^ **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 //RITCPU// zajętości procesora// CPU//, ani tym bardziej pogorszenia się bitowej stopy błędów, tzn. //BERANN ≤ BERMMSE//. - 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. ----