Doktoraty Wydziału IET

mgr inż. Jacek Wszołek

Promotor: dr hab. inż. Wiesław Ludwin (AGH), prof. nz. AGH
Dyscyplina: Telekomunikacja

Technika WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), jako metoda wielodostępu do kanału radiowego jest obecnie w dalszym ciągu powszechnie implementowana w systemach radiokomunikacji ruchomej i mimo konkurencji ze strony innych technik, w tym głównie OFDMA, jest wciąż intensywnie rozwijana. Powoduje to ciągłe zainteresowanie badaniami nad rozwojem i doskonaleniem, między innymi metod odbioru sygnałów szerokopasmowych z bezpośrednim rozpraszaniem widma. Badania te zmierzają przede wszystkim w kierunku opracowania nowych rozwiązań konstrukcyjnych odbiorników WCDMA, które charakteryzując się stosunkowo prostą architekturą zapewniałyby wysoką wierność przesyłanych strumieni informacji.

W systemach UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) podstawową przyczyną ograniczającą pojemność interfejsu WCDMA jest interferencja współkanałowa MAI (Multiple Access Interference), którą na wejściu detektora odbiornika WCDMA można interpretować, jako addytywny szum kolorowy. Destruktywny wpływ tego szumu, który w istotnym stopniu może pogorszyć bitową, symbolową, blokową czy ramkową stopę błędów, można próbować ograniczyć za pomocą odpowiednich algorytmów, implementowanych sprzętowo w formie dedykowanego układu elektronicznego oraz programowo w postaci kodu maszynowego zapisanego w pamięciach i realizowanego w procesorach współczesnych odbiorników WCDMA.

Cel i teza rozprawy

Celem niniejszej rozprawy było zaproponowanie nowej struktury funkcjonalnej odbiornika sygnałów WCDMA, która z jednej strony pozwoliłaby w pełni wykorzystać możliwości sztucznych sieci neuronowych ANN (Artificial Neural Networks) do budowy nieliniowych adaptacyjnych korektorów sygnałowych, z drugiej zaś byłaby odporna na ewentualny brak zbieżności algorytmów ich uczenia – adaptacji. Cel ten postanowiono zrealizować projektując i budując w środowisku symulacyjnym MATLAB prototyp szerokopasmowego odbiornika WCDMA z bezpośrednim rozpraszaniem widma w łączu „w dół” systemu UMTS, w którym występuje interferencja współkanałowa MAI.

Interferencja MAI może powodować w systemach stosujących wielodostęp WCDMA istotne obniżenie pojemności łączy „w dół”, które – wyrażone, na przykład, spadkiem liczby usług telekomunikacyjnych możliwych do zrealizowania na zadanym horyzoncie czasu przez konkretną stację bazową (Node-B) – może z kolei wpływać na znaczne pogorszenie się wyników finansowych operatora sieci UMTS. Stąd dla potrzeb niniejszej rozprawy sformułowano następującą tezę, mówiącą o tym, że:

Możliwe jest opracowanie i zbudowanie nowego, opartego na sztucznych sieciach neuronowych ANN, odbiornika sygnałów z bezpośrednim rozpraszaniem widma, który będzie nie tylko odporny na brak zbieżności algorytmów uczenia sieci neuronowych, ale także będzie bardziej wydajny z punktu widzenia pojemności łącza „w dół” systemu UMTS od obecnie stosowanych odbiorników WCDMA z korektorami liniowymi MMSE.

W celu udowodnienia tak postawionej tezy dokonano szczegółowej analizy szeregu istotnych z punktu widzenia niniejszej rozprawy problemów dotyczących budowy – na bazie dotychczas stosowanego w systemach UMTS odbiornika WCDMA z korektorem liniowym MMSE (Minimum Mean Square Error) – nowego odbiornika wyposażonego w dodatkowy detektor wykorzystujący sztuczne sieci neuronowe.

Dla potrzeb rozprawy opracowano i wykonano w środowisku MATLAB-Simulink model łącza „w dół” systemu UMTS, za pomocą którego przeprowadzono w wybranych środowiskach radiokomunikacyjnych szereg eksperymentów symulacyjnych. Pozwalają one ocenić wydajność nowego, opartego na sztucznych sieciach neuronowych, odbiornika WCDMA oraz porównać go z klasycznym odbiornikiem z korektorem liniowym MMSE.

W szczególności w prezentowanej rozprawie:

1. Dokonano analizy interferencji MAI w odbiornikach sygnałów z bezpośrednim rozpraszaniem widma oraz omówiono wady i zalety współczesnych technik odbioru sygnałów WCDMA w łączu „w dół” systemu UMTS.
2. Opracowano i zaprezentowano koncepcję budowy nowego, bardziej odpornego na interferencję współkanałową MAI w łączu „w dół” odbiornika sygnałów WCDMA, wykorzystującego jako korektor sygnałowy nieliniowy filtr adaptacyjny wykonany w technice sztucznych sieci neuronowych ANN.
3. Zaprojektowano i przedstawiono koncepcję budowy układu monitorującego zbieżność procesu adaptacji neuronowego korektora sygnałowego, którego zadaniem było zapewnienie stabilnej, niedopuszczającej do utknięcia algorytmu nieliniowego filtra adaptacyjnego, zaproponowanego w rozprawie nowego odbiornika, w minimum lokalnym zadanej funkcji błędu.
4. Wykorzystując środowisko MATLAB oraz jego biblioteki, a w szczególności bibliotekę Communication System Toolbox i Neural Networks Toolbox, zaprojektowano i zbudowano symulator łącza „w dół” systemu UMTS.
5. Wykonano szereg szczegółowych symulacji komputerowych, zaproponowanego odbiornika sygnałów WCDMA w różnych konfiguracjach i scenariuszach pracy sieci UMTS w wybranych środowiskach radiokomunikacyjnych.
6. Przeprowadzono szczegółową analizę porównawczą nowego odbiornika WCDMA, wyposażonego w dodatkowy nieliniowy korektor ANN, z tradycyjnym odbiornikiem wyposażonym jedynie w liniowy korektor sygnałowy MMSE. Odbiorniki porównano ze sobą z punktu widzenia kryterium jakości transmisji – mierzonej bitową stopą błędów na wyjściu obu odbiorników dla usługi transmisji danych z SF=8 w obecności zmieniającej się liczby usług głosowych o SF=256, w łączu „w dół” wybranej stacji bazowej Node-B. Porównania odbiorników dokonano także pod kątem złożoności obliczeniowej zastosowanych w nich algorytmów detekcji – mierzonej czasem zajętości procesora, na którym prowadzono eksperymenty symulacyjne. To znaczy, detekcji realizowanej tylko z zastosowaniem liniowego korektora sygnałowego MMSE oraz detekcji z dodanym do korektora MMSE – opartym na sztucznych sieciach neuronowych – nieliniowym korektorem ANN.

Opierając się na wynikach symulacji komputerowych, udowodniono, że jest możliwe zbudowanie, opartego na sztucznych sieciach neuronowych ANN-MLP (MultiLayer perceptron), odbiornika sygnałów z bezpośrednim rozpraszaniem widma, który byłby nie tylko odporny na brak zbieżności algorytmów uczenia sieci neuronowych, ale także – z punktu widzenia pojemności łącza „w dół” systemu UMTS oraz jakości transmisji – byłby on bardziej wydajny od obecnie stosowanych w systemach UMTS odbiorników WCDMA z korektorami liniowymi MMSE.

Rezultaty, przeprowadzonych w ramach niniejszej rozprawy, eksperymentów symulacyjnych pozwoliły na sformułowanie następujących czterech wniosków:

1. Zastosowanie w odbiorniku WCDMA terminala ruchomego UMTS dodatkowego, wykonanego w technice sztucznych sieci neuronowych ANN-MLP, nieliniowego korektora sygnałowego umożliwia poprawę bitowej stopy błędów oraz ogranicza liczbę retransmisji błędnie odebranych za pomocą korektora MMSE ramek.
2. Zainstalowanie w odbiorniku WCDMA terminala ruchomego UMTS dodatkowego nieliniowego korektora sygnałowego, wykonanego w technice sztucznych sieci neuronowych ANN-MLP, pozwala – w porównaniu z odbiornikiem opartym tylko i wyłącznie na korektorze liniowym MMSE – w znaczącym stopniu zwiększyć wielkość ruchu telekomunikacyjnego przenoszonego przez stację bazową systemu UMTS.
3. Zaimplementowanie w odbiorniku WCDMA terminala ruchomego UMTS, wyposażonego w dodatkowy korektor nieliniowy ANN-MLP, układu monitorującego zbieżność algorytmu uczenia sieci neuronowej ANN sprawia, że w sytuacji braku zbieżności tego algorytmu nie obserwuje się ani znaczącego względnego wzrostu czasu RIT_CPU zajętości procesora CPU, ani tym bardziej pogorszenia się bitowej stopy błędów, tzn. BER_ANN ≤ BER_MMSE.
4. Odbiornik WCDMA z dodatkowym korektorem neuronowym ANN zdecydowanie lepiej adaptuje się do bardzo szybkich zmian odpowiedzi impulsowej kanału radiowego, czyli krótkich czasów koherencji kanału, powodowanych dużymi prędkościami terminala UMTS.