Обработка сигналов на фоне негауссовых помех в информационно-телекоммуникационных системах и сетях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, доктор технических наук Шевцов, Вячеслав Алексеевич

• Шевцов, Вячеслав Алексеевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Шевцов, Вячеслав Алексеевич

Введение

1 Метрические пространства и теория аппроксимации

1.1 Нормированные метрические пространства сигналов

1.2 Теория аппроксимации сигналов

1.3 Процедуры и последовательность обработки информации

1.4 Выводы

2 Обработка информации большими системами

2.1 Проблемы интеграции и взаимодействия больших систем

2.2 Теория игр и взаимодействие больших систем

2.3 Принцип максимума в теории больших систем

2.4 Идентификация и управление структурой риска

2.5 Методы оптимизации

2.6 Синхронизация больших систем

2.7 Эффективность алгоритмов компенсации помех

2.8 Выводы '

3 Теория статистических решений

3.1 Исходные предпосылки

3.2 Классическая теория статистических решений

3.3 Критерии оптимальности

3.4 Принцип гарантированного результата

3.5 Выводы

4 Оптимальное выделение сигналов на фоне негауссовых и нормальных 97 помех много-позиционными адаптивными системами

4.1 Пространственно-временная обработка сигналов активно-пассивными 97 системами обнаружения

4.2 Оптимальная обработка в гауссовых помехах

4.3 Примеры активно-пассивных систем

4.4 Оптимальные алгоритмы обработки и электро- магнитная совместимость

4.5 Пространственно-временные статистические характеристики негауссовых 111 процессов

4.6 Оптимальная обработка негауссовых процессов

4.7 Активно-пассивные системы обнаружения сигналов в негауссовых помехах

4.8 Выделение комплексных нормальных процессов

4.9 Анализ эффектов джиттера и вандера

4.10 Выводы

5 Статистический анализ эффективности синхронизации сетей связи

5.1 Сети синхронизации и анализ эффективности

5.2 Частотный метод анализа эффективности синхронизации

5.3 Когерентность и коррелированность синхросигналов

5.4 Оптимизация сетей'синхронизации с обменным и взаимным хронированием

5.5 Оптимальные алгоритмы синхронизации с компенсацией гауссовых помех

5.6 Выводы

6 Фильтрация случайных помех и сигналов

6.1 Корреляционная теория трансверсально-рекурсивных фильтров

6.2 Спектрально-корреляционные связи

6.3 Негауссовы распределения вероятностей и нестационарные свойства 199 угловой модуляции

6.4 Распределения вероятностей негауссовых процессов на выходе фильтров

6.5 Согласованные фильтры

6.6 Модели радиосигналов и алгоритмы обработки

6.7 Реализация оптимальных и эвристических обнаружителей

6.8 Выводы

7 Моделирование оптимальных и реально используемых алгоритмов 265 обработки

7.1 Исходные предпосылки

7.2 Моделирование оптимальных матричных алгоритмов обработки

7.3 Результаты моделирования реальных систем

7.4 Моделирование оптимальных линейных и нелинейных обнаружителей

7.5 Обсуждение результатов

7.6 Выводы 290 Заключение 294 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обработка сигналов на фоне негауссовых помех в информационно-телекоммуникационных системах и сетях»

В перечне приоритетных направлений развития науки и техники, утвержденных Правительством Российской Федерации, направление «информационно-телекоммуникационные технологии» занимает одно из главенствующих мест. Действительно, переход цивилизации в начале этого века к постиндустриальному, информационному обществу ставит во главу угла проблемы связанные с обеспечением высококачественной, высокоинформативной и вседоступной связью, вещанием, доступом к информационным ресурсам. Без внедрения современных информационно-телекоммуникационных технологий в государственные структуры не мыслимо эффективное управление государством, экономикой, обеспечение безопасности и обороны страны.

Одной из важнейших проблем развития современных радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных систем и сетей является загруженность частотного диапазона. Частотный ресурс в современном информационном обществе становится не менее важным природным ресурсом, чем ресурс энергоносителей. Это связано с бурным развитием систем радиосвязи как фиксированной, так и мобильной, развитием спутниковых, наземных и интегрированных - телекоммуникационных технологий, развитием многофункциональных радиоэлектронных систем радиомониторинга и позиционирования. Усиливается актуальность противодействия конфликтам в информационной сфере [1, 54, 55]. На повестку дня встают проекты увеличения скорости и объемов обмена информацией в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и, как следствие, расширение полосы передаваемых сигналов.

В области мобильной радиосвязи разрабатываются проекты создания систем поколения «1МТ - 2000 and beyond» со скоростями передачи данных от 144 кбит/с для высокомобильных абонентов до 2,048 Мбит/с - для стационарных, увеличения объема передаваемой мультимедийной информации [2]. Развиваются беспроводные локальные сети, а также мобильные мультимедийные сети связи ММАС (Multimedia Mobile Access Communication) использующие OFDM - модуляцию, поддерживающие скорость передачи данных до 54 Мбит/с на несущих, близких к 5 ГГц. Среди кандидатов для создания будущей интегрированной системы связи рассматриваются: сети мобильной связи (Mobile Networks); сети беспроводной фиксированной радиосвязи (Fixed Wireless Networks); беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Networks); сети цифрового радио (DAB), а также телевизионного наземного и спутникового вещания (DVB-T, DVB-S) [3,4]. Одним из важнейших направлений, как в радиосвязи, так и в радиолокации, является создание сверхширокополосных радиосистем. В радиолокации это направление связано с созданием принципиально новых высокоинформативных систем радиомониторинга, а в радиосвязи с созданием высокоинформативных систем передачи данных, речи и мультимедиа, работающих в совместных полосах частот с другими радиотехническими системами. Происходит интеграция информационно-телекоммуникационных систем, так, например, неотъемлемой составляющей технологий мобильной связи становятся технологии местоопределения абонентов как в режиме «хендовер», так и в качестве отдельной услуги [5]. Остаются на повестке дня проблемы присущие всем радиоэлектронным информационно-телекоммуникационным системам - это проблемы устойчивой синхронизации сетей, борьбы с замираниями сигналов, проблемы многолучевого распространения, наличия внеполосных излучений и внутрисистемных шумов и помех в радиосвязи (последнее особенно актуально для систем связи с кодовым разделением каналов - CDMA), проблемы борьбы с шумами и помехами в радиолокации и радионавигации. В подавляющем большинстве случаев обработка полезных сигналов в информационно-телекоммуникационных системах ведется на фоне негауссовых, нестационарных во времени и не изотропных в пространстве шумов, помех и мешающих сигналов.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной научно-технической задачи - развития теории и разработки методов оптимальной обработки сигналов на фоне гауссовых и негауссовых помех в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Целесообразность и расширение спектра применения естественно-математических и инструментальных методов в области обработки сигналов на фоне шумов и помех в телекоммуникациях и радиотехнике является мотивированной, что, в частности, подтверждается нарастанием интенсивности потока научных публикаций по этой проблематике в настоящее время практически для всех научных сообществ в мире. Исследованию проблем радиоэлектронных и телекоммуникационных систем и, в частности, теории и методам обработки сигналов на фоне шумов и помех, посвящено большое количество публикаций. Исследованию моделей негауссовых помех посвящены работы: Ф.Е. Фальковича [6], Э. Сэйджа [7], Г. Уилкинсона [8], Б.Р. Левина [9] (прямые вероятностные модели); П.А. Бакута [10], В. Шварца [11], Я.Д. Ширмана [12], В.И. Тихонова [13] (локально-вероятностные модели); А.Н. Малахова [14], Ю.П. Кунченко [15], Дж. Менделя [16] (моментно-кумулянтные модели); P.JI. Стратоновича [17], Ю.Г. Сосулина [18], (марковские модели); А.А. Колосова [19], Ш.М. Чабдарова, Н.З. Сафиуллина, А.Ю. Феоктистова [20] (полигауссовы модели); Д. Хьюбера [21], В.И.

Мудрова и B.JI. Кушко [22] (родственные полигауссовым модели). Большое внимание исследователей посвящено методам оптимизации информационно-телекоммуникационных систем, работающих в условиях шумов и помех. Я.Д. Ширманом предложены и исследованы высокоэффективные методы сжатия сигналов и квадратурной автокомпенсации помех в радиолокации [23].

В качестве наиболее всеобъемлющего обобщения полученных к настоящему времени результатов в этой области следует отметь справочник [24] и учебное пособие[25]. В этих книгах приведена подробная классификация и оценка состояния исследований в области теории и методов построения радиотехнических информационных и телекоммуникационных систем, приведена классификация моделей и шумов, действующих в радиоканале, рассмотрены основные критерии оптимизации систем, приведена классификация методов приема сигналов на фоне негауссовых помех, описаны методы компенсации помех, используемые в радиолокации. Дальнейшее развитие описанных проблем нашли в трудах И.А. Голяницкого [26, 27, 28], которым получены многомерные распределения вероятностей совокупности модулированных сигналов на фоне помех и их нелинейно-инерционной фильтрации, получены оптимальные адаптивные многопозиционные пространственно-временные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех с их компенсацией, развиты методы анализа эффективности радиолокационных систем.

Все перечисленные результаты в основном направлены на оптимизацию радиолокационных систем. В настоящее время, в связи с бурным развитием систем телекоммуникаций, радиосвязи, интеграцией их в многофункциональные информационно-телекоммуникационные системы, актуальным является развитие теории методов оптимальной обработки сигналов на фоне негауссовых помех в близкой по задачам предметной области - радиосвязи, обладающей, однако, своей спецификой и требующей разработки присущих ей моделей шумов и помех.

Цель диссертационной работы заключается в развитии теории и разработке методов оптимальной обработки сигналов на фоне гауссовых и негауссовых помех в радиоэлектронных информационно-телекоммуникационных системах и сетях. Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены следующие научные задачи:

• Исследование нелинейных метрических пространств сигналов, существенно влияющих на эффективность процедур их обработки;

• Исследование многомерных распределений вероятностей совокупности сигналов и помех с учетом многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;

• Развитие методов компенсации мешающих сигналов и помех в системах радиосвязи, действующих в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных цифровых трактах;

• Разработка эффективных пространственно-временных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с FDMA, FDMA и CDMA;

• Разработка эффективных алгоритмов обработки сигналов в сетях радиосвязи с учетом действия мощных активных помех, насыщенной электромагнитной ситуации и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем;

• Оценка эффективности разработанных алгоритмов и адекватности предложенных моделей сигналов и помех.

Интегрально научные результаты, полученные автором в рамках диссертационного исследования, имеют характер вновь созданных объектов интеллектуальной собственности научно-прикладного характера, в диссертации развит нетрадиционный подход к оптимальному синтезу и статистическому анализу эффективности современных и перспективных информационно-телекоммуникационных систем и сетей, что позволило развить теорию приема сигналов и устойчивого функционирования многофункциональных информационно-телекоммуникационных систем в условиях действия негауссовых, нестационарных во времени и неизотропных в пространстве помех и мешающих сигналов. Результаты диссертационного исследования представляют собой: систему методологических принципов оптимизации обработки сигналов на фоне негауссовых помех в современных и перспективных информационно-телекоммуникационных системах и сетях; базовый математический инструментарий, описывающий свойства метрических пространств, влияющие на формирование правил принятия решений при обнаружении сигналов на фоне помех и применимости критериев оптимизации информационно-телекоммуникационных систем и сетей; методы синтеза и анализа алгоритмов обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных цифровых трактах с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех; математический инструментарий для исследования статистических характеристик смеси сигналов и негауссовых и нестационарных помех, используемый при оптимизации характеристик обнаружения сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Диссертация отличается высокой степенью научной новизны как в вопросах теории оптимальных методов обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях, так и в вопросах технического и прикладного характера применительно к сетям мобильной радиосвязи стандартов «1МТ-2000 and beyond», радиолокации и радиопротиводействию. Получены следующие новые результаты:

1. Исследованы свойства метрических пространств при аналоговой и цифровой обработке сигналов на фоне негауссовых помех и исследованы особенности границ областей принятия решений [29].

2. Получены оптимальные алгоритмы обработки сигналов в больших информационно - телекоммуникационных системах и сетях при обнаружении сигналов, оценке их параметров и идентификации (различении и разрешении) при использовании процедур компенсации мешающих сигналов и помех [29, 30, 36].

3. Исследованы области практической применимости критериев оптимальности больших систем, их связь с известными из теории статистических решений критериями с оценкой их преимуществ и недостатков при оптимизации информационно-телекоммуникационных систем и сетей [29].

4. Исследованы оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне негауссовых нестационарных и не изотропных в пространстве помех (как частный случай - на фоне гауссовых помех) с учетом проблемы электромагнитной совместимости радиосистем, многолучевости распространения сигналов, а также эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций [29,31].

5. Синтезированы оптимальные системы синхронизации с учетом помех и мешающих сигналов, и проведен статистический анализ эффективности процедур синхронизации в реально используемых радиолокационных системах и сетях радиосвязи, при отсутствии и наличии процедуры компенсации помех и мешающих сигналов [29, 32, 33, 34].

6. Исследованы многомерные статистические характеристики смесей сигналов и негауссовых помех на выходе узкополосных цепей аналогового типа и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров, изучены нелинейные приемники обнаружения-измерения. Показана необходимость адаптации структуры приемника в зависимости от вида нестационарности помех [29, 35].

7. Приведены результаты имитационного моделирования всех основных теоретических выводов диссертационной работы и показано совпадение результатов экспериментов с теоретическими выводами. Показано, что применение процедуры компенсации помех позволяет увеличить соотношение сигнал/помеха до 25 - 30 дБ - в сочетании с нелинейной обработкой; в сочетании с согласованной фильтрацией - на 20 -25 дБ, в сочетании с адаптацией - на 15 -20 дБ с указанием технических ограничений и возможных перспективных решений [29].

Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в совершенствовании устройств и методов обработки сигналов на фоне помех в больших информационно-телекоммуникационных системах и сетях. В силу общности использованных в работе математических моделей ее результаты применимы при анализе и синтезе технических решений в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, в телекоммуникационных и вещательных сетях.

Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов в больших информационно - телекоммуникационных системах при идентификации сигналов и синхронизации сетей с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

Исследованы области практической применимости критериев оптимальности в теории больших информационно - телекоммуникационных систем на базе обобщенной теории статистических решений.

Предложены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех в активно-пассивных радиолокационных системах и сетях радиосвязи в условиях электромагнитной совместимости радиосистем, в условиях многолучевости распространения сигналов в радиоканале и эффектов джиггера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем.

Найдены показатели эффективности реально используемых систем синхронизации в радиолокации и радиосвязи с применением процедур компенсации мешающих сигналов и помех в радиоканале.

Проведен анализ статистических характеристик сигналов и помех на выходе узкополосных аналоговых и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров с учетом негауссовости и нестационарности распределения вероятностей входных помех для различных моделей сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и для возможных эвристических схем обнаружителей.

Проведено имитационное моделирование всех основных рассмотренных в диссертации оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и мешающих сигналов.

Предложены новые, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ [5, 37 - 49] устройства и способы обработки сигналов в многофункциональных информационно-телекоммуникационных системах.

Основные результаты диссертации нашли применение в работе ФГУП НИИ ТП «Создание унифицированного ряда модификаций высоконадежной бортовой аппаратуры радиотехнических командно-измерительных систем управления космическими аппаратами с высокой помехозащищенностью «Куб-Контур» и «Компарус», удостоенной Премии Правительства РФ в области науки и техники за 2002 г.; на предприятиях ОАО ЦКБ «Алмаз», ОАО «Корпорация «Фазотрон - НИИР», ОАО «Мобильные Теле Системы»; внедрены в учебный процесс [64] на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ по подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника»; нашли отражение в научно исследовательских отчетах, выполненных в рамках Единого заказ-наряда и проектов по инновационным и научно-техническим программам Минобразования РФ; неоднократно докладывались на научно-технических конференциях и семинарах. [32, 35, 50, 51, 56 - 64].

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методы описания функций разграничения в пространстве сигналов информационно-телекоммуникационных систем, функционирующих в условиях действия негауссовых помех, на основе евклидовой метрики.

2. Области применимости критериев оптимизации информационно-телекоммуникационных систем.

3. Методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах в условиях многолучевого распространения радиоволн и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах телекоммуникаций с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

4. Методы синхронизации информационно-телекоммуникационных сетей на основе компенсации рассогласования частотно-временных параметров узлов.

5. Статистические характеристики смеси сигналов и негауссовых нестационарных помех, используемые при оптимизации характеристик обнаружения сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и сетях.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Шевцов, Вячеслав Алексеевич

Основные результаты диссертационной работы нашли применение в работе ФГУП НИИ ТП «Создание унифицированного ряда модификаций высоконадежной бортовой аппаратуры радиотехнических командно-измерительных систем управления космическими аппаратами оборонного и гражданского назначения с высокой помехозащищенностью «Куб-Контур» и «Компарус», удостоенной Премии Правительства РФ в области науки и техники за 2002 г.; на предприятиях ОАО ЦКБ «Алмаз», ОАО «Корпорация «Фазотрон -НИИР», ОАО «Мобильные Теле Системы», внедрены в учебный процесс на факультете радиоэлектроники летательных аппаратов МАИ при подготовке дипломированных специалистов по направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника», нашли отражение в научно исследовательских отчетах, выполненных в рамках Единого заказ-наряда и проектов по инновационным и научно-техническим программам Минобразования РФ, неоднократно докладывались на научно-технических конференциях и семинарах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

С общих позиций функционального анализа и теории обобщённых функций рассмотрены вопросы метрических пространств и теории проектирования (аппроксимации). Показано, что наиболее «естественной» для анализируемых задач является квадратичная (энергетическая) метрика при параметре р=2 в неравенстве Гельдера-Минковского. Пространства с и р=1 и р=оо появляются в задачах кодирования и цифровой обработки сигналов, но требуют аккуратности при классификации дискретных пространств при расчетах вероятностей ошибок с многмерным распределением вероятностей. Рассмотрены также проблемы теории аппроксимации, используемые ниже в задачах компенсации помех и мешающих сигналов, см. главы 2-4.

Исследованы проблемы взаимодействия (в частности, противодействия) больших систем (БС) типа многопозиционных РЛС или совокупности базовых станций мобильных сетей радиосвязи, и не менее большой совокупности целей, т.е. объектов радиолокации или множества абонентов в радиосвязи. Получены следующие основные результаты:

- показано, что классическая теория игр (в том числе и кооперативных) не адекватна проблемам взаимодействия БС, и вообще вероятности «игровых» ситуаций крайне малы;

- показано, что принцип максимума Понтрягина-Валлентайна практически мало эффективен в некоторых, даже конечномерных фазовых пространствах с переменными типа среднего риска и его производными;

- показано, что принцип динамического программирования Беллмана позволяет построить теорию обработки сигналов с компенсацией помех и мешающих сигналов в пространстве дифференцируемых функций, что реализовано в работе с помощью методов Галёркина и коллокаций;

- исследованы методы оптимизации взаимодействия БС: функциональный, безусловный и геометрический, адекватные проблеме взаимодействия БС на разных этапах (в развёртке по времени);

- исследованы БС с переменным риском, и вопросы синхронизации БС методами нелинейных дифференциальных уравнений.

Рассмотрена классическая теория статистических решений (TCP), дополненная затем (помимо критериев минимума среднего риска, Неймана-Пирсона, Вальда и

Зигерта-Котельникова) критериями неклассической нелинейной оптимизации Дж. фон Неймана, абсолютной оптимальности Сэвиджа, доминирования по Парето, взвешенного по Гурвицу, гарантированного результата Гермейера и др. Показано, что проблемам взаимодействия БС наиболее адекватен критерий гарантированного результата Гермейера по причине не противоположности интересов «игроков». Возможны ситуации, когда эффективными могут оказаться критерии гарантированного результата по Нейману, Сэвиджу или Парето. Однако, если перейти от рассмотрения проблемы взаимодействия больших систем к менее общим задачам, например, к отысканию оптимальных алгоритмов обработки информации многопозиционными системами типа совокупности PJ1C или связанных между собой базовых станций сетей радиосвязи, то наиболее адекватным критерием является минимум обобщённого среднего риска, с помощью которого и получены все основные результаты следующего раздела.

На базе исследований глав 1 - 3, по критерию минимума обобщённого среднего риска получены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки совокупности сигналов на фоне помех и мешающих сигналов активно-пассивными системами обнаружения и оценки параметров, принципиально отличающиеся от известных (классических) появлением эффективной процедуры компенсации помех и мешающих сигналов как в радиолокации, так и в системах радиосвязи FDMA, TDMA и CDMA поколений 2G, 3G и «после 1МТ-2000». Доказано, что процедура компенсации приводит к увеличению (до 30-40 дБ) отношений С/П на выходе оптимального обнаружителя, достаточно просто реализуема в широкополосных помехах с совместно гауссовым многомерным распределением вероятностей, и может быть использована в любом месте системы обработки: в антенне или радио тракте, т.к. достаточно первого, или хотя бы одного «мощного луча» при многолучевом распространении сигнала; все остальные подлежат компенсации. Этот результат противоречит общепринятой в литературе концепции весового суммирования лучей, тем не менее является «единственно верным» с позиций теории статистических решений. Результаты экспериментов главы 7, и результаты имитационного моделирования, приведенные в [6-10, 40-42] свидетельствуют о правильности сформулированных выводов. Процедура компенсации может быть осуществлена и. на промежуточной частоте после УПЧ, или после АЦП в цифровом тракте приёмника для сетей радиосвязи с FDMA, TDMA или CDMA; возможны и смешанные варианты компенсации. Но в любом случае при применении процедуры компенсации эффективность приёма и обработки сигналов значительно увеличивается, за что приходится платить, в общем, усложнением приёмной аппаратуры и процессоров, выполняющих процедуру вычислений из-за необходимости обращения матриц большого объёма, элементами которых, в свою очередь, являются матричные массивы авто- и взаимно корреляционных функций сигналов и помех. В связи с этим, в диссертации проблеме упрощения алгоритмов обращения матриц и процессорных вычислений уделено особое внимание. В случае, если массивы помех и мешающих сигналов обладают негауссовыми многомерными распределениями вероятностей, оптимальная обработка, сохраняя процедуры компенсации и линейной матричной согласованной фильтрации, дополняется блоками нелинейной обработки, параметры которых зависят от типа негауссовости и нестационарности помех и мешающих сигналов (последние всегда и неизбежно присутствуют в сетях радиосвязи с CDMA, а в сетях с FDMA и TDMA порождаются многолучевым распространением радиоволн). Показано, что полученные оптимальные алгоритмы обработки сигналов весьма эффективны, и в сложной электромагнитной обстановке, и при решении целого ряда актуальных проблем в радиолокации и радиосвязи (как фиксированной, так и мобильной поколений 2G, 3G и «после IMT-2000»). В работе впервые строго выполнен статистический анализ эффектов джиттера и вандера, проявляющихся в цифровых информационно-телекоммуникационных сетях.

Проведен статистический анализ эффективности сетей синхронизации с плезиохронным, выравнивающим и обменным хронированием с учётом воздействия помех и мешающих сигналов различной природы и мощности, что весьма актуально для сетей связи «после 1МТ-2000», в высшей степени когерентных и синхронизированных на всех уровнях. Впервые выполнен синтез оптимальных алгоритмов синхронизации сетей с обменным и выравнивающим хронированием с учётом воздействия совокупности помех с многомерным совместно-гауссовым распределением вероятностей. Показано, что при наличии опорных (помеховых) каналов оптимальные алгоритмы являются компенсационными. Однако, поскольку процедура синхронизации по определению есть процесс минимизации расхождений между сигналами ведущих и ведомых станций по всем параметрам, то и при отсутствии опорных помеховых каналов оптимальные алгоритмы также являются компенсационными, и содержат на выходе фильтры сжатия сигналов, являющихся предметом особых исследований в следующем разделе.

Исследованы вопросы эффективности фильтрации сигналов на фоне нестационарных гауссовых и негауссовых помех; при этом рассмотрены как аналоговые, так и дискретные трансверсально-рекурсивные фильтры с расчётом динамики и спектрально-корреляционных связей входных и выходных процессов. Доказано, что негауссовость помех на входе фильтров сохраняется и на выходе, т.е. общепринятая гипотеза о нормализации выходных процессов, даже при узкополосности фильтров, зачастую не имеет места по причине нестационарности и негауссовости помех на входе, что показано на примере частотно-модулированной помехи, частота которой модулируется смесью случайных и детерминированных (типа гармонических или «пилообразных») функций, и проверено путём имитационного моделирования. Исследована эффективность согласованных фильтров сжатия, рассчитаны характеристики обнаружения и вероятности ошибок первого и второго родов для всех распространённых моделей сигналов с флуктуирующими параметрами. Приведены пояснения полученным результатам, полностью используемым в следующем разделе.

Проведено имитационное моделирование всех основных оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки с использованием пакетов программ MATLAB 5х. Исследованы простые и сложные сигналы с большими базами, рассчитаны статистические характеристики нормальных и негауссовых, стационарных и нестационарных помех и мешающих сигналов. Экспериментально проверена эффективность линейной и нелинейной процедуры компенсации помех в самых разнообразных, реально наблюдаемых ситуациях (с учетом многолучевости и электромагнитной совместимости), а также алгоритмы линейной и нелинейной обработки сигналов при отсутствии и наличии процедуры компенсации для сигналов с флуктуирующими параметрами при различных моделях каналов радиосвязи. Даны физически наглядные пояснения полученным результатам. Доказано, что, если опорный канал можно сформировать без особых затруднений, то в первую очередь надо использовать процедуру оптимальной компенсации помех и мешающих сигналов, позволяющую реально увеличить отношения С/П на выходе до 25 дБ в большом диапазоне изменения параметров помех, особенно при их гауссовости, стационарности и широкополосности спектра. Если помехи негауссовы, стационарные и широкополосные, то необходимо использовать оптимальную нелинейную обработку наряду с согласованной фильтрацией, что позволяет увеличить отношения С/П до 10 дБ; нестационарность помех при квазиоптимальном адаптивном построении приёмника снижает выигрыши на 2+3 дБ. Оптимальная обработка в целом, как доказано в разделе 4, в условиях широкополосных помех осуществляется параллельными нелинейным и линейно-компенсационным каналами, выходы которых суммируются, и результат поступает на вход согласованного с сигналом фильтра, что позволяет гарантировать увеличение отношения С/П более чем на 10 дБ, иногда до 17+20 дБ. Интуитивно ожидаемых 10+20=30 дБ получить в широкой полосе частот пока не удалось, необходимо переходить к более сложно реализуемым нелинейно-матричным компенсаторам с последующей многомерной цифровой согласованной фильтрацией.

В целом в диссертации развит нетрадиционный подход к оптимальному синтезу и статистическому анализу эффективности современных и перспективных информационно-телекоммуникационных систем и сетей, что позволило развить теорию приема сигналов и устойчивого функционирования многофункциональных информационно-телекоммуникационных систем в условиях действия негауссовых, нестационарных во времени и неизотропных в пространстве помех и мешающих сигналов. В том числе получены следующие основные результаты:

• Исследованы свойства метрических пространств и границ областей принятия решений в теории информационно - телекоммуникационных систем при обработке аналоговых и цифровых сигналов.

• Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов в информационно -телекоммуникационных системах при идентификации сигналов и синхронизации сетей с использованием процедур компенсации мешающих сигналов и помех.

• Развиты методы и критерии оптимальности в теории информационно -телекоммуникационных систем на базе принципа гарантированного результата Гермейера и обобщенного среднего риска.

• Предложены оптимальные пространственно-временные адаптивные алгоритмы обработки сигналов на фоне помех в активно-пассивных радиолокационных системах и сетях радиосвязи в условиях электромагнитной совместимости радиосистем, в условиях многолучевости распространения сигналов в радиоканале и эффектов джиттера и вандера в протяженных трактах цифровых телекоммуникационных систем.

Найдены показатели эффективности реально используемых систем синхронизации в радиосвязи и радиолокации с применением процедур компенсации мешающих сигналов и помех в радиоканале.

Проведен анализ статистических характеристик сигналов и помех на выходе узкополосных аналоговых и цифровых трансверсально-рекурсивных фильтров с учетом негауссовости и не стационарности распределения вероятностей входных помех для различных моделей сигналов в информационно-телекоммуникационных системах и для возможных эвристических схем обнаружителей.

Проведено имитационное моделирование всех основных рассмотренных в диссертации оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов на фоне помех и мешающих сигналов.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Шевцов, Вячеслав Алексеевич, 2004 год

1. Общесистемные вопросы защиты информации. Коллективная монография./ Под ред. Е.М. Сухарева. Кн. 1. - М.: Радиотехника, 2003.

2. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Экотрендз, 1996.-239с.

3. Громаков Ю.А. Концептуальные аспекты развития сотовой связи. //Электросвязь. -2003, №11.

4. Громаков Ю.А. Аспекты внедрения систем сотовой связи третьего поколения. //М.:МАС. 2002, №4.

5. Способ сотовой связи/ Громаков Ю.А., Шевцов В.А. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003124755 от 12.08.2003.

6. Фалькович С.Е., Хомяков В.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. — М.: Радио и связь, 1981.

7. Сэйдж Э., Уайт Ч. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь, 1982.

8. Устойчивые статистические методы оценки данных /Под ред. Р. Лорнера и Г. Уилкинсона. М.: Машиностроение, 1984.

9. Левин Б.Р. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1989.

10. Теория обнаружения сигналов /Под ред. П.А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984.

11. Левин Б.Р., Шварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. М.: Радио и связь, 1985.

12. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.

13. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982.

14. Малахов А.Н. Кумулянтный анализ случайных негауссовых процессов и их преобразований. М.: Сов. радио, 1978.

15. Кунченко Ю.П. Нелинейная оценка параметров радиофизических сигналов. — Киев: Вища школа, 1987.

16. Mendel J. Tutorial on Higher-order Statistics (Spectra) in Signal Processing and System Theory. Proc. IEEE, 1991, № 3.

17. Стратонович. Л.P. Условные Марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. М: Изд-во Моск. ун-та., 1966.

18. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. М.: Сов. радио, 1978.19.