CC BY
11======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 3
УДК 621.396.969.18:616-71
А. С. Красичков, А. П. Аникин
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
Система персонального мониторинга и дистанционной диагностики
с возможностью подачи тревожного сигнала
*
для контроля состояния здоровья пациента
Рассмотрены принципы построения и прототип беспроводной системы медицинских датчиков для контроля состояния здоровья пациентов с функцией тревожной сигнализации и возможностью определения местоположения пациента при наступлении критической ситуации. Описаны настройки и типы встроенного программного обеспечения.
Глонасс, GPS, радиоканал, ISM, навигация, тревожная сигнализация, кардиомониторинг
В медицинской практике имеется необходимость отслеживания местоположения пациента, находящегося под наблюдением врачей, но обладающего свободой передвижения, проводить мониторинг ключевых показателей состояния здоровья и иметь возможность получать от пациента тревожный сигнал в случае, если пациент ощущает внезапное ухудшение самочувствия и нуждается в экстренной помощи [1], [2]. Если пациент имеет возможность свободного перемещения в пределах клиники, то организация проводного канала связи с ним невозможна. Необходимо разработать систему, позволяющую решать описанные задачи, в которой передача данных ведется по радиоканалу.
Для этой цели возможно использовать систему беспроводной передачи данных стандарта GSM/GPRS, предусматривающего определение местоположения абонента в сети по сигналам базовых станций. Но, как показывает практика, точность локализации в указанном случае составляет 350...400 м, что неудовлетворительно при определении местоположения пациента на территории клиники или санатория. Кроме того, использование сети стандарта GSM/GPRS требует оплаты услуг оператора сотовой связи.
Повысить точность определения местоположения пациента клиники в сети стандарта GSM/GPRS можно, используя его в паре с GSM/GPRS-модемом модуля спутниковой навигации системы GPS или Глонасс. Такой подход позволяет снизить погрешность определения местоположения до вполне приемлемых 2.5.3 м. К тому же, определение местоположения становится возможным не только на территории клиники, но и на всей территории покрытия сети стандарта GSM/GPRS, что является несомненным достоинством системы мониторинга. Однако система мониторинга остается платной, причем затраты в виде абонентской платы и оплаты трафика передаваемых данных целиком возлагаются на пациента.
В рамках настоящей статьи рассмотрена система персонального мониторинга и дистанционной диагностики состояния здоровья пациента, основанная на создании собственной беспроводной сети передачи данных, зона действия которой ограничена территорией медицинско-
* Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы" (Государственный контракт 14.740.11.0577 от 5 октября 2010 г.).
© Красичков А. С., Аникин А. П., 2011
35
Датчик \
В настоящее время промышленность выпускает радиочастотные модули [3], предназначенные для встраивания в целевые устройства и способные вести обмен данными в пределах прямой видимости на расстояниях 1.5...16 км. Использование таких модулей не требует лицензирования и платы при соблюдении требований по занимаемому радиочастотному диапазону, мощности радиоизлучения и уровню внеполосных излучений.
го учреждения. В этом случае нет необходимости прибегать к платным услугам операторов сотовой связи.
Стационарный терминал
7
Рис. 1
Рассмотрим принципы построения указанной системы.
Система должна представлять собой сеть, состоящую из датчиков с автономным питанием, носимых пациентами клиники, и стационарного терминала, собирающего и обрабатывающего информацию от датчиков. В простейшем случае сеть имеет топологию типа "звезда" (рис. 1).
Общие требования, предъявляемые к системе:
1. Датчик должен контролировать один или несколько ключевых параметров состояния здоровья пациента.
2. Датчик должен иметь функцию тревожной сигнализации.
3. Датчик должен иметь функцию определения своего местоположения в пределах клиники с возможностью передачи координат на стационарный терминал.
4. Дальность эффективной радиосвязи между датчиками и стационарным терминалом должна быть достаточной для покрытия всей территории, на которой могут находиться пациенты клиники.
5. Создаваемое датчиками радиоизлучение не должно создавать помехи медицинской аппаратуре и оказывать воздействие на состояние здоровья пациентов.
6. Расположенные на теле пациентов датчики должны иметь минимальные размеры.
7. Энергопотребление каждого датчика должно быть минимизировано для длительности автономной работы.
8. Передача данных от датчиков сети к стационарному терминалу и должна осуществляться по радиоканалу.
9. Питание стационарного терминала должно осуществляться от электросети общего пользования.
Указанным требованиям удовлетворяет датчик, построенный по структурной схеме, представленной на рис. 2. Он содержит модуль спутниковой навигации и радиочастотный модуль, объединяющий в своем составе приемопередачик, работающий в режиме радиопередачи, и микропроцессор*. Модуль спутниковой навигации принимает сигналы спутниковой навигационной системы, преобразовывает их в набор навигационных параметров и передает в микропроцессор через последовательный интерфейс ИЛЯТ. Навигационные данные, поступающие от модуля спутниковой навигации, передаются по радиоканалу в стационарный терминал. Микро-
* Промышленностью выпускается целый ряд устройств, содержащих приемопередатчики и микропроцессоры обработки информации (см. напр., [6]).
Рис. 2 Рис. 3
процессор одновременно с обменом данными через последовательный интерфейс контролирует состояние дискретных и аналоговых входов радиочастотного модуля. При достижении контролируемым аналоговым параметром критической величины или при нажатии на тревожную кнопку информация об этом передается стационарному терминалу для последующей обработки.
Стационарный терминал принимает навигационную информацию и сигналы контролируемых параметров и тревожных кнопок от датчиков, входящих в зону его радиовидимости, фиксирует эти данные и выводит их на устройство обработки и отображения информации. Структура стационарного терминала изображена на рис 3. Радиочастотный модуль аналогичен модулю датчика, но приемопередатчик в нем работает в режиме радиоприема. В качестве устройства обработки, управления и отображения информации использован персональный компьютер с установленным специальным программным обеспечением. Навигационные данные в текстовом формате, соответствующем протоколу КМЕА, передаются из микропроцессора радиочастотного модуля в компьютер через последовательный интерфейс ИАЯТ. Данные о критическом состоянии контролируемых параметров и нажатии тревожных кнопок передаются компьютеру через интерфейсную плату.
При работе в условиях городской застройки, а также внутри зданий дальность действия радиоканала существенно сокращается. Этот недостаток системы преодолевается установкой в необходимых местах ретрансляторов радиосигнала (радиоудлинителей), принимающих информацию от датчиков и ретранслирующих ее к стационарному терминалу или следующему ретранслятору. В ретрансляторах применен радиочастотный модуль, аналогичный используемому в датчиках и в стационарном терминале. В этом случае топология сети (рис. 1) преобразуется к виду, представленному на рис. 4. Необходимо отметить, что в условиях постоянного перемещения датчиков относительно терминала и ретрансляторов одной из важных функций последних является постоянный контроль за текущей конфигурацией сети с фиксацией и отображением неоднократного выхода из зоны радиовидимости и входе в нее отдельных датчиков.
Рис. 5 Рис. 6
Для проверки работоспособности разработанной системы и проведения натурных испытаний изготовлен стационарный терминал (рис. 5) и два варианта носимых датчиков (рис. 6), различающихся модулями спутниковой навигации.
При выборе модуля спутниковой навигации учитывалась необходимость определения своих координат, в том числе и внутри закрытых помещений, в частности по переотраженным сигналам, поскольку видимость открытого неба внутри помещения ограничена или отсутствует полностью. В этом случае для приема доступны только навигационные сигналы, попавшие в помещение за счет переотражения от стен и прочих поверхностей. Установлено, что чувствительность приемника модуля спутниковой навигации должна быть не хуже -160 дБм. Также важными параметрами (особенно для модулей, используемых в датчиках) являются малые габариты, масса и незначительное энергопотребление.
По совокупности параметров в одном из датчиков применен модуль спутниковой навигации А1035-Н производства фирмы Утс^есЬ*, во втором - модуль ЕВ-500 производства фирмы Тгаи8у81еш**.
Указанные модули существенно различаются своими параметрами (табл. 1)***. Модуль А1035 обладает лучшей точностью и меньшим энергопотреблением в спящем режиме, однако его чувствительность и рабочий температурный диапазон у А1035 хуже, чем у ЕВ-500. Модуль ЕВ-500 изготавливается на чипсете нового поколения МТК3329, который по заявлениям **
производителя обеспечивает работоспособность модуля в сложных условиях за счет встроенных алгоритмов обработки слабых и переотраженных различными объектами сигналов. Можно было ожидать, что это должно повысить качество работы внутри помещений с огра-
Таблица 1
Модуль Чипсет Чувствит., дБм TTFF, с Точность, м Размеры, мм Рабочая температура, °C
EB500 MTK3329 -165...-148 1.5/34/35 менее 3 13x15 -40...+85
A1035 SiRFIII -159...-142 1/32/35 менее 2.5 16x19 -30...+85
* http://www.mt-system.rU/documents/t.e.%20gps%20receiver%20a1035c%20v1.3.pdf. ** http://www.transystem.com.tw/product.php?b=G&m=pe&cid=4&sid=22&id=65.
*** ттрр _ Time to first fix - время с момента включения питания до первого определения. Первая цифра отражает время до момента фиксации при включении модуля из "холодного" состояния, вторая - из "теплого" состояния, третья - из "горячего" состояния.
ниченной видимостью открытого неба. В то же время, модуль A1035 подразумевает обработку и фильтрацию выдаваемых им навигационных данных во внешнем устройстве (например, в стационарном терминале), а обработка данных в модуле EB-500 ведется встроенными алгоритмами, которые могут оказаться неработоспособными в рамках поставленной задачи.
Одной из целей тестирования прототипа сети являлась определение целесообразности применения одного из этих модулей с учетом того, что использование модуля A1035 требует применения в датчике активной антенны, потребляющей 15 мА от источника питания.
В качестве радиочастотного модуля во всех устройствах применен модуль итальянской фирмы Telit*. Модуль обладает малыми габаритами (38 х 22 х 2.2 мм) и массой, относительно малым энергопотреблением. Он работает в радиочастотном диапазоне ISM (industrial scientific medical) (869.40.869.65 МГц), открытом для свободного использования во всем мире (в том числе и в России). Выбор указанного диапазона позволяет выполнить антенну достаточно компактной, не стесняющей носителя датчика, хотя и приводит к потерям в дальности связи за счет большего затухания и рассеивания по сравнению с менее высокочастотными диапазонами. Максимальная излучаемая мощность модуля составляет 500 мВт, что достаточно для обеспечения устойчивой связи на расстоянии до 4 км в условиях открытого пространства, 1 км в условиях городской застройки и около 300 м внутри помещения. Рассматриваемый модуль помимо стандартного последовательного интерфейса UART (выводы TxD и RxD), используемого для связи с модулем спутниковой навигации в датчике (см. рис. 2) и с устройством обработки, управления и отображения информации в стационарном терминале (см. рис. 3), содержит программно-конфигурируемые выводы I/O1-I/O8, которые могут использоваться как входы или выходы. Выводы I/O1, I/O3 и I/O4 являются аналоговыми, остальные - цифровыми. Для обработки аналоговых входных сигналов в диапазоне от нуля до величины напряжения питания модуля его микропроцессор снабжен аналого-цифровыми преобразователями с периодом выборки 15 мкс и разрядностью 10 бит. К цифровым выводам может быть подключена тревожная кнопка, к аналоговым - датчик контролируемого параметра пациента: частоты пульса, температуры тела и пр. (см. рис. 2). Поскольку модуль имеет лишь три аналоговых входа-выхода, при активизации функции дистанционного копирования входов-выходов** можно создать сеть, состоящую не более чем из трех датчиков и одного стационарного терминала.
Радиочастотный модуль необходимо запрограммировать и настроить. Программирование и настройка модуля датчика выполняются через интерфейс, подключенный к асинхронному последовательному интерфейсу UART с помощью компьютера со специальным программным обеспечением, модуля стационарного терминала - по COM-каналу от основного компьютера [4], [5].
Радиочастотный модуль может программироваться одним из трех видов программного обеспечения, каждый из которых реализует определенный стек протоколов его работы.
*
1. Стандартный стек (согласно технической документации - стек S-One) реализует следующие режимы работы [4]: прозрачный, адресный, адресный безопасный, сетевой,
* http://www.telit.com/en/products/short-range-rf.php?p_id=238&p_ac=show&p=62.
** Режим дистанционного копирования подразумевает прямую передачу сигнала, поступившего на вход датчика, на одноименный выход терминала без промежуточной обработки и/или пакетирования.
а также режим ретрансляции. Для взаимодействия с внешними устройствами в режимах стандартного стека используется только интерфейс UART. Дополнительные интерфейсы радиочастотного модуля не используются. Стек S-One загружается в радиочастотные модули при производстве. В стандартном режиме реализуется контроль местоположения пациента.
2. Стек, реализующий режим телеметрии [5]. В технической документации данный стек отнесен к S-One, хотя для него предусмотрен отдельный файл прошивки. Режим телеметрии характерен тем, что в нем помимо интерфейса UART задействуются цифровые и аналоговые входы-выходы, к которым могут подключаться различные внешние источники и получатели данных. В этом режиме функционал разработанной системы мониторинга реализуется полностью при сетевых топологиях "точка-точка" (один сетевой терминал -один датчик) и "звезда" (один сетевой терминал - несколько датчиков).
3. Стек с поддержкой сети (сетевой стек, M-One) с автоматической ретрансляцией, маршрутизацией и автовосстановлением в случае потери связи с отдельными узлами сети [6]. В этом режиме возможно использование всех интерфейсов радиочастотного модуля в полном объеме.
После загрузки программного обеспечения радиочастотный модуль настраивается специальным набором конфигурационных команд [4], [5]. Конфигурационные команды заносят необходимые значения во внутренние S-регистры [4] энергонезависимой памяти модуля, определяющие режимы работы вводов-выводов, а также физические параметры модуля: скорость передачи данных, излучаемую мощность и др. Назначение S-регистров и значения, занесенные в них для модулей датчика и стационарного терминала, приведены в табл. 2 [5]. Указанные настройки реализуют сетевую топологию "точка-точка": стационарный терминал ведет непрерывный мониторинг одного пациента, снабженного датчиком. Датчик передает по радиоканалу информацию о местоположении пациента, о состоянии тревожной кнопки и некоторого непрерывно изменяющегося во времени параметра.
Регистр S240 определяет использование режима пониженного энергопотребления. Поскольку в датчике происходит постоянный мониторинг состояния и местоположения пациента, режим пониженного энергопотребления для него отключен. В применении указанного режима в стационарном терминале нет необходимости, поскольку он питается от внешнего источника.
Регистр S241 определяет период обновления и передачи информации, измеряемый в секундах. Следует учитывать, что в режиме с запрещенной обработкой прерываний этот период не может составлять менее 1 с.
В регистре S256 указывается адрес устройства в сети, с которым текущий радиочастотный модуль будет вести обмен данными по последовательному каналу по умолчанию. Обмен происходит в режиме дистанционного копирования.
Стационарный терминал прототипа сети включает персональный компьютер с установленным на него программным обеспечением для мониторинга подвижных объектов, и радиочастотный модуль с антенной, который через специальную интерфейсную плату подключен к персональному компьютеру через кабель RS-232. На плате имеется набор светодиодов, один из которых отображает сигнал тревоги, поступающий от датчика. Для мониторинга подвижных объектов при испытании прототипа сети с топологией "точка-точка" в стационарном терминале используется стандартное программное обеспечение Top Plan со встроенной картой Санкт-Петербурга. Указанное программное обеспечение
Таблица 2
Регистр Назначение Значение
Датчик Терминал
S201 Скорость обмена данными по радиоканалу, бит/с 38 400 38 400
S210 Скорость обмена данными через последовательный интерфейс ИЛЯТ, бит/с 9600 9600
S220 Статус модуля 7 6
S240 Режим энергопотребления (0 - запрет режима пониженного энергопотребления) 0 0
S241 Период проверки состояния и обновления значений сигналов на входах/выходах, с (передатчик - 1... 255, приемник - 0) 1 0
S243 При включенном режиме пониженного энергопотребления (£240 ф 0) -длительность пребывания модуля в режиме полного энергопотребления, при выключенном режиме - не учитывается 0 0
S252 Адрес радиочастотного модуля в пределах сети (0. 255) 1 255
S256 Адрес устройства для радиообмена по умолчанию 255 1
S258 Адрес устройства, которому будут пересылаться сигналы, поступающие на входы модуля (0 при передаче сигналов всем модулям сети) 255 0
S260 Флаг конфигурации входов-выходов 1/01-1/08 (0 - вход, 1 - выход) 240 15
S262 Разрешение (1) или запрет (0) обработки прерываний по входам-выходам 1/02, 1/05, 1/06 0 0
S263 Периодическая (с частотой 10 КГц) передача 8-битового слова от удаленного устройства на вывод 1/08 модуля (1 - разрешена, 0 - запрещена) 0 0
S264 Дистанционное копирование состояний входов-выходов (1 - разрешено, 0 - запрещено) 1 1
позволяет вести отображение местоположения одного подвижного объекта по навигационным данным, получаемым через COM-порт компьютера.
При тестировании прототипа системы использовались датчики, изготовленные в соответствии со схемой на рис. 2, дополнительно оснащенные набором вспомогательных переключателей для настройки и конфигурирования радиочастотного модуля и набором выводов для подключения внешних устройств.
Питание датчика осуществлялось от аккумулятора. В ходе тестирования прототипа установлено, что энергопотребление радиочастотного модуля достигает 650 мА при работе на передачу с мощностью излучения 500 мВт. Модуль спутниковой навигации с активной антенной потребляет дополнительно 50 мА. Частота выдачи навигационной информации составила 1 Гц, передача данных от датчика к стационарному терминалу происходила с этой же частотой. При питании датчика от Li-Ion-аккумулятора серии BL-5C производства фирмы Nokia емкостью 1020 мАч время его автономной работы не превышало 3 ч., что требует поставить вопрос об увеличении автономности.
На рис. 7 приведены треки подвижного объекта, перемещающегося по территории Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ", зафиксированные стационарным терминалом по информации, полученной от датчика. Стрелками показано направление движения. Стационарный терминал установлен на пятом (верхнем) этаже в точке 1, приемная антенна выведена в окно, выходящее на Аптекарский проспект. Трек на рис. 7, а получен при тестировании датчика, содержащего модуль спутниковой навигации EB-500. В точке 2 на улице датчик был включен. В точке 3 сигнал от датчика был потерян, поскольку на пути распространения радиосигнала с датчика до стационарного терминала находилось несколько зданий. В точке 4 сигнал вновь появился. В точке 5 датчик был выключен.
Рис. 7
Аналогичная ситуация с потерей сигнала наблюдалась и при тестировании датчика с модулем спутниковой навигации А1035-Н (рис. 7, б). Сигнал от датчика был потерян в точке 6, и до точки 7 связь с датчиком была прервана. Неоднозначность определения в зоне 8 возникла при входе носителя датчика в здание, когда сигнал спутников ослаблялся крышей и стенами.
Пропадание связи датчиков со стационарным терминалом подтвердило предположение о существовании в городских условиях мертвых зон, из которых сигнал от датчика не доходит до терминала, и о необходимости развертывания для их ликвидации системы ретрансляторов (см. рис. 4). Тестирование системы с указанной структурой предполагается в дальнейшем.
На основании проведенного тестирования необходимо наметить следующие направления дальнейших разработок.
Повышение длительности автономной работы датчика за счет снижения потребления. Это может быть осуществлено следующими способами:
1. Снижением излучаемой мощности радиочастотного модуля. Например, при излучаемой мощности 100 мВт потребление тока составит 350 мА, что практически в два раза увеличит время автономной работы. Снижение излучаемой мощности до 25 мВт увеличит время автономной работы в восемь раз. Уменьшение радиуса устойчивой работы* должно компенсироваться сетью ретрансляторов (радиоудлинителей), устанавливаемых в местах затрудненного прохождения радиосигнала. Для отслеживания изменений конфигурации сети, связанной входом в зону действия конкретного ретранслятора датчиков и выхода из нее, в радиочастотном модуле последнего должно быть использовано программное обеспечение сетевого стека. Поскольку он имеет ряд специфических особенностей и ограничений, отмеченных в [6], его использование в сети должно быть исследовано отдельно.
2. Использованием режима пониженного энергопотребления (в котором радиочастотный модуль потребляет ток 4 мкА) и системы прерываний для выхода из этого режима. В этих условиях может потребоваться дооснащение датчиков низкопотребляющими узла-
* При излучаемой мощности 25 мВт в условиях городской застройки дальность действия не более 100 м. 42
ми формирования сигнала прерывания в заранее определенные протоколом моменты времени или по изменению контролируемых параметров.
Целесообразно повысить функциональность сети и отдельного датчика. Для этого:
1. Предусмотреть использование обратного канала от стационарного терминала к датчику, по которому в критических ситуациях пациенту могут быть переданы инструкции по самопомощи до прибытия экстренной бригады. Возможно также оснащение датчика устройствами ввода препаратов поддержания жизни в экстренных ситуациях.
2. Повысить частоту передачи данных за счет перехода в радиочастотных модулях датчиков к режиму работы по прерываниям. Это обеспечит контроль аналоговых параметров, изменяющихся с большей скоростью (например, электрокардиограммы).
Следующим направлением разработок и исследований является переход к топологии сети "звезда" с возможностью обработки стационарным терминалом сигналов нескольких датчиков. Для этого необходимо решить следующие задачи.
Разработать формат передачи данных, обеспечивающий идентификацию отдельных датчиков в сети. Поскольку сеть является одночастотной, необходимо рассмотреть возможности кодового и временного разделения каналов и произвести выбор между ними. При кодовом разделении следует использовать дополнительную информацию, имеющуюся в пакетах данных, формируемых радиочастотным модулем [4]—[6]:
• о типе передаваемых данных (данные, передаваемые по интерфейсу UART, или данные о состоянии входов передающего радиочастотного модуля);
• адресную информацию, идентифицирующую источник пакета данных в сети.
При выборе в пользу временного разделения каналов необходимо разработать подсистему поддержания единого времени сети.
Формат передачи должен обеспечивать разрешение конфликтов, связанных с одновременным поступлением на стационарный терминал сигналов от нескольких датчиков (ретрансляторов), а также с многолоучевым распространением сигнала от одного и того же датчика, пришедших через несколько ретрансляторов.
Разработать специализированое программное обеспечение для стационарного терминала, обеспечивающее обработку и отображение информации от нескольких датчиков с обработкой указанных ранее конфликтных ситуаций, а также борьбу с временными пропаданиями данных и с искажениями навигационной информации (см. рис. 7, б). Целесообразно иметь возможность создания каталога электронных карт или планов тех территорий, на площади которых производится мониторинг пациентов.
Список литературы
1. Красичков А. С. Алгоритм индивидуального мониторинга кардиосигнала пациента с ишемической болезнью сердца // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. № 1. C. 50-62.
2. Принципы построения модульной системы для электрофизиологических исследований / Ю. Д. Улья-ницкий, Ю. А. Малых, А. С. Красичков и др. // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2010. № 6. C. 18-22.
3. Кривченко Т. И. Радиомодули и радиомодемы компании One RF для диапазонов 433 и 868 МГц // Беспроводные технологии. 2007. № 2. С. 38-40.
4. Аникин А. П. Радиомодемы компании One RF Technology для диапазонов 434/868 МГц: основные режимы работы // Беспроводные технологии. 2008. № 1. С. 19-24.
5. Аникин А. П. Радиомодули компании Telit для задач беспроводной телеметрии в частотном диапазоне 868 МГц // Беспроводные технологии. 2009. № 2. С. 21-31.
6. Аникин А. П. Особенности построения радиосети Mesh Lite в частотном диапазоне 868 МГц // Беспроводные технологии. 2008. № 3. С. 20-25.
A. S. Krasichkov, A. P. Anikin
Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"
System of personal monitoring and remote diagnostics of patient's health state with possibility of disturbing signal giving
Principles of construction and prototype of wireless system of medical gages for control of patient's health state with function of the disturbing alarm system and possibility of definition of patient's location at a critical situation approach are considered. Options and built in software types are described.
Glonass, GPS, radio channel, ISM, navigation, alarm disturbing system, cardiomonitoring
Статья поступила в редакцию 22 марта 2011 г.
УДК 621.396.96
В. Т. Ермолаев, М. А. Соколов, А. Г. Флаксман
Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского
Пространственное разделение пользователей в системе мобильной связи с адаптивной антенной решеткой при использовании степенного базиса*
Предложен квазиоптимальный метод обработки сигналов, принятых адаптивной антенной решеткой базовой станции мобильной системы связи. Метод основан на разложении весового вектора в конечный ряд по степенным векторам и обеспечивает пространственное разделение пользователей с неизвестным угловым положением в многолучевом канале с произвольной угловой дисперсией. Показано, что ограничение числа членов ряда не приводит к существенному ухудшению эффективности обработки, позволяя при этом значительно сократить объем вычислений.
Антенная решетка, корреляционная матрица сигнала, степенной базис, пространственная обработка сигналов, сигнал с угловой дисперсией, оптимальный прием сигналов
Современное развитие технологий беспроводной связи характеризуется постоянным увеличением скорости передачи данных и числа обслуживаемых абонентов. В последнее время все чаще находят применение системы с разнесенным приемом и/или передачей, использующие адаптивные антенны решетки (ААР) [1]-[3]. Применение ААР повышает качество связи за счет борьбы с глубокими замираниями (федингами) сигнала, а также позволяет увеличить число одновременно обслуживаемых пользователей, фиксируя их пространственное разделение.
Весовая пространственная обработка в ААР должна обеспечивать оптимальный прием сигнала обслуживаемого пользователя при одновременном подавлении сигналов остальных пользователей, которые являются помехами. Указанная проблема хорошо изучена для случая, когда источники сигналов являются точечными (см., напр., [4]). Однако для
* Работа выполнена в рамках ФТНЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России"
(Государственные контракты № 02.740.11.0003 и № 02.740.11.0163). 44 © Ермолаев В. Т., Соколов М. А., Флаксман А. Г., 2011
