Главная | Научная деятельность | Выступления | В.И. Николаев, А.В. Гармонов, Ю.И. Лебедев. Прогноз развития технологий широкополосного доступа двойного назначения до 2020 года

Научная деятельность

В.И. Николаев, А.В. Гармонов, Ю.И. Лебедев. Прогноз развития технологий широкополосного доступа двойного назначения до 2020 года

Выступление заместителя генерального
директора ОАО «Концерн «Созвездие»
Валерия Ивановича Николаева на IX
научно-технической конференции
«Технологическая модернизация –
основа повышения конкурентоспособности
радиоэлектронной промышленности»
(Томск, 14-16-сентября 2010г.)

Проведен сравнительный анализ построения современных систем широкополосного доступа IV и V поколений по критериям помехозащищенности и пропускной способности. Сделан вывод о перспективности технологий на основе ортогонально-кодовых сигнальных конструкций (OCDMA), а также гибридных технологий.

Одним из ключевых направлений развития инфокоммуникационных технологий XXI века является технология широкополосного доступа, основные направления которой определены в международных стандартах IV поколения, в частности в семействе стандартов IEEE 802.16 (WiMAX). Однако ряд важнейших научно-технических вопросов в варианте мобильного исполнения беспроводного широкополосного доступа по технологии OFDMA остаются открытыми, это:

– учет частотно-временных параметров канала распространения в условиях релеевских замираний при больших скоростях движения;

– учет высоких «накладных расходов» при передаче речи по технологиям VoIP;

– снижение качества обслуживания из-за низкой внутрисистемной и межсистемной ЭМС и доплеровских сдвигов частоты и др.

Нерешенность означенных вопросов при реализации мобильного исполнения не позволяет добиться предельных помехоустойчивости, пропускной способности, скорости передачи.

В проведенных ниже исследованиях сделана попытка найти оптимальные решения по перечисленным задачам. В основу исследований положен современный подход к проектированию систем передачи данных для нестационарных каналов, заключающийся в расширении алфавита передаваемого сообщения путем преобразования первичного информационного сообщения в многопозиционную сигнально-кодовую конструкцию, достигая тем самым избыточности сигнала, которая может быть направлена на решение поставленных задач.

Современные радиоэлектронные системы гражданского назначения функционируют, как правило, в условиях сложной радиоэлектронной обстановки, обусловленной влиянием как внутрисистемных, так и внешних помех, и фактически мы имеем дело с дуэльным радиоэлектронным конфликтом (РЭК) между системой связи (СС) и системой помех (СП), потенциально находящихся в условиях динамического равновесия. Результаты такого дуэльного конфликта могут быть смоделированы на основе эргатического подхода с использованием теоретико-игровых методов анализа [1], поскольку технический конфликт СС – СП в конечном счете является реализацией конфликта людей, спроектировавших эти системы. Как и в игре в шахматы, сторонам приходится умозрительно анализировать действия (стратегии) свои и противника и оптимизировать возможные ТТХ систем и способы их применения в условиях априорной неопределенности. При этом надо иметь в виду, что теория игр дает решения оптимальные только в среднем.

В качестве единого показателя эффективности конфликтующих сторон принята средняя вероятность ошибки на бит информации (PE) как основная мера помехоустойчивости систем связи. Путем последовательного выбора наиболее оптимальных стратегий со стороны СС и СП этот показатель эффективности максимизируется со стороны СП (максимин) и минимизируется со стороны СС (минимакс). При этом, если обе цены игры близки между собой, то такая ситуация является игрой с седловой точкой, при которой определенные пары стратегий определяет как максимин, так и минимакс, а их совокупность является решением игры. В результате предварительного анализа возможных системных стратегий для дальнейшего рассмотрения оставлено шесть конфликтующих пар (комбинаций), образуемых тремя типами у СП (помеха в части полосы, ответная следящая и заградительная) и двумя типами у СС (ППРЧ и ШПС). В дальнейшем проводится оптимизация параметров, влияющих на результаты парных конфликтов, в результате которой определяются наилучшие системные стратегии как со стороны СС, так и со стороны СП.

Конфликт СС (с ППРЧ) с ответной следящей помехой является наиболее сложным. Необходимым условием для эффективного подавления является достаточная величина перекрытия помехой длительности элемента ППРЧ. Данный параметр не оптимизируется, а определяется достигнутым соотношением быстродействия в СС и СП. Результат конфликта будет различен для «медленных» и «быстрых» ППРЧ.

На рис.1 [2] представлены зависимости для вероятности ошибки (PE): для СС с ШПС (кривая 2) имеет место классический вид, для СС с быстрой ППРЧ (кривая 1) имеет место экстремальный характер (максимум).

Рис.1. Вероятность ошибки на бит в зависимости от соотношения сигнал-помеха:
для 1 – быстрая ППРЧ и ответная следящая помеха, 2 – ШПС и заградительная помеха,
3 – гибридная технология (ШПС+ППРЧ)

В результате проведенной оптимизации PE для СС с ППРЧ был сделан важный вывод о наличии в функциональной зависимости для PE глобального максимума, поскольку у СП больше нет резервов повышения своей эффективности даже путем увеличения мощности.

Выполненные исследования по шести парам конфликтов СС – СП позволяют сделать следующие выводы:

– для СП перспективными являются заградительные помехи в части полосы, а также ответные следящие помехи с быстродействием более высоким, чем у СС;

– для СС ни одна из стратегий не является доминирующей.

Вместе с тем, обращаясь к рис.1, можно отметить принципиально разный ход зависимости конфликтов «ШПС – заградительная помеха» (кривая 2) и «ППРЧ – следящая помеха» (кривая 1), при том, что указанные помехи являются оптимальными по соответствующим сигналам: ШПС и ППРЧ. Поэтому напрашивается вывод о целесообразности реализации гибридного метода на основе совместного использования ШПС + ППРЧ. При этом будем иметь суммарный выигрыш, величина которого будет определяться методом обработки гибридного сигнала. На рис.1 (кривая 3) представлен суммарный выигрыш в виде средневзвешенной ошибки на бит информации (PE) в зависимости от соотношения сигнал/помеха в случае использования гибридного сигнала. Видно, что PE при реализации гибридной технологии имеет существенно меньшие значения, чем для одиночных стратегий и главное является квазипостоянной во всем диапазоне изменений сигнал/помеха дБ.

В предыдущих рассуждениях под термином ШПС (широкополосный сигнал) мы не конкретизировали его структуру, как часть сложной сигнально-кодовой конструкции. Теоретической основой создания любых мультимедийных систем связи, обеспечивающих высокую степень помехозащищенности канала связи при работе этой системы на принципах разделения каналов с помощью ортогонального кодового мультиплексирования, является теорема Шеннона, а именно основополагающая формула пропускной способности системы связи [3]

,

где C – пропускная способность канала связи, ΔF – полоса пропускания, РС и РШ – мощности сигнала и мощности флюктуационного шума соответственно.

Формула Шеннона обозначает возможные пути решения проблемы работы под шумами мультимедийных систем связи. При вводе понятия удельная скорость передачи информации: (R – скорость передачи), которую можно трактовать, как частотные затраты на передачу информационного сигнала, и понятия удельные энергетические затраты: (E0 – энергия сигнала на 1 бит информации в канале связи, – спектральная плотность мощности шума в канале связи), формула Шеннона преобразуется к виду

и характеризует границы Шеннона для непрерывного сигнала. Её график показан на рис.2.

Рис.2. Границы пределов Шеннона для непрерывного канала связи

Из графика следует, что в зависимости от поставленной цели использования систем связи можно различить три основных направления построения сигнально-кодовых конструкций:

– сигнально-кодовых конструкций (OFDM) для высокоскоростных систем связи, обеспечивающих максимальные пределы пропускной способности каналов связи для заданной полосы пропускания и вероятности ошибки в канале связи, в условиях естественных помех;

– сигнально-кодовых конструкций (OCDM) для каналов связи с достижением максимально-возможной скорости передачи информации при минимально-возможных мощности передающих устройств и полосе пропускания канала связи, а также заданной вероятности ошибки в условиях внутрисистемных и внешних помех;

– сигнально-кодовых конструкций (CDMA) для каналов связи с минимально-возможной вероятностью ошибки при высокой степени возможного поражения канала связи естественными и искусственными помехами.

На рис.3 представлены результаты имитационного моделирования вероятности ошибки для сигнально-кодовых конструкций OCDM (слева) и OFDM (справа). Из графика видно, что помехозащищенность технологии OCDM на ~14 дБ выше, чем у OFDM. При этом технология OCDM значительно уступает OFDM по пропускной способности и скорости передачи.

Рис.3. График вероятности ошибки для сигнально-кодовой конструкции OCDM (слева) и OFDM (справа) (результат моделирования)

Помехозащищенность трёх отмеченных технологий построения систем широкополосного доступа может быть существенно повышена путем реализации гибридных сигнально-кодовых конструкций (ШПС + ППРЧ). В частности, в представленном проекте продемонстрирована возможность достижения предельно высокой помехозащищенности и надежности связи в условиях воздействия как внутрисистемных, так и внешних помех, в том числе от средств радиоэлектронного противодействия, на основе гибридного сигнала CDMA+FHSS.

Проведенные трассовые испытания систем широкополосного доступа, реализованных в стационарном исполнении по технологиям OFDM, OCDM и CDMA+FHSS в части помехозащищенности и пропускной способности, в основном подтвердили сделанные аналитические оценки. Объем статистического материала по трассовым испытаниям систем в мобильном исполнении (абонентский терминал – базовая станция) оказался недостаточным даже для предварительных результатов.

Основными целями последующих этапов работы является разработка концепции построения и структурное моделирование единой аппаратной платформы систем широкополосного доступа на принципах SDR-радио.