Адаптивные антенные решетки телекоммуникационных систем, реализующие градиентные алгоритмы в статической или динамической системе координат управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Хассан Али

• Хассан Али
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хассан Али

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1 ТЕОРИЯ И ТЕХНИКА AAP. КРАТКИЙ ОБЗОР. ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Предварительные замечания

1.2 Назначение AAP и их классификация

1.3 Классификация AAP

1.3.1 Полоса частот 1 б

1.3.2 Структура антенной решётки

1.3.3 Критерий адаптации

1.3.4 Алгоритмы адаптации

1.3.5 Обработка сигналов

1.4 Краткий обзор публикаций в области адаптивной компенсации помех

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2 АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЁТКИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ, УПРАВЛЯЕМЫЕ В

СТАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ КООРДИНАТ

2.1 Эффективность телекоммуникационных систем адаптации

2.2 Описание сигналов и временных процессов в узкополосных AAP

2.3 Целевые функционалы AAP телекоммуникационных систем

2.3.1 Функуцонал 0,(w)

2.3.2 Функционал <p2(lv)

2.3.3 Функционал 4>3(w)

2.4 Градиенты целевых функционалов

2.5 Динамика процесса адаптации

2.5.1 Вводные замечания. Структурные схемы AAP

2.5.2 Вычисление собственных векторов матрицы < R" >

2.5.3 Стационарные режимы AAP

2.6 Расчётные результаты

2.7 Выводы-по главе

ГЛАВА 3 АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЁТКИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ, УПРАВЛЯЕМЫЕ В ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ КООРДИНАТ

3.1 Динамическая система исполнительных координат

3.2 Анализ рельефа целевых функционалов

3.2.1 Вводные замечания

3.2.2 Алгоритм и программа поиска локальных минимумов функции многих переменных

3.2.3 Подпрограмма построения гистограмм

3.2.4 Рельеф функционала РвпЬ1Х в конкретных помеховых ситуациях

3.3 Градиентные алгоритмы адаптации в динамической системе координат и соответствующие им структурные схемы AAP 112"

3.3.1 Численныерезультаты

3.4 выводы по главе

ГЛАВА 4 ДИНАМИКА ПРОЦЕССА АДАПТАЦИИ С УЧЁТОМ

РЕАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Комплексный весовой умножитель (КВУ)

4.1.1 Реализация КВУ на СВЧ

4.1.2 Область регулирования весового множителя

4.1.3. Динамика процесса адаптации при наличии мертвых зон КВУ

4.1.4. Результаты компьютерного моделирования

4.2. Комплексный коррелятор

4.3 Приёмник с логарифмической амплитудной характерисикой 146>

4.3.1 Алгоритм линейно-ломаной аппроксимации ЛАХ

4.3.2 Динамика процесса регулирования

4.3.3 Численныерезультаты

4.4 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивные антенные решетки телекоммуникационных систем, реализующие градиентные алгоритмы в статической или динамической системе координат управления»

Формулировка проблемы и её актуальность

Адаптивные антенные решётки (AAP) позволяют за счёт корреляционной обработки совокупности принятых сигналов сформировать глубокие провалы в ДН основного канала приёма, ориентированные на источники мешающих сигналов. За счёт этого значительно повышается помехозащищённость, и сохраняются функциональные показатели радиоканала. В частности, пути совершенствования следующего поколения систем сотовой радиосвязи, связывают с разработкой, так называемых "умных антенн" (smart antennas), формирующих диаграмму направленности (ДН) с максимумом на абонента и с провалами на источники внутрисистемных или иных мешающих сигналов [http://www.ascor.eltech.ru]. Такие антенны строятся на принципах адаптивных АР.

История развития техники AAP свидетельствует о том, что AAP разрабатывались преимущественно в интересах радиолокационных систем. В частности это проявляется в том, что критерии адаптации в подавляющем большинстве случаев ориентированы исключительно на повышение соотношения сигнал/(помеха + шум) или оптимизацию иных критериев обнаружения сигналов.

В системах радиосвязи и телекоммуникаций, естественно, соотношение сигнал/(помеха + шум) остается важнейшей характеристикой качества приема, однако важно в процессе адаптации (формирования провала на источник мешающих сигналов) в возможной степени сохранять зону связи, т.е. в возможной степени сохранять исходную ДН. Это требование должно учитываться в критериях оптимизации AAP телекоммуникационных систем (ТКС).

Таким образом, критерии оптимизации, структурные схемы и потенциальные характеристики AAP, предназначенных для работы в составе ТКС с одной стороны, востребованы тенденциями развития систем телекоммуникаций, а с другой стороны изучены не достаточно полно. Поэтому работа в этом направлении является актуальной.

Предметом исследования являются критерии оптимизации, структурные схемы цепей адаптации, потенциальные характеристики AAP, адекватные специфике функционирования ТКС.

Объект исследования. AAP, предназначенные для повышения помехозащищенности телекоммуникационных систем, структурные схемы и функциональные элементы соответствующих AAP.

Цель работы уменьшение потерь зоны связи ТКС в условиях воздействия мешающих сигналов.

Задача исследования. Разработка алгоритмов адаптации и структур AAP адекватных специфике функционирования ТКС. В частности, для достижения поставленной цели необходимо:

• Уменьшающих потери зоны связи ТКС в условиях воздействия мешающих сигналов.

• сформулировать критерии адаптации антенных решеток, адекватно отражающие требования к телекоммуникационным системам;

• разработать структурные схемы цепей адаптации, осуществляющих регулирование в статической или динамической системе исполнительных координат;

• исследовать потенциальные характеристики AAP, оптимизирующих предложенные критерии;

• оценить влияние технических ограничений, присущих реальным функциональным элементам AAP, на процесс адаптации и установившиеся состояния.

Методы исследования: теория оптимизации, линейное и нелинейное программирование; статический анализ, матемагическое моделирование динамических систем, в частности, в среде MatLab-Simulink.

Достоверность и обоснованность. Достоверность результатов является следствием использования корректных математических методов, подтверждается имитационным моделированием процессов адаптации, а также положительной реакцией научной общественности при обсуждении результатов выполненных исследований на международных научно-технических конференциях.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

• предложены целевые функционалы оптимизации AAP, адекватные особенностям функционирования ТКС;

• разработаны структурные схемы AAP, реализующих алгоритмы антиградиентного спуска к минимумам предложенных критериев в статической или динамической системе исполнительных координат;

• выявлена структура локальных минимумов целевого функционала при амплитудном или фазовом управлении;

• получены статистические оценки потенциальных характеристик AAP типичных геомегрий (линейная, кольцевая) с полной и частичной адаптацией.

Практическая ценность работы связана с тем, что ее результаты позволяют уменьшить потери зоны радиосвязи при адаптивном формировании ориентированных на источники помех провалов ДН.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Девятой Международной НТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТиТТ - 2008 (Казань, 2008 г.); Нигматуллинские чтения (Казань, 2008); XVI Туполевские чтения (Казань, 2008); «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2009 г.); VIII Международная НТК «Физика и технические приложения волновых процессов-2009» (С-Петербург); VIII Международная конференция, «Авиация и космонавтика-2009» (Москва).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ: 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья в сборнике научных трудов, 5 тезисов докладов.

Использование результатов работы. Результаты выполненных исследований использовались учебном процессе: 1) в редакционно-издательский отдел КГТУ им. А.Н.Туполева сдано методическое пособие "Моделирование полосковых устройств СВЧ в среде Microwave Office. Часть 2. Электродинамическое моделирование"; 2) на сервере кафедры РТС КГТУ им. А.Н. Туполева в каталоге Z:\Docs\AHTeHiibi&yCB4 размещены компьютерные программы для исследования характеристик ААР; 3) по тематике диссертационной работы выполнялись дипломные проекты студентами специальностей 210402 "Средства связи с подвижными объектами" и 210404 "Многоканальные телекоммуникационные системы".

Основные положения, выносимые на защиту

• функционалы оптимизации, учитывающие требования к сохранению рабочей зоны, и критерий оценки эффективности ААР.

• структурные схемы цепей адаптации, осуществляющих управление исполнительными элементами в статической и динамической системах координат;

• результаты статистического моделирования динамики процесса адаптации и потенциальных характеристик ААР, оптимизирующих предложенные критерии;

• результаты исследования структуры целевых функционалов (числа локальных минимумов и их уровня) при амплитудном и фазовом регулировании, алгоритм ранжирования локальных минимумов целевых функционалов;

• алгоритм квазичебышевской аппроксимации логарифмической амплитудной характеристики приёмного тракта и результаты цифрового моделирования динамики процесса адаптации;

• оценки влияния мёртвых зон комплексного весового умножителя на процесс адаптации и установившиеся состояния ААР.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Хассан Али

Основные результаты выполненной работы сводятся к следующему: введены критерии адаптации антенных решеток, адекватные требованиям к ТКС; разработаны структурные схемы цепей адаптации, осуществляющих регулирование в статической или динамической системе исполнительных координат;

• исследована структура локальных минимумов оптимизируемого функционала при фазовом или амплитудном регулировании; предложена процедура ранжирования локальных минимумов; выяснено, что при числе помех меньшем числа компенсаторов эффективность AAP, реализующих амплитудное регулирование, не значительно уступает эффективности комплексного регулирования, в то время как фазовое регулирование заметно хуже амплитудного;

• исследованы потенциальные характеристики AAP, оптимизирующих предложенные критерии; как показывают результаты статистического моделирования критерию Ф3(\¥) свойственно меньшее сокращение зоны связи в процессе адаптации, и выигрыш в среднем может составлять 30%; оценено влияние технических ограничений, присущих реальным функциональным элементам AAP, на процесс адаптации и установившиеся состояния.

1. А. Хассан, Чони Ю.И., Процессы адаптации и характеристики антенных решеток, управляемых в динамической системе координат.// Антенны. Москва, Радиотехника, 2009. - № 11. - С. 19-23.

2. А. Хассан, Чони Ю.И., Динамика процессов регулирования в адаптивных антенных решетах с логарифмическими приемниками.// Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - Казань, 2009: - № 3. - С. 60-62.

3. А. Хассан, Чони Ю.И., Анализ динамики адаптации в ААР с учётом логарифмических амплитудных характеристик приемников.// Сборник научных трудов «Современные проблемы радиоэлектроники» - Красноярск, ИПК СФУ, 2009-С. 46-49.

4. А. Хассан, Чони Ю.И., Расчёт параметров телекоммуникационных адаптивных антенн с учётом нелинейности амплитудных характеристик тракта.// Девятая Международная НТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» - Казань, 2008 - С. 326-327.

5. А. Хассан, Алгоритм кусочно-линейной аппроксимации логарифмической характеристики в чебышевском приближении.// Девятая Международная НТК «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» -Казань, 2008-С. 328.

6. А. Хассан, Чони Ю.И., Ослабление мешающих сигналов в адаптивных антенных решетках при амплитудном или фазовом регулировании.// VIII Международная НТК «Физика и приложение волновых процессов-2009», С-Петербург - С. 155-156.

7. А. Хассан, Чони Ю.И., Адаптивные антенные решетки, функционирующие в динамической системе координат управления.// Восьмая Международная Конференция, «Авиация и космонавтика-2009», Москва.

8. А. Хассан, Чони Ю.И., Электродинамическое моделирование полосковых устройств в среде Microwave Office.// XVI Туполевские чтения, Казань, 2008 - С. 50.

9. В. Widrow, Р.Е. Mantey, L.J. Griffiths, B.B. Goode, Adaptive Antenna Systems. Proceedings of the IEEE, Vol. 55, №12, December 1967.

10. Dylan Jorgensen, Chris Loadman and Zhizhang (David) Chen, Retrodirective Antenna Systems for Wireless Communications. CNSR 2003, Moncton, New Brunswick, Canada.

11. MATLAB: The Language of Technical Computing. Version 7. Publisher: The Math Works Ind. 2004, 702 pages.

12. R. T. Compton, Jr., "Adaptive Arrays: On Power Equalization with Proportional Control", Ohio State University, December 1971.

13. S. P. Applebaum "Adaptive Arrays" Syracuse University Research Corporation, Rep. SPL TR66-1 August 1966.

14. Steven T. Karris, Introduction to Simulink with Engineering Applications. Orchard publications, 2006.

15. Адаптивная компенсация помех в каналах связи / под ред. Ю.И. Лосева. - М.: Радио и связь, 1988.-208 с.

16. Атражев М.П., Ильин В. А., Марьин Н.П. Борьба с радиоэлектронными средствами. - М.: Воениздат, 1972. - 272 с.

17. Бакалов В.П. Цифроавое моделирование случайных процессов: Уч. пос. // Серия "Консп. лекц. по радиотехн. дисципл." - вып. 4 - М.: Сайнс-Пресс, 2002.

18. Бакулев П. А., Радиолокационные системы / М.: Радиотехника, 2004, 320 с.

19. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2000. - 464 с.

20. Белов Л.А.Синтезаторы частот и сигналов: Уч. пос. // Серия "Консп. лекц. по радиотехн. дисципл." - вып. 9 - М.: Сайнс-Пресс, 2002.

21. Богачев В.А. Подавление помех системой адаптивной компенсации при неидентичных частотных характеристиках приемных каналов: Автореф. Дисс. На соиск. уч. ст. к.т.н. - Новосибирск, 1999 - 18 с.

22. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. и др. Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. М.: Радио и связь, 2000. - 384 с.

23. Борисов Ю.П., Валуев A.A., Евсиков Ю.А. Моделирование радиоустройств и систем методом комплексных амплитуд. /Под ред. Ю.П. Борисов - М.: МЭИ, 1991. - 87 с.

24. Борисов Ю.П., Цветнов В.В. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройства М.: Радио и связь, 1985.

25. Буга H.H., Фалько А.И., Чистяков H.H. Радиоприемные устройства -М.: Радио и связь, 1986. - 320 с.

26. Васин В. В., Степанов Б. М., Справочник задачник по радиолокации/ Москва, Советское радио, 1977 - 321 с.

27. Гантмахер Ф. Р., Теория матриц / М.: Наука, 1966, 576 с.

28. Гейбриел У. Введение в теорию адаптивных антенных решёток / ТИИЭР, 1976 - Т.64 - № 2 - С. 55-95.

29. Гришин Ю. П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Радиотехнические системы / Высшая школа 1990 - 250 с.

30. Евсиков Ю.А., Обрезков Г.В. Методы статистического анализа радиотехнических систем / Ред. В.М. Чиликин / М.: МЭИ, 1981, 88 с.

31. Журавлев А.К., Лукошин А.П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1983.

32. Застела М. Ю., часть I - Основы радиоэлектроники и связи / Казань: Новое знание, 2009 - 216 с.

33. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова. - М.: Сов. радио, 1976. - 496 с.

34. Зелкин Е. Г., Соколов В. Г., Методы синтеза антенн / Советское радио, 1980, 296 с.

35. Карташевский В.Г., Кловский Д.Д., Мишин Д.В. Адаптивная фильтрация сосредоточенных помех в канале с переменными параметрами при разнесенном приеме // Электросвязь. - 1996. - №7 - С. 22-25.

36. Козел В.М. Адаптивные устройства подавления негауссовых помех со случайной изменяющейся структурой: Автореф. дисс. На соиск. уч.ст. к.т.н. -Минск: МРТИ, 1993.-19 с.

37. Мишина А. П., Проскуряков И. В., Высшая алгебра / М.: Физьатгиз, 1962,300 с.

38. Монзинго Р. А., Миллер Т. У., Адаптивные антенные решетки / М.: Радио и связь, 1986, 448 с.

39. Палий А.И. Радиоэлектронная- борьба. Средства и способы подавления и зашиты радиоэлектронных систем: - М.: Воениздат, 1981. - 320 с.

40. Парнес М., Адаптивные антенны для системы связи WiMax // Компоненты и технологии, 2007. № 4. - С. 156-1580.

41. Первачев C.B. Радиоавтоматика. - М.: Радио и связь, 1982, - 296 с.

42. Петров А.Р. Исследование и разработка адаптивных компенсаторов квазигармонических помех в системах со сложными сигналами: Автореф. дисс. На соиск. уч.ст. к.т.н. -М.: МТУСИ, 1993.-19 с.

43. Пистолькоре А. А., Литвинов О. С., Введение в теорию AAP / M: Маука 1991.

44. Пистолькоре А. А., Литвинов О. С., Введение в теорию AAP РТ // Радиотехника, 1979 т.34 W5 с 7-15.

45. Пистолькоре А. А., О расчете статического режима адаптивной антенной решетки // Техническая физика. ДАН СССР. - 1979. - Т. 244. - № 3. -С. 590 - 594 .

46. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: ЗАО "Маквис", 1998. - 826 с.

47. Ремизов Л.Т. Естественные радиопомехи. - М.: Наука, 1985. -200 с.

48. Сазонов Д. М., Антенны и устройства СВЧ / М.: Высш. шк., 1988, 432 с. 13

49. Стартонович Р.Л. Принципы адаптивного приема. М.: Сов. радио, 1973.- 144 с.

50. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: радио и связь, 1982.-624 с.

51. Уидроу Б., Стириз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с анл. -М.: радио и связь, 1989.-440 с.

52. Чони Ю. И., К синтезу антенной системы по заданной амплитудной диаграмме направленности. Известия вузов. 1968. №12. с. 1325-1327.

53. Чони Ю. И., Синтез антенн по заданной амплитудной диаграмме направленности. Радиотехника и электроника. 1971. №5. с. 726-734.

54. Чони Ю. И., Оптимальные адаптивные антенные решетки систем связи и навигации, Радиотехника и электроника, т. 35. 1990. №2. - С.335-340.

55. Ширман Я. Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981, 416 с. 16

56. Щесняк С. С., Попов М. П., Адаптивные Антенны / С-Петербург: Воения инж-космич. Краснознам академия, 1995.

57. Щесняк С.С., Попов М.П. Адаптивные антенны. - СПб.: Изд-во ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1995. - 800 с.

58. Пат. № 1840570 А1 РФ, Н01С> 3/26. Многолучевая адаптивнная антенная. Ермолаев Виктор Тимофеевич, Крылов Игорь Георгиевич, Краснов Борис Александрович, Жохов Павел Федорович, Флаксман Александр Григорьевич. 27.08.2007.

59. Пат. № 2004136536 А РФ, Н04В 1/10. Адаптивный компенсатор помех. Пикалов Виталий Александрович, Шишкин Юрий Васильевич. 10.06.2006.

60. Пат. № 2005104292 А РФ, Н04В 1/10. Способ исключения влияния сигналов абонентских станций с 1111РЧ на систему компенсации помех ретранслятора связи с многостанционным доступом и система компенсации помех / Косов Семен Борисович, Ткачу к Геннадий Викторович. 27.07.2006.

61. Пат. № 2160498 С2 РФ, Н04В 1/10. Устройство адаптивного подавления помех. Карташевский В.Г., Мишин Д.В. 10.12.2000.

62. Пат. № 2204841 С2 РФ, G01S 7/36. Цифровой компенсатор помех. Рыжков А.П., Семенов С.М. 20.05.2003.

63. Пат. № 2269200 С2 РФ, Н04В 1/10. Устройство подавления помех. Бурковский Василий Николаевич, Вознюк Михаил Алексеевич, Мясников Олег Геннадьевич, Потылицын Юрий Игнатьевич. 10.02.2005.

64. Пат. № 2271057 С2 РФ, H01Q 3/26. Адаптивная антенная решетка, компенсирующая результат сканирования диаграммы направленности. Слугарев Олег Александрович, Гелесев Александр Иванович. 27.02.2006.

65. Пат. № 2271066 С2 РФ, Н04В 1/10. Способ адаптивной компенсации. Ткачук Геннадий Викторович. 27.02.2006.

66. Пат. № 2282939 Cl РФ, Н04В 1/10. Адаптивный компенсатор помех. Пикалов Виталий Александрович, Шишкин Юрий Васильевич. 27.08.2006.

67. Пат. № 2287880 С2 РФ, H01Q 21/29. Способ формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки / Родионов Виктор Сергеевич, Родионов Сергей Валерьевич. 20.11.2006.

68. Пат. № 2327183 Cl РФ, G01S 7/36. Компенсатор помехи. Рыжков Алексей Петрович, Скобеев Игорь Анатольевич. 20.06.2008.

69. Пат. № 2339132 Cl РФ, H01Q 21/00. Адаптивная антенная система для панорамного радиоприемника. Варфоломеев Игорь Станиславович, Хиченков Алексей Валерьевич, Павлов Виктор Анатольевич, Павлов Сергей Викторович. 20.11.2008.

70. U.K. Patent 2323969 "Adaptive antenna arrays". Philip John Hargrave, Jhone Edward Hudson, J.G. Searle, C.R. Ward. Patented July. 10,1998.

71. U.K. Patent 2213994 "Adaptive antennas". Christopher Report Ward, Anthony John Robson, Philip John Hargrave. Patented Aug. 23, 1989.

72. U.S. Patent 3202990 "Intermediate Frequency Side-Lobe Canceller". P.W. Ho wells. Patented Aug. 24, 1965.

73. U.S. Patent 3978483 "Stable Base Band Adaptive Loop". B.L. Lewis, J.P. Hansen. Patented Aug. 31, 1976.

74. U.S. Patent 0023383 "Distributed conformal adaptive antenna array for SATCOM using decision direction". David Keith Mesecher. Patented Jan. 22, 2009.

75. U.S. Patent 0189520 "Adaptive antenna array system and weighting coefficient computation control method". Shi Song. Tohru Sunaga. Patented Sep. 30, 2004.

76. U.S. Patent 5819168 "Adaptive communication system and method using unequal weighting of interface and noise". Glenn David Golden, Carol Catalano Martin, Nelson Ray Sollenberger, Jack Harriman Winters. Patented Oct. 06, 1998.

77. U.S. Patent 4222051 "Cascaded digital cancellers" F.F. Kretschmer, Jr., B.L. Lewis. Patented Sep. 9, 1980.

78. U.S. Patent 5351058 "General purpose sidelobe canceller system" F.F. Kretschmer, Jr., B.L. Lewis. Patented Sep. 27, 1994.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ