Doktoraty Wydziału IET

Ta strona jest tylko do odczytu. Możesz wyświetlić źródła tej strony ale nie możesz ich zmienić.

^   **DZIEKAN i RADA WYDZIAŁU**    \\    **INFORMATYKI, ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI**    \\    **AKADEMII GÓRNICZO-HUTNICZEJ im. ST. STASZICA W KRAKOWIE**   ^^
|   zapraszają na    \\    publiczą dyskusję nad rozprawą doktorską    \\      \\   //mgr inż. Jacek Wszołka//      \\                 ||
|  **ANALIZA ZASTOSOWANIA SIECI NEURONOWYCH W ODBIORNIKACH SZEROKOPASMOWYCH SYSTEMÓW RADIOKOMUNIKACJI RUCHOWEJ Z BEZPOŚREDNIM ROZPRASZANIEM WIDMA**  ||
^  Termin:|12 marca 2015 roku o godz. 12:00  |
^  Miejsce:| Sala 1.36, ul. Kawiory 21, pawilon D-17  |
^  **PROMOTOR:**|dr hab. inż. Wiesław Ludwin, prof. nz. AGH, Akademia Górniczo-Hutnicza   |
^  ** RECENZENCI:**|Prof. dr hab. inż. Piotr Gajewski, Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie  |
^  **            **|Prof. dr hab. inż. Ryszard Tadeusiewicz, Akademia Górniczo-Hutnicza   |
|  Z rozprawą doktorską i opiniami recenzentów można się zapoznać \\ w Czytelni   Biblioteki Głównej AGH, al. Mickiewicza 30  ||


\\
----


==== Analiza zastosowania sieci neuronowych w odbiornikach szerokopasmowych systemów radiokomunikacji ruchowej z bezpośrednim rozpraszaniem widma ====
     
\\

//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:

  - 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.
  - 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.
  - 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.
  - 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.
  - Wykonano szereg szczegółowych symulacji komputerowych, zaproponowanego odbiornika sygnałów WCDMA w różnych konfiguracjach i scenariuszach pracy sieci UMTS w wybranych środowiskach radiokomunikacyjnych.
  - 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:
  - 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.
  - 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.
  - 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<sub>CPU</sub>// zajętości procesora// CPU//, ani tym bardziej pogorszenia się bitowej stopy błędów, tzn. //BER<sub>ANN</sub> ≤ BER<sub>MMSE</sub>//.
  - 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.


----
Doktoraty Wydziału IET

Narzędzia użytkownika

Narzędzia witryny

Narzędzia strony
