Введение 4
Глава 1. Современные принципы конструирования последовательностей
систем радиодоступа с кодовым разделением каналов 14
1.1. Особенности построения широкополосных систем связи на базе технологии
CDMA 14
1.2. Последовательности для систем связи по технологии DS-CDMA 21
1.3. Критерии выбора ансамблей прсевдослучайных последовательностей
для систем с CDMA 31
Глава 2. Математические основы построения классов ПСП GMW и их
свойства 35
2.1. Разностные множества и последовательности с двухуровневой ПАКФ 35
2.2. Алгебраическо-комбинаторные основания построения ПСП GMW 38
2.3. Мощность и общее число классов ПСП GMW 45
2.4. Статистические свойства 59
2.5. Структурные свойства 61
2.6. Линейная сложность 63
Глава 3. Исследование взаимной корреляции двоичных последовательностей
на основе разностных множеств типа Адамара 75
3.1. Основные взаимно-корреляционные свойства и тождества 75
3.2. Метод изоморфных коэффициентов 78
3.3. Взаимно-корреляционные лики m-последовательностей 84
3.4. Взаимно-корреляционные пики последовательностей GMW 91
3.5. Взаимная корреляция последовательностей Холла и Лежандра 95
3.6. Последовательности значности 127 100
Глава 4. Генераторы последовательностей GMW .’ 110
4.2. Декомпозиционные генераторы последовательностей GMW 111
4.3. Генератор последовательностей GMW на основе следов Галуа 122
4.4. Генератор последовательностей GMW на основе сдвигов
ш-последовательностей 124
Глава 5. Применение новых классов ПСП в системах связи с CDMA 134
5.1. Ортогональные производные системы сигналов на основе ПСП GMW 134
5.2. Применение последовательностей GMW для повышения
безопасности CDMA систем на основе стандарта IS-95 138
5.3. Формирование максимальных по объему подмножеств квазиоптимальных
последовательностей 147
5.4. m-подобные последовательности над GF(2m) и их применение
в широкополосных системах связи 150
Глава 6. Экспериментальная проверка применения новых классов
ПСП в сетях фиксированной связи по технологии CDMA 163
6.1. Кодовые последовательности для расширения спектра в радиосистеме многостанционного доступа "СТС-ИСТОК CDMA РРК 3/5.0" 163
Заключение 171
Библиографический список использованной литературы 175
Приложения 183
Приложение 1. Тексты программ расчета координат векторов сдвигов
генераторов ПСП GMW 183
Приложение 2. Псевдослучайные последовательности типа Адамара
длины 127
Купить

Мир сегодня переживает поистине самую настоящую "бескровную" революцию в области информационно-телекоммуникационных технологий (ИТТ), которые становятся одним из наиболее важных факторов, влияющих на формирование общества 21 века. Их воздействием в значительной степени обусловлены наметившиеся тенденции к глобализации мировой экономики и к построению информационного общества. На состоявшемся в июле 2000г. на Окинаве форуме глав восьми индустриально развитых стран подчеркивалось возрастание роли ИТТ в реализации программы повышения уровня эффективности и конкурентоспособности национальных экономик, преодолении разрыва в развитии ряда стран и борьбе с бедностью. В принятой на этом форуме хартии открытого информационного общества говорится [1]:
"Суть стимулируемой ИТТ экономической и социальной трансформации заключается в ее способности содействовать людям и обществу в использовании знаний и идей. Информационное общество, как мы его представляем, позволяет людям шире использовать свой потенциал и реализовывать свои устремления. Для этого мы должны сделать так, чтобы ИТТ служили достижению взаимодополняющих целей обеспечения устойчивого экономического роста, повышения общественного благосостояния, стимулирования социального согласия и полной реализации их потенциала в области укрепления демократии, транспарентного и ответственного управления, международного мира и стабильности. Достижение этих целей и решение возникающих проблем потребует разработки эффективных национальных и международных стратегий". Важное место в дискуссии занял вопрос о преодолении электронно-цифрового разрыва внутри государств и между ними. Для этого повсеместно необходимо развивать современные цифровые средства и системы связи, обеспечивающие свободный и надежный обмен разнотипной информацией (речью, данными, мультимедийной информацией) из любой доступной точки планеты. Участники форума подтвердили свою приверженность предпринимаемым в настоящее время усилиям по разработке и осуществлению последовательной стратегии, направленной на решение данного вопроса.
Основой экономического роста в последующие десятилетия станет создание единого общемирового информационного пространства, включающего в себя все виды телекоммуникационных сетей из радио, проводных и оптоволоконных кабельных линий связи. Важная роль в этом процессе принадлежит беспроводным технологиям связи, бурный рост которых совместно с последними достижениями микроэлектроники открывают уникальные возможности по созданию глобальной системы персональной связи. За прошедшее десятилетие беспроводная персональная связь прошла путь от неопределенной концепции до глобальной телекоммуникационной службы, основу которой в настоящее время составляют системы подвижной радиотелефонной связи 2-го поколения с почти 400 миллионами подписчиков. Однако несовместимость большинства существующих систем 2- го поколения, а также их ограниченные возможности по увеличению пропускной способности и предоставлению качественно новых видов услуг вызвали потребность в (создании концепции единого стандарта на системы мобильной связи. Одним из самых амбициозных проектов конца 20 века является концепция IMT-2000 построения систем мобильной связи 3-го поколения (3G) [2,3], в основе которой лежит принцип мобильного доступа ко всем ресурсам единого общемирового информационного пространства из любой точки на поверхности Земли и в любое время. Согласно прогнозу UMTS возможное число абонентов в наземных сетях мобильной связи к 2005г. превысит 1700 миллионов, а к 2015г. ее абонентами могут стать 3 миллиарда человек [2].
Ключевой проблемой при построении систем мобильной связи является выбор метода многостанционого доступа, характеризующего способность базовой станции одновременно передавать и принимать сигналы мобильных абонентов. В настоящее время все более широкое распространение в системах мобильной связи получает технология многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access сочетании с кодовым разделением физических каналов за счет использования псевдослучайных последовательностей (ПСП). Изначально технология CDMA возникла в 50гг. применительно к военной области для обеспечения скрытности и эффективной работы систем связи в условиях радиопротиводействия и многолучевого распространения сигналов [4]. В течение нескольких десятилетий основным препятствием для внедрения технологии CDMA в коммерческие системы являлась ее значительная функциональная сложность. Достижения в области цифровой обработки сигналов и микроэлектроники в 90гг. положили начало процессу внедрения этой технологии в системах мобильной связи 2-го поколения. В существующих системах подвижной связи 2-го поколения технология CDMA (стандарт IS- 95) обеспечивает более высокую пропускную способность по сравнению с другими известными технологиями Frequency Division Multiple Access (FDMA) и Time Division Multiple Access (TDMA) [5,6]. Сегодня из-за своих бесспорных преимуществ технология CDMA принята в качестве основной при разработке концепции IMT-2000.
Псевдослучайные последовательности по образному выражению С. Голомба составляют основу технологии CDMA [7], поскольку именно они обеспечивают расширение спектра и кодовое разделение каналов. Расширение спектра производится за счет модуляции несущего колебания по закону псевдослучайной последовательности, при этом используется прямой метод модуляции (Direct Sequence или сокращенно DS) и модуляция скачкообразным переключением частоты (Frequency Hopping или сокращенно FH). Получаемый в результате такого преобразования сигнал получил название широкополосного шумоподобного сигнала. Кодовое разделение или различение каналов в системе с CDMA осуществляется за счет присвоения каждому абонентскому каналу такой кодовой ПСП (в литературе такие последовательности получили название сигнатурных [8]),которая максимальным образом не коррелирована с сигнатурными последовательностями других абонентских каналов. Для мобильных систем CDMA это условие означает, что сдвигах должны быть малы. Для фиксированных систем CDMA достаточно обеспечить малую взаимную корреляцию последовательностей в одной точке. Очевидно, чем больше будет найдено сигнатурных последовательностей с минимальной взаимной корреляцией, тем больше может быть абонентов в системе. В большинстве CDMA систем синхронизация между базовыми и абонентскими станциями также обеспечивается посредством псевдослучайных последовательностей. Это могут быть как сигнатурные, так и специально выделенные пилот сигнальные последовательности с малыми значениями боковых выбросов их автокорреляционных функций (АКФ). В дальнейшем такие АКФ, равно как и ВКФ, будем называть хорошими. Заметим, что последовательности с хорошими АКФ и ВКФ требуются также для борьбы с многолучевостью. Еще одним важным требованием, предъявляемым к современным коммерческим системам с CDMA, является обеспечение конфиденциальности передачи. С этой целью в этих системах применяются ПСП с большим периодом и большой линейной сложностью [9].
Среди известных семейств ПСП длины 2N-1 с близкой к идеальной автокорреляцией [10, 11, 12] (их еще называют последовательностями типа Адамара) наибольшее распространение в широкополосной связи получили m-последовательности, поскольку генерация этих последовательностей наиболее проста, а их свойства по сравнению с другими изучены намного лучше. В настоящее время в мире насчитывается не одна сотня работ по m-последовательностям и интерес к ним не ослабевает [7,13]. Однако, будучи линейными, m-последовательности характеризуются малым значением линейной сложности. Данного недостатка лишены некоторые другие последовательности типа Адамара и, прежде всего, последовательности GMW [14], интерес к которым, судя по имеющимся публикациям, сегодня значительно возрос. Кроме того, численность семейства последовательностей GMW при больших значениях N во много раз превышает число rn- последовательностей. Построение таких ПСП существенно расширяет исходную базу для формирования максимальных по объему подмножеств ПСП с приемлемым уровнем взаимной корреляции, что позволяет в одних случаях увеличивать число пользователей при заданной помехоустойчивости, а в других случаях снижать уровень взаимных помех при фиксированном числе пользователей. Таким образом, успешная работа систем с CDMA прямым образом зависит от возможности конструирования многочисленных ансамблей ПСП, удовлетворяющих всем вышеперечисленным требованиям при приемлемой аппаратной сложности их генерации.
Целью диссертационной работы является конструирование новых классов ПСП большого объема с близкой к идеальной автокорреляцией и сложной имитационной структурой, исследование их основных параметров: общего количества, взаимной корреляции и линейной сложности, а также разработка методов и устройств их генерации для систем связи с многостанционным доступом и кодовым разделением каналов.
Решение этой проблемы для систем связи с CDMA расширяет возможность выбора максимального по объему множества сигналов с заданной помехоустойчивостью и облегчает построение устройств синхронизации абонентских приемников при заданном числе абонентов. На основе этих последовательностей могут бьггь синтезированы системы ортогональных кодовых последовательностей большой линейной сложности и осуществлено криптозащищенное скремблирование передаваемой информации.
Поставленная цель достигается решением следующих задач.
1. Анализ существующих классов ПСП и критериев их выбора для широкополосных систем связи на базе технологии DS-CDMA.
2. Систематизация известных и новых классов последовательностей GMW и нахождение общего числа этих последовательностей для всех возможных значений N.
3. Разработка новых методов оценки и расчета ЛС ПСП GMW, строящихся на основе различных базисных последовательностей не зингеровского типа.
4. Разработка методов исследования ВКФ последовательностей типа Адамара, включая оценки максимума взаимной корреляции классов т-последовательностей, последовательностей GMW, последовательностей Холла и Лежандра.
5. Разработка нового метода генерации ПСП GMW и его схемотехническое решение.
6. Использование исследуемых классов ПСП в системах с CDMA для:
формирования максимальных по объему подмножеств квазиоптимальных последовательностей;
формирования новых систем ортогональных сигналов большой ЛС;
повышения безопасности связи в системах на основе стандартов IS-95 и cdma2000;
7. Экспериментальные исследования разработанных систем ортогональных сигналов объема 128 на базе действующей радиосистемы многостанционного доступа "СТС-ИСТОК CDMA РРК 3/5.0"
Решение поставленной задачи достигается посредством анализа и учета взаимно исключающих требований, предъявляемых к псевдослучайным последовательностям: многочисленность ансамбля, хорошие корреляционные свойства, большая линейная сложность и простота аппаратной реализации.
В диссертации использовались следующие методы исследования:
1) комбинаторный анализ и теория конечных полей;
2) теория периодических дискретных сигналов;
3) теория передачи дискретных сообщений;
4) математическое моделирование.
В диссертационной работе впервые были получены следующие новые научные результаты.
2. Предложен и апробирован метод исследования ВКФ последовательностей типа Адамара на основе разбиения их изоморфных коэффициентов на смежные классы по подгруппе максимального порядка, позволяющий существенно сократить объем вычислений их ВКФ на компьютере.
3. Произведены оценки максимума ВКФ классов m-последовательностей, GMW, Холла и Лежандра. Полученные оценки могут быть использованы для формирования подмножеств последовательностей с заданными корреляционными свойствами.
4. Найдена верхняя граница и разработаны методы расчета ЛС двоичных ПСП GMW, строящихся на основе различных базисных последовательностей не зингеровского типа, позволившие впервые найти ЛС для всех 79-ти классов ПСП GMW длины 16383.
5. Разработан метод генерации двоичных последовательностей GMW на основе сдвинутых копий двоичной m-последовательности той же длины и его схемное решение.
6. Построены системы ортогональных сигналов большой линейной сложности на основе систем производных последовательностей, в которых исходной является rn-последовательность, а производящей последовательность GMW.
7. Предложен метод защиты информации от несанкционированного доступа для систем связи CDMA на основе стандартов IS-95 и cdma2000, где в качестве скремблирующей последовательности предлагается ПСП GMW большой линейной сложности.
8. Построены производные системы ортогональных сигналов порядка 128 на основе последовательностей типа Адамара длины 127 для действующей радиосистемы многостанционного доступа "СТС-ИСТОК CDMA РРК 3/5.0".
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Проведенная систематизация и разбиение последовательностей GMW на классы позволяет найти общее количество этих последовательностей, а также применять к их одни и те же методы исследования. 
2. Разработанный метод исследования периодических ВКФ последовательностей типа Адамара мощности М с помощью изоморфных коэффициентов позволяет в М-1 раз ускорить расчет их корреляционных параметров на компьютере.
3. Найденные пары m и GMW последовательностей с максимальными пиками взаимной корреляции и их свойства позволяют повысить эффективность отбора последовательностей для систем связи с CDMA с заданным уровнем взаимной корреляции за счет сокращения их области поиска по ансамблю до двух раз.
4. Применение разработанного метода генерации последовательностей GMW на основе сдвинутых копий двоичной m-последовательности той же длины позволяет значительно упростить реализацию последовательностей GMW по сравнению с методом Шольца-Велча, использующего для этой цели q-ичную ш-последовательность.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 182 страницах и содержит 26 таблиц и 14 рисунков.
Краткое содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертации научно- технической проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, описывается научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе, посвященной современным принципам конструирования ПСП для систем CDMA, изложены особенности построения широкополосных систем связи на базе технологии DS-CDMA. Дан краткий обзор известных и новых семейств двоичных ПСП с оптимальной ВКФ и показаны их недостатки по сравнению с последовательностями GMW. Рассмотрены критерии оптимального выбора последовательностей для систем связи c CDMA. 
Во второй главе, посвященной математическим основам классов двоичных ПСП GMW, дано формальное определение этих ПСП, разработан общий алгоритм построения и проведена их систематизация посредством разбиения на классы. Получено выражение для вычисления общего числа этих ПСП при любом допустимом значении N. Найдена верхняя граница ЛС ПСП GMW. Разработаны методы расчета их ЛС для случаев, когда известные аналитические расчетные формулы не применимы. Приведены результаты расчета ЛС ПСП GMW для N=12, 16, 18, 20 и 24. Впервые сделан полный расчет ЛС для всех 79 различных классов этих ПСП длины 16383.
В третьей главе, посвященной взаимной корреляции последовательностей типа Адамара, рассмотрен метод исследования ПВКФ последовательностей типа Адамара с помощью изоморфных коэффициентов, позволяющий существенно ускорить их расчет на компьютере; найдены оценки максимума взаимной корреляции классов m и GMW последовательностей, а также последовательностей Холла и Лежандра. Подробно исследованы четные и нечетные ВКФ всех последовательностей типа Адамара длины 127 и их ЛС.
В четвертой главе, посвященной анализу существующих методов и схем генерации ПСП GMW, предложен новый простой метод генерации двоичных последовательностей GMW на основе генерации сдвинутых копий двоичной m-последовательности той же длины. Показано преимущество данного метода по сравнению с известным методом Велча-Шолца, основанного на генерации q-ичной т-последовательности.
В пятой главе, посвященной применению последовательностей типа Адамара в системах связи с CDMA, рассмотрен вопрос формирования максимальных по объему подмножеств квазиоптимальных последовательностей. На основе классов ш-последовательностей и последовательностей GMW построены системы ортогональных сигналов большой ЛС. Разработан метод повышения безопасности передачи данных в системах CDMA на основе стандартов IS-95 и cdma2000, в котором в качестве повышенной криптозащищенностью. Исследована генерация q-ичных т-подобных последовательностей большой ЛС, получаемых на основе двоичных ш-последовательностей.
В шестой главе, посвященной экспериментальной проверке новых классов ПСП в сетях фиксированной радиосвязи многостанционного доступа "СТС-ИСТОК CDMA РРК 3/5.0", рассмотрены принципы и особенности построения систем ортогональных сигналов порядка 128 на основе последовательностей типа Адамара длины 127. Приведены результаты математического моделирования разработанных систем сигналов и их сравнительные характеристики.
В заключении изложены основные результаты, полученные автором при исследовании последовательностей Адамара, а также показана их научная и практическая значимость.
Настоящая диссертация является частью работ по разработке и исследованию новых эффективных классов нелинейных последовательностей, а также методов и устройств их генерации для систем многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, проводимых на кафедре МЭС МТУ СИ и Государственном предприятии ЦКТ "Силикон- Телеком-Софт".
Купить