Способ подавления помехи множественного доступа в системе цифровой связи
METHOD OF SUPPRESSION OF MULTIPLE- ACCESS INTERFERENCE IN THE DIGITAL COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к области передачи цифровой информации и предназначено для применения в приемных устройствах систем синхронной цифровой связи.
В ряде ситуаций помехоустойчивость приема сигналов цифровой связи ограничивается помехой, обусловленной одновременной передачей в одной и той же полосе частот блока из двух и более элементарных посылок (ЭП) (в соответствии с терминологией, использованной, например, в [1], ЭП - импульс на выходе передающей части системы связи, полученный в результате формирования высокочастотного колебания на основе кода передаваемого символа). Наличие указанной помехи является следствием отсутствия строгой ортогональности между разными ЭП. Указанные ситуации имеют место в следующих двух случаях:
- в системе одноканальной связи с одновременной передачей нескольких ЭП с целью повышения скорости передачи [2];
- в системе многоканальной связи с кодовым доступом (или с CDMA -англ. Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением) [3].
В упомянутой системе одноканальной связи рассматриваемая помеха именуется системной, а в системе многоканальной связи с кодовым доступом - помехой множественного доступа (ПМД). Приведенные ниже описания прототипа и заявляемого способа ориентированы главным образом на систему одноканальной связи с одновременной передачей нескольких ЭП, однако, с точностью до некоторой части терминологии, все сказанное может относиться и к системе многоканальной связи с кодовым доступом. Далее для единообразия используется аббревиатура ПМД для обоих указанных вариантов системы связи. При этом система одноканальной связи с одновременной передачей блока из нескольких ЭП рассматривается как М-канальная, в которой по каждому из М каналов передается 1/М-я часть от всей подлежащей передаче информации. Пользователями рассматриваемой системы одноканальной связи являются фактически одна пара пользователей или единственный источник и единственный приемник, однако далее условно считается, что у системы имеется М пар пользователей. Применением упомянутых терминологических условностей обеспечивается идентичность терминологии (в возможной степени), используемой при описании прототипа и заявляемого объекта.
Известен упомянутый выше аналог [2], в котором скорость передачи ограничивается наличием ПМД. Уровень ПМД пропорционален количеству одновременно передаваемых в одном и том же диапазоне частот ЭП, которое в свою очередь предопределяет скорость передачи. Поэтому наличие ПМД ограничивает максимально допустимые скорость передачи в упомянутой системе одноканальной связи (а также и количество пар абонентов, одновременно пользующихся системой многоканальной связи с кодовым доступом). Указанным обстоятельством обусловлены недостаток указанного аналога, а также актуальность подавления ПМД.
Известен способ подавления ПМД (см. [3], раздел 10.5.1; имеется в виду та часть раздела 10.5.1, которая начинается с 10-й снизу строки текста на с. 402), предусматривающий на каждом такте работы системы связи формирование массива решающих статистик, соответствующих совокупности всех пользователей, определение максимальной из указанных решающих статистик, определение параметров ЭП, соответствующего максимальной из решающих статистик, определение эталона сигнала компенсации компоненты ПМД, порожденной указанной ЭП и вычитание эталона сигнала компенсации ПМД из входной смеси. Данный способ выбирается в качестве прототипа.
Пояснения.
1. Под массивом решающих статистик в настоящем описании понимается массив результатов первичной обработки принимаемой совокупности ЭП в смеси с фоновым шумом. Так, например, в объекте, описанном в [2], массив решающих статистик - это тот массив, который вырабатывается в процессе выполнения операции определения максимума корреляции принятого сигнала с шумоподобным сигналом, сформированным путем фазовой модуляции по закону одной из заранее заданных псевдослучайной последовательности, а именно в итоге вычислении указанной корреляции.
Пример формирования относительно типичной решающей статистики подробно описан, например, в [5].
В [3] при описании прототипа вместо операции формирования решающих статистик говорится об «… оценивании битов пользователей с переходом от сильных сигналов к более слабым…». В данном случае понятие «сильный сигнал» эквивалентно использованному в настоящем описании понятию (термину) решающая статистика, над массивом которых и выполняется операция определения максимальной из этих решающих статистик.
2. Операция, названная выше как «определение параметров ЭП, соответствующего этой решающей статистике», в тексте источника [3] именуется как «определение битов пользователя».
Недостатком прототипа является низкое качество компенсации ПМД, обусловленное возможным несовпадением уровней компенсируемой ЭП и эталонного сигнала компенсации компоненты ПМД. При таком несовпадении в результате реализации прототипа формируется остаточная компонента ПМД весьма существенного уровня, снижающая помехоустойчивость приема информации.
Целью заявляемого способа является повышение эффективности компенсации ПМД, т.е. снижение уровня остаточной компоненты ПМД.
Поставленная цель достигается тем, что способ подавления ПМД в системе цифровой связи, в соответствии с которым на каждом такте работы системы последовательно формируют массив из М≥2 решающих статистик, соответствующих всем ее М пользователям, определяют максимальную (по уровню) из указанных решающих статистик, определяют совокупность параметров ЭП, соответствующей этой решающей статистике, на основе результатов определения указанной совокупности параметров ЭП формируют эталонный сигнала компенсации компоненты ПМД, порожденной указанной ЭП, и вычитают сигнал компенсации ПМД, причем все операции способа подавления ПМД на каждом такте работы системы связи повторяются 2≤N≤М-1 раз, дополнительно формируют масштабный коэффициент сигнала компенсации ПМД и в качестве сигнала компенсации ПМД используют результат умножения эталонного сигнала компенсации компоненты ПМД на указанный масштабный коэффициент.
Блок-схема, иллюстрирующая совокупность операций заявляемого способа, представлена на фиг. 1, где обозначены:
- 1.1...1.М- формирование решающих статистик;
- 2 - определение максимальной (по уровню) из решающих статистик;
- 3 - определение совокупности параметров ЭП, соответствующей максимальной решающей статистике;
- 4 - формирование эталонного сигнала компенсации компоненты ПМД;
- 5 - формирование масштабного коэффициента сигнала компенсации ПМД;
- 6 - умножение эталонного сигнала компенсации компоненты ПМД на масштабный коэффициент;
- 7 - вычитание сигнала компенсации ПМД.
Для пояснения содержания операции (фактически совокупности операций) 1.1…1.M формирования решающих статистик следует определить динамику обновления входных данных и их содержание (или своего рода протокол обмена) заявляемого способа. На каждом (текущем) такте работы системы цифровой связи, в составе которой функционирует заявляемый способ, на его вход поступает (текущий) блок (или совокупность) из М ЭП, каждая из которых, как было указано выше, содержит 1/М-ю часть информации, передаваемой на указанном такте. Длительность этого такта обозначается как τ. В пределах интервала времени, совпадающего с текущим тактом, должен быть реализован полный цикл операций заявляемого способа. Этот полый цикл содержит N≤М-1 фаз. Вначале приводятся пояснения по первой из этих фаз (пояснения по работе заявляемого способа в совокупности всех фаз приведено ниже при описании его работы в динамике).
Реализация подавления заявляемым способом ПМД основана на учете того факта, что при приеме блока ЭП результирующая ПМД есть суперпозиция (сумма) компонент этой ПМД, каждая из которых порождена одной (соответствующей ей) ЭП.
В первой фазе реализации заявляемого способа на текущем такте работы системы связи текущий обрабатываемый блок ЭП, поступающий на вход операции 7, полностью (т.е. без каких-либо изменений) транслируется на вход совокупности операций 1.1…1.М (здесь и в аналогичных случаях далее при указании на подачу сигнала на вход некоторой операции имеется в виду подача указанного сигнала на вход устройства, реализующего соответствующую операцию способа). Каждая m-я (при 1≤m≤М) операция 1.m предусматривает реализацию функции формирования m-й решающей статистики, например, при использовании метода передачи, рассмотренного в [2], как результата вычисления циклической корреляционной функции между входным для описываемой операции сигналом и m-й опорной функцией или, что то же самое, циклической свертки между указанным сигналом и m-й опорной функцией, прочитанной в обратном времени (т.е. если эта функция имеет вид S(t) при значениях аргумента времени t в диапазоне 0…τ, то эта же функция, прочитанная в обратном времени, имеет вид S(τ-t)). Опорная функция, используемая при вычислении указанной свертки, совпадает по форме с пседошумовым сигналом при его нулевом циклическом временном сдвиге (см. также при необходимости описание объекта [2]). При этом устройство, реализующее описываемую функцию, в рассматриваемом примере представляет собой коррелятор. В случае же использования заявляемого способа в системе связи, например, типа МС-5 [6] (или, что то же самое, «Кинеплекс»), совокупность операций 1.1…1.М выполняется вычислителем дискретного преобразования Фурье с последующим вычислением модулей актуальных (т.е. расположенных в рабочем диапазоне частот) коэффициентов этого преобразования.
Решающая статистика, сформированная по m-й ЭП блока (т.е. с использованием m-й опорной функции) именуется m-й.
Операция 2 определения максимальной по уровню из решающих статистик реализуется путем их последовательного сравнения, например, следующим образом: первично выбирается произвольная решающих статистика, запоминается ее уровень и номер (индекс) m и осуществляется последовательное сравнение указанного ее уровня с уровнями прочих решающих статистик (при этом допустим произвольный порядок выбора этих прочих решающих статистик). В процессе такого последовательного перебора прочих решающих статистик при первом же выполнении условия превышения уровня первично выбранной решающей статистики уровнем прочей решающей статистики осуществляется замена первично выбранной решающей статистики на эту прочую решающую статистику (т.е. запоминается уровень и номер этой прочей решающей статистики), и эта прочая решающая статистика далее считается первично выбранной. Далее указанная процедура (т.е. операция 2) продолжается до исчерпания массива всех решающий статистик. Номер m решающей статистики, считающейся на момент окончания выполнения операции 2 первично выбранной и есть результат выполнения операции 2.
Операция 3 определения совокупности параметров ЭП, соответствующей максимальной решающей статистике, реализуется следующим образом. В итоге выполнения операции 2 определен номер m той ЭП, которой соответствует максимальная решающая статистика. При этом, например, при использовании метода передачи, рассмотренного в [2], указанная совокупность параметров ЭП есть введенный в псевдослучайную последовательность циклический временной сдвиг. Операция определения введенного в псевдослучайную последовательность циклического временного сдвига известна, она входит в состав объекта, описанного в [2].
В ситуации использования заявляемого способа в составе системы связи типа МС-5 содержание операции 3 состоит в определении начальной фазы каждой спектральной компоненты, сформированной в результате выполнения упомянутой выше операции вычисления дискретного преобразования Фурье.
Операция 4 формирования эталонного сигнала компенсации компоненты ПМД, например, при использовании метода передачи, рассмотренного в [2], например, при использовании метода передачи, рассмотренного в [2], реализуется путем генерации псевдослучайной последовательности, совпадающей по форме с ЭП, параметр которой (а именно циклический временной сдвиг) определен в итоге выполнения операции 3. Содержание указанной процедуры генерации в рассматриваемой ситуации приведено в [2].
В ситуации использования заявляемого способа в составе системы связи типа МС-5 содержание операции 4 состоит в генерации отрезка синусоиды длительностью τ, причем начальная фаза этой синусоиды равна результату определения начальной фазы m-й спектральной компоненты, сформированной в итоге вычисления дискретного преобразования Фурье.
Операция 5 формирования масштабного коэффициента сигнала компенсации ПМД реализуется, например, путем вычисления корреляции между результатом формирования эталонного сигнала компенсации компоненты ПМД и сигналом, в котором осуществляется компенсация указанной компоненты. В рассматриваемой ситуации масштабный коэффициент сигнала компенсации ПМД принимается равным результату вычисления указанной корреляции.
Входящие связи операции 5 показаны на фиг 1. штриховыми линиями, поскольку при эквивалентном фигурирующему в формуле изобретения варианте реализации способа с компенсацией ПМД не во входном сигнале, а в PC (см. предпоследний абзац настоящего описания) вместо входящей связи операции 5 с выхода операции 7 имеют место входящие связи операции 5 с выходов совокупности операций 1.1…1.М
Операция 6, в соответствии со своим названием, реализуется путем умножения эталонного сигнала компенсации компоненты ПМД, формируемого в результате выполнения операции 4, на масштабный коэффициент, формируемый в результате выполнения операции 5.
Операция 7, в соответствии со своим названием, реализуется путем вычитания сигнала компенсации ПМД, формируемого в результате выполнения операции 6, например, из входного сигнала, реализация которого хранится в буферной памяти, входящей в состав устройства, реализующего эту операцию. В итоге выполнения операции 7 в указанную буферную память записывается результат указанного вычитания (т.е. полученная в итоге вычитания разность), а реализация входного сигнала, хранившаяся в указанной буферной памяти до упомянутого вычитания, стирается.
Все операции заявляемого способа реализуются универсальными программируемыми микропроцессорами. Возможно совмещение реализации нескольких операций способа в одном микропроцессоре.
Заявляемый способ в динамике работает следующим образом. Динамика обновления входного сигнала описана выше. Выше так же указано, что заявляемый способ рассчитан на использование в системах синхронной цифровой связи. При поступлении на вход заявляемого способа реализации очередного блока ЭП (в смеси с фоновым шумом) она записывается в буферную память, входящую, например, в состав устройства, реализующего операцию 7. Длительность указанной реализации равна τ. Далее эта реализация читается на вход совокупности устройств, реализующих совокупность операций 1.1…1.М, после чего последовательно реализуется совокупность операций 2…7, описанная выше применительно к первой фазе отработки своей функции заявляемым способом. В итоге отработки заявляемым способом своей функции в указанной первой фазе на его выходе - это выход операции 3 - формируется совокупность параметров ЭП, соответствующей максимальной (на первой фазе) решающей статистике (как отмечалось выше, в рассматриваемом примере системы связи, работающей по принципу способа [2], эта совокупность параметров - есть циклический временной сдвиг. Указанный сдвиг являются первым результатом отработки своей функции заявляемым способом в первой фазе. Этот результат выдается для его преобразования в кодовую комбинацию упомянутой выше ЭП (см. операции определения комбинации бит переданного символа в описании объекта [2] - эта операция выходит за рамки заявляемого способа). Вторым результатом отработки своей функции заявляемым способом в первой фазе является реализация сигнала, записанная в буферную память, входящую в состав устройства, реализующего операцию 7, в которой указанная ЭП, которой соответствовала максимальная по уровню решающая статистика, удалена. Последнее обеспечивает отсутствие и компоненты ПМД, порожденной указанной ЭП, при отработке заявляемым объектом своей функции во второй фазе.
При реализации второй фазы отработки своей функции заявляемым способом вся совокупность операций способа повторяется при единственном изменении, состоящем в том, что при расчетах по формуле (2) принимается значение . Такой итерационный процесс компенсации отдельных компонент ПМД (т.е. отработка заявляемым способом своей функции в третьей, четвертой и т.д. фазах) может продолжаться в пределе до тех пор, пока не будут компенсированы компоненты ПМД, порожденные всеми ЭП блока. При этом в каждой  фазе отработки заявляемым способом своей функции при расчетах по формуле (2) принимается значение .
В итоге отработки заявляемым способом своей функции N≤M-1 раз (т.е. при реализации N фаз отработки) компенсированы компоненты ПМД, порожденные N ЭП блока. При этом на выходе способа последовательно формируются параметры ЭП блока (введенные на передающей стороне системы связи циклические временные сдвиги), по которым далее (вне пределов заявляемого способа) формируются соответствующие принятым ЭП (их циклическим временным сдвигам) коды. По мере нарастания номера фазы отработки заявляемым способом своей функции  имеет место снижение текущего уровня оставшейся к соответствующему  фазе моменту уровня ПМД, чем обеспечивается возможность правильного определения циклических временных сдвигов в том числе и тех ЭП блока, которым соответствуют решающие статистики, уровни которых на момент начала реализации заявляемого способа были сравнительно низки.
Возможен вариант реализации способа компенсации ПМД, формальное отличие которого от описанного состоит лишь в том, что операция 7 (вычитание сигнала компенсации ПМД) выполняется не над реализацией входного сигнала, а над решающими статистиками, т.е. над результатами выполнения операций 1.1…1.М (формирование совокупности решающих статистик). При этом, например, в случае использования в системе связи метода передачи, рассмотренного в [2], из каждой m-й решающей статистики в каждой фазе отработки заявляемым способом свой функции вычитается компенсирующий ПМД сигнал, сформированный путем вычисления циклической взаимно корреляционной функции между сигналом, являющимся результатом выполнения операции 6, и опорной функцией, совпадающей по форме с m-й опорной функцией, использованной при выполнении операции 1.m. Этот вариант реализации способа компенсации ПМД по своему замыслу является эквивалентным описанному выше и фигурирующему в формуле изобретения, т.е. он является эквивалентом заявляемого способа.
Достижение технического эффекта в заявляемом способе обусловлено реализацией в нем совокупности операций, обеспечивающих выравнивание уровней компенсирующей и компенсируемой компонент ПМД, порожденных совокупностью ЭП блока. В отсутствие же такого выравнивания компенсации ПМД в общем случае фактически не происходит.
Использованные источники
1. Фано Р. Передача информации. Статистическая теория связи. Пер. с англ. / Под ред. Р.Л. Добрушина. - М.: Мир. 1965. - 440 с.: ил.
2. Голубев А.Г. Способ передачи информации в системе связи с шумоподобными сигналами. Пат. №2549188. Заявл. 09.01.14.
3. Ипатов В.П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. - М.: Техносфера, 2007. - 488 с.: ил.
4. Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. -М.: Радио и связь. 1991. - 296 с.: ил.
5. Костылев В.И., Сличенко М.П. Решающая статистика энергетического обнаружителя при приеме радиосигналов на фоне полигауссовского шума. Вестник ВГУ. Серия Физика. Математика. 2010. №1.
6. Аппаратура передачи дискретной информации МС-5. Под ред. A.M. Заездного и Ю.Б. Окунева. - М.: Связь. 1970. - 150 с.: ил.
7. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. 3-е изд. - М.: Радио и связь, 1989. - 654 с.: ил.