переходные характеристики и записано общая для всех сигналов система дифференциальных уравнении, на основании которых составлена структурная схема обработки. Особенностями схемы является:
1. Взимоувязанность обработки одновременно всех сигналов, то есть при оценки амплитуды одного из сигналов тот же самый набор процедур должен применяться ко всем остальным сигналам;
2. Опорные сигналы корреляторов изанмио ортого-налнзируются по отношению друг к другу в соответствии с процедурой Грамма-Шмидта;
3. Сигналы, оценка амплитуд которых производится, за счет обратного перемножения на расширяющую функцию компенсируются на общем входе приемника.
Например, для оптимальной оценки амплитуд двух сигналов система уравнений имеет вид:
Y,'= (X- Ys -F -Yb-G) x Z,, Y„'=(X-Y, F-Yb G)*Zb
(I)
Т-Сотш #9-2010
(Технологии информационного общества)
Практическая реализация оптимального нестационарного фильтра сталкивается с такими же трудностями. что и многопользовательские алгоритмы - требуется большой объем вычислений при формировании опорных колебаний. Но в нестационарных фильтрах взаимное разрешение-разделение сигналов обеспечивается двумя механизмами: ортогонали<ацисй опорных сигналов корреляторов и компенсацией выделяемых сигналов на общем входе. Ортогонализация, как уже указывалось, приводит к большим сложностям. Поэтому рассматривалась возможность подавления внутрисистемных помех только за счет компенсации выделяемых сигналов на общем входе с подбором коэффициента передачи цепи обратной связи, обеспечивающего найлучшее ОСП. Оптимальное значение коэффициента обратной связи зависит от уровня помехи на входе и от количества выделяемых сигналов. Фильтр, по сути, можно рассматривать как многоканальный адаптивный коррелятор е компенсацией мешающих сигналов. Результаты предварительного моделирования системы обработки 9-ти канального фильтра подтвердили возможность получения достаточно высокого уровня подавления взаимных помех в адаптивном корреляторе [5]. Однако моделирование было проведено без учета информационных битов в ФМ сигналов. Инверсии фазы при передаче информационных битов приводит не к вычитанию а к когерентному сложению сигналов с компенсирующим. Зто обстоятельство резко снижает эффективность работы адаптивного коррелятора.
Схема модели адаптивного коррелятора приведена на рис. 3. При отладке модели подбирались оптимальные значения эквивалентной крутизны обратного пе-ремножителя ц. определяющего коэффициент усиления цепи обратной связи. При малых значениях ц недостаточно подавление помех, а при больших значениях наблюдается возрастания шумов и схема теряет устойчивость.
Оптимальные значения ц составляли 0.003-0.012 и зависели от отношения снгнал/(шум + помеха). Параметры сигналов: модуляция — 2ФМ; ПСП- ^;(0 формируется по формуле 5СК(0.5-ККО),что дает 10-тн процентную статистическую связь между опорными сигналами. Частота дискретизации равнялась 1/12 от периода несущей одинаковой для всех сигналов. Тактовый интервал ПСП 10 интервалов дискретизации. Исходные значения амплитуд сигналов равны 1. Длина информационных бит изменялась от 1000 до 2000 интервалов.
Эксперимент проводился на парс корреляторов — обычном (ОК) и адаптивном (АК), путем сравнения ОСП на их выходах. На входы ОК и АК подавались смеси сигналов, коррелированные с соответствующими опорными колебаниями, а в качестве шума использовалась сумма девяти центрированных независимых ПСП с равномерным распределением амплитуд и интервале ±0.5 с частотой, равной частоте дискретизации, т. е. достаточно широкополосный шум имитирующий белый. В качестве помехи использовался также сигнал
ПСП с теми же параметрами, что и выделяемые сигналы. но не коррелированный с опорными..
В программу испытаний при моделировании входило исследование 18-и канального коррелятора с ралиосипга-ламн с имитацией следующих режимов работы:
1. Прием и обработка потока сигналов с синхронной ФМ модуляцией всех несущих информационными последовательностями;
2. Асинхронный режим приема сигналов с учетом территориального разноса абонентов;
3. Корреляционный прием сигналов с использованием вторичной кодовой модуляцией;
4. Адаптивный прием сигналов с вторичной кодовой модуляцией;
5. Прием и обработка сигналов с выравниванием их мощности на входе адаптивного коррелятора.
Результаты моделирования:
С целью наглядности возможностей АК по сравнению с ОК на рис. 3-4 показаны графики отношения средних значений откликов коррелятов к дисперсии для синхронного и асинхронного режимов работы при последовательно подключении к их входам от одного до 18 сигналов при нормальной работе одновременно всех каналов корреляторов, то есть на персмножитсли всех корреляторов непрерывно подавались соответствующие опорные сигналы. Графики на рис. 4 получены при отсутствии шумов в каналах при независимых синхронных во всех каналах информационных последовательностях и иллюстрируют потенциальные возможности АК по подавлению взаимных помех. При обработке одного сигнала АК проигрывает несколько децибел обычному коррелятору. Однако при подаче на вход дополнительно второго сигнала возникающие при этом взаимные помехи в ОК даже при двух выделяемых сигналов снижает отношение сигнал - помеха на его выходе до 20 дБ в то время как в АК остается высоким. Выигрыш АК по сравнению с ОК определяется шириной коридора верхней и нижними линиями графика рис. 3. При дальнейшем увеличении числа обрабатываемых сигналов ширина коридора выигрыша практически остается постоянной, что обеспечивает постоянство вероятности ошибок при любом разумном количестве подключаемых абонентов. Наличие некоррелированного шума в общем для всех сигналов канале (на рис. 5 примерно 20 дБ по отношению к одному сигналу) естественно снижает отношение сигнал - помеха и пропускную способность приемника. Всс в соответствии с шенноновским представлением о пропускной способности системы связи. Но здесь следует отметить следующий хорошо известный факт - сколько ни увеличивай мощности сигналов всех абонентов в СОМА по сравнению с шумом с некоторого предела пропускная способность при приеме на обычной многоканальный коррелятор не возрастает. В адаптивном корреляторе с увеличением мощности сигналов пропускная способность будет возрастать.
