Prototip višeučesničkog sistema baziranog na prijemnicima sa korelatorima ili mašinom podržavajućih vektora
Sažetak
Tehnike višeučesničkih komunikacija sa kodnom raspodelom kanala (CDMA) koriste se u modernim bežičnim mrežama kao što su mobilne radio-telefonske mreže i bežične senzorske mreže.
Razvoj prenosa signala na fizičkom nivou u ovim mrežama zasnovan je na primeni binarnih sekvenci za proširenje signala i primeni korelatorskih prijemnika. U ovom radu prikazan je razvoj primopredajnika za prenos CDMA signala korišćenjem nove komunikacione metode zasnovane na primeni haotičnih sekvenci za proširenje signala, čime se može povećati zaštita u prenosu poruka u sistemu, i razvojem nove tehnike detekcije signala korišćenjem mašina sa podržavajućim vektorima u prijemniku (SVM prijemnik) i tradicinalno korišćenog korelatorskog prijemnika. Oba razvijena prijemnika su teorijski analizirana, uključujući izvode izraza za verovatnoću greške bita u zatvorenom obliku u slučaju kanala sa fedingom, a zatim je izvršena njihova implementacija u digitalnoj tehnologiji (DSR) na 32-bitnoj procesorskoj platformi TigerSHARC. Poređenje ova dva sistema pokazalo je da rešenje sa mašinom sa podržavajućim vektorima (SVM prijemnik) poboljšava robustnost sistema po cenu smanjenja brzine procesiranja. Međutim, ostvarljivi protok bita kod prijemnika sa korelatorom bio je dva puta veći nego kod prijemnika koji koristi mašinu sa podržavajućim vektorima.
Uvod
Ovih godina porastao je interes da se optimizuju prijemnici u bežičnim komunikacijama radi potrebe za prenosom velike količine podataka i ostvarenja energetske efikasnosti, posebno u području mobilnih komunikacionih sistema i bežičnih senzorskih mreža. Radi ovih zahteva očekuje se novi razvoj u oblasti dizajna prijemnika kako bi se smanjila njihova složenost i povećala energetska efikasnost.
Da bi se ostvario prenos vešeučesničkih signala može da se koristi tehnika prenosa sa kodnom raspodelom kanala (CDMA), koja omogućava istovremenu komunikaciju više učesnika u istom komunikacionom sistemu tako da se svakom učesniku dodeli jedinstvena kodna sekvenca kojom se proširuje signal poruke u predajniku i koja se koristi u prijemniku kako bi se otkrio sadržaj poslate poruke. Razvoj prijemnika ovih sistema tradicionalno se zasnivao na primeni usklađenih filtera i korelatora.
U poslednje vreme došlo je do preliminarnih istraživanja o mogućoj primeni mašina sa podržavajućim vektorima (SVM), kao jednoj od alternativa za dizajn prijemnika za CDMA sisteme, zbog njihove sposobnosti da prevladaju među-učesničku interferenciju i da se prilagode na dinamične komunikacione zahteve u odnosu na broj učesnika i karakteristike sekvenci za proširenja signala. Međutim, do sada nema radova koji govore o hardverskoj implemantaciji ili praktičnoj primeni ovakvih prijemnika, što je bila dodatna motivacija autoru da objavi rezultate istraživanja o dizajnu prototipa ovog sistema.
Kommunikacioni sistemi koji koriste haotične sekvence bili su predmet značajnih istraživanja, a posebno CDMA sistemi koji koriste klasične i haotične sekvence za proširenje signala, pri čemu je problem robustne sinhronizacije naširoko ispitivan. Većina radova analiziralo je ove sisteme za slučaj prisutnosti ravnog fedinga u kanalu prenosa. Detaljna analiza CDMA sistema sa širokopojasnim, frekvencijski selektivnim kanalima urađena je tek u poslednje vreme. Zbog ograničene ortogonalnosti sekvenci za proširenje signala dolazi do povećanja interučesničke interferencije sa povećanjem broja učesnika u CDMA sistemu. Da bi se prevladao ovaj problem razvijeni su multiučesnički detektori, a posebno detektori koji su zasnovani na primeni mašina sa podržavajućim vektorima (SVM).
Uprkos tome što su SVM tehnike primenjene za detekciju signala, nije bilo objavljenih radova koje prikazuju razvoj ovih uređaja u digitalnoj (DSR) tehnologiji. Ova činjenica motivisala je autora da prikaže svoje rezultate u vezi s dizajnom i testiranjem prototipa CDMA sistema uporedo sa rezultatima analize sistema koji koristi korelatorski prijemnik radi upoređenja ovih sistema. Karakteristike oba prototipa sa aspekta stepena greške bita (eng. BER) upoređene su i prikazane odnosne karakteristike teorijskog i simulacionog modela. Provedena teorijska i simulaciona analiza pokazale su prednosti tehnike SVM-a i dobro slaganje teorijskih i praktičnih rezultata.
Pošto izraz za verovatnoću greške bita nije još bio izveden u zatvorenom obliku za SVM CDMA sistem, autor je izveo ovaj izraz i prezentirao grafove za stepen greške bita (BER). Pokazano je da se ovako dobijeni grafovi za BER slažu sa odgovarajućim grafovima koji su dobijeni numeričkom integracijom, što dokazuje validnost izvedene teorijske formule.
U radu su upoređena dva sistema – sistem sa SVM prijemnikom i sistem sa korelatorskim prijemnikom, i pokazano je da korelatorski prijemnik ostvaruje veći digitalni protok. Što se tiče kompleksnosti dizajna, dokazano je da SVM prijemnik zahteva duže vreme za procesiranje signala. Prikazana procedura poređenja i dobijeni grafovi su rezultati vredni pažnje.
Višeučesnički sistem zasnovan na korišćenju haotičnih sekvenci i SVM prijemnika
U ovom odeljku prikazana je blok-šema SVM prijemnika i objašnjen princip rada svih blokova. Objašnjen je princip generisanja haotičnih sekvenci i prikazana funkcija korelacije i unakrsne korelacije u grafičkoj formi. Posebno je objašnjen princip rada SVM detektora. Izvedeni su izrazi za verovatnoću greške bita u zatvorenom obliku za SVM prijemnik u slučaju kada je u kanalu prisutan šum i ravni feding.
Razvoj i implementacija sistema sa SVM i korelatorskim prijemnikom
Definisan je uskopojasni kanal sa ravnim fedingom.Takođe, izvršena je matematička analiza sistema, tako što su prikazani signali na ključnim tačkama prijemnika i predajnika. Prikazan je izraz za signal na izlazu korelatora sekvenci, a zatim izveden izraz za verovatnoću greške bita u zatvorenom obliku i analiziran sa aspekta uticaja broja učesnika u sistemu i sa aspekta vrednosti faktora proširenja signala.
Prikazane su karakteristike DSR platforme na kojoj je urađen prototip sistema, tako što su objašnjene osnovne karakteristike DSR ploče proizvođača Analog Devices. Prikazana je blok-šema razvijenog sistema i objašnjen princip njenog rada. Naglašeno je da struktura prototipa veoma dobro prati strukturu teorijskog i simulacionog modela o kojima je bilo reči na početku rada. Objašnjena je procedura generisanja haotičnih sekvenci sa posebnim osvrtom na problem generisanja aperiodičnih sekvenci. Pri razvoju sistema korišćena je Boks-Milerova metoda za generisanje Gausovog šuma, koja se zasniva na generisanju dva niza nezavisnih slučajnih uzoraka koji imaju uniformnu funkciju distribucije verovatnoća. Poslednja sekcija posvećena je problemu tačne estimacije vrednosti BER -a za definisanu vrednost odnosa signal–šum.
Razvoj SVM detektora i sklopa odluke
U ovom delu objašnjeno je kako se generišu vektori podrške i podaci treninga za definisani broj učesnika i određeni faktor proširenja signala. Podaci treninga prikazani su u formi izvesnog broja uzoraka kao rezultat obrade u korelatoru. Broj uzoraka zavisi od vrednosti odnosa signal–šum. Da bi se generisali vektori podrške na osnovu ovih podataka, koji su memorisani u posebnom fajlu, nastavljen je trening uz korišćenje iterativnog algoritma. Rezultat ovog treninga je fajl podataka koji sadrži parametre kao što je težinski faktor, centralna vrednost i pristranost vektora podrške.
Rezultati ispitivanja i upoređenja prototipa sa teorijskim i simulacionim modelom
U ovom odeljku prikazani su procedura i rezultati testiranja prototipa, uključujući: analizu verovatnoće greške bita u kanalu sa šumom sa odnosnim grafovima za slučajeve kada su jedan ili četiri učesnika prisutani u sistemu, zatim verovatnoću greške bita kada je ravni feding prisutan u kanalu sa odnosnim grafovima za 10 i 30 učesnika, i na kraju, kratku analizu stepena greške bita koji se može ostvariti korišćenjem korelatorskog prijemnika u odnosu na SVM prijemnik, čime je pokazano da SVM prijemnik ostvaruje manji bitski protok nego korelatorski prijemnik.
Zaključak
Urađen je razvoj prototipa CDMA sistema, koji koristi haotične sekvence i SVM prijemnik, pri čemu je korišćena razvojna platforma 32-bitnog ADSP-TS201S TigerSHARC procesora. Ovaj prototip razvijen je tako što su funkcije sistema implementirane u C jeziku na procesoru koji je smešten na TS201S EZ-KIT Lite razvojnoj platformi. Potvrđeno je da se na ovoj platformi može implementirati prototip koji sledi simulacioni i teorijski model.
Korićena je faza treninga da bi se generisali podržavajući vektori koristeći Matlab program. Izveden je izraz za verovatnoću greške bita u zatvorenom obliku za slučaj kada je ravni feding prisutan u kanalu prenosa signala. Merenjem na prototipu sistema pokazano je da je stepen greške bita bolji kod prijemnika sa SVM nego kod korelatorskog prijemnika. Vrednosti stepena greške bita prototipa, za različite faktore proširenja i promenljivi broj učesnika, slažu se sa odgovarajućim vrednostima dobijenim na simulacionom i teorijskom modelu.
Očekivani problem periodičnosti haotičnih sekvenci proširenja signala zbog konačne rezolucije u DSR dizajnu rešen je tako što se vršila ponovljena inicijalizacija generatora sekvenci. Pošto su se teorijski i eksperimentalni rezultati dobro poklopili očigledno je da DSR rezolucija nema uticaja na performanse sistema.
Rezultati ocene brzine obrade signala pokazali su da CDMA sistem sa korelatorskim prijemnikom ima veći bitski protok nego SVM prijemnik, što je rezultat dužeg procesiranja signala pri računanju podržavajućih vektora. Ova brzina procesiranja ostvarena na prototipu ne može da zadovolji povećane potrebe za bitskim protokom u realnim sistemima. Međutim, veoma korisna iskustva stečena su prilikom razvoja ovog pototipa i sagledane mogućnosti kako da se procesiranje ubrza kroz optimizaciju algoritama i primenu novih digitalnih tehnologija. Mogući pravac budućih istraživanja mogao bi da bude usmeren ka izradi prototipa sistema koji koristi metode eliminacije fedinga, kao što je metoda učešljavanja čipova.
Reference
-Analog Devices Inc. (2006). . Data Sheets. Retrieved from www.analog.com/static/ imported-files/data_sheets/ADSP_TS201S.pdf
Berber, S. 1989. Techniques for Bit Error Rate Мeasureмent Using Chebyshev Inequality. Electronics Letters, 25(14), pp.927-929.
Berber, S., & Jovic, B. 2006. Sequence synchronization in a wideband CDМA system. . In: Proceedings of the 2006 International Conference on Wireless Broadband and Ultra Wideband Communications (AusWireless06), Sydney, Australia, pp.1-6.
Berber, S.M., & Vali, R. 2011. Fading Мitigation in Interleaved Chaos-Based DS-CDМA Systems for Secure Communications.. In: 15th WSEAS Int. Conf. on Communications, Corfu, Greece, pp.1-6.
Berber, S., & Feng, S. 2013. Chaos-Based Physical Layer Design for WSN Applications. . In: 17th WSEAS Int. Conf. on Communications, Rhodes, Greece, pp.157-162.
Berber, S., & Feng, S. 2013. Theoretical Мodelling and Simulation of a Chaos-Based Physical Layer for WSNs. International Journal of Communications, 7(2), pp.27-34.
Berber, S.M. 2014. Theoretical Analysis and Simulation of a Code Division Мultiple Access System (CDМA) for Secure Signal Transmission in Wideband Channels. Vojnotehnički glasnik/Мilitary Technical Courier, 62(3).
Buehrer, R.M., Correal-Mendoza, N.S., & Woerner, B.D. 2000. A simulation comparison of multiuser receivers for cellular CDMA. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 49(4), pp.1065-1085. doi:10.1109/25.875213.
Chen, S., & Hanzo, L. 2002. Block-adaptive kernel-based CDМA multiuser detection. . In: Proc. IEEE Int. Conf. Comm, pp.682-686 vol. 2. April, pp.682–686.
Chen, S., Samingan, A.K., & Hanzo, L. 2001. Support vector machine multiuser receiver for DS-CDMA signals in multipath channels. IEEE Transactions on Neural Networks, 12(3), pp.604-611. doi:10.1109/72.925563
Cimatti, G., Rovatti, R., & Setti, G. 2007. Chaos-Based Spreading in DS-UWB Sensor Networks Increases Available Bit Rate.IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 54(6), pp.1327-1339. doi:10.1109/TCSI.2007.895378.
Jevtović, V.M., & Pavlović, Z.B. 2011. Topološka analiza telekomunikacionih mreža. Vojnotehnički glasnik/Мilitary Technical Courier, 59(1), pp.96-110.
Jovic, B., Unsworth, C., Sandhu, B., & Berber, S. 2007. A robust sequence synchronization unit for multi-user DS-CDМA chaos-based communication systems. Signal Processing, 87(7), pp.1692-1708.
Kaddoum, G., Roviras, D., Charge, P., & Fournier-Prunaret, D. 2009. Robust synchronization for asynchronous multi-user chaos-based DS-CDМA. Signal Processing, 89(5), pp.807-818.
Kaddoum, G., & Gagnon, F. 2012. Design of a High-Data-Rate Differential Chaos-Shift Keying System. IEEE Trans. Circuits Syst, 59(7), pp.448-452.
Kaddoum, G., Richardson, F.D., & Gagnon, F. 2013. Design and Analysis of a Мulti-Carrier Differential Chaos-Shift Keying Communication System. IEEE Tr. on Comm., 61(8), pp.3281-3291.
Kao, Ј., & Berber, S.M. 2008. Demodulation of a chaos-based CDМA system using support vector machine. . In: 3rd International Symposium on Wireless Pervasive Computing, ISWPC. pp.69–72.
Kao, Ј., Berber, S.M., & Kecman, V. 2008. Blind Мulti-User Detection of a Chaos-Based CDМA System Using Support Vector Мachine. . In: IEEE 10th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, ISSSTA ’08, pp.58–62.
Kao, Ј., Berber, S.M., & Kecman, V. 2010. Blind Мulti-User Detector of a Chaos-Based CDМA Using Support Vector Мachine.IEEE Transactions on Neural Networks, 21(8), pp.1221-1231.
Kecman, V. 2001. Learning and Soft Computing: Support Vector Мachines, Neural Networks, and Fuzzy Logic Мodels.МIT Press.
Kolumban, G., Kennedy, M.P., & Chua, L.O. 1997. The role of synchronization in digital communications using chaos. I . Fundamentals of digital communications. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 44(10), pp.927-936. doi:10.1109/81.633882
Kolumban, G., Kennedy, M.P., & Chua, L.O. 1998. The role of synchronization in digital communications using chaos. II. Chaotic modulation and chaotic synchronization. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 45(11), pp.1129-1140. doi:10.1109/81.735435.
Kolumban, G., & Kennedy, M.P. 2000. Communications using chaos≫MINUS. III. Performance bounds for correlation receivers. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 47(12), pp.1673-1683. doi:10.1109/81.899919.
Kuh, A., & Gong, H. 1999. Support Vector Мachine for Мultiuser Detection. . In: CDМA Communications, Thirty-Third Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers. vol. 1, pp.680–684.
Lim, C., Lee, S.R., & Chang, J.H. 2012. Efficient Implementation f an SVМ-Based Speech/Мusic Classifier by Enhancing Temporal Locality in Support Vector References. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 58(3), pp.898-904.
Li-Mei, C., & Bor-Sen, C. 2001. A robust adaptive DFE receiver for DS-CDMA systems under multipath fading channels. IEEE Transactions on Signal Processing, 49(7), pp.1523-1532. doi:10.1109/78.928705
Мarkagić, M.S. 2010. Komunikacioni kanal sa šifrovanjem informacija. Vojnotehnički glasnik/Мilitary technical Courier, 58(3), pp.88-104.
Mazzini, G., Setti, G., & Rovatti, R. 1997. Chaotic complex spreading sequences for asynchronous DS-CDMA. I. System modeling and results. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 44(10), pp.937-947, doi:10.1109/81.633883.
Mazzini, G., Rovatti, R., & Setti, G. 2001. Chaos-based asynchronous DS-CDMA systems and enhanced rake receivers: measuring the improvements. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 48(12), pp.1445-1453. doi:10.1109/TCSI.2001.972851.
Moshavi, S. 1996. Multi-user detection for DS-CDMA communications. IEEE Communications Magazine, 34(10), pp.124-136. doi:10.1109/35.544334.
Poor, H.V., & Verdu, S. 1997. Probability of error in MMSE multiuser detection. IEEE Transactions on Information Theory, 43(3), pp.858-871. doi:10.1109/18.568697.
Radonjić, V.M., & Gaćeša, N.N. 2011. Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E. Vojnotehnički glasnik/Мilitary Technical Courier, 59(1), pp.40-61.
Rovatti, R., Setti, G., & Mazzini, G. 1998. Chaotic complex spreading sequences for asynchronous DS-CDMA. Part II. Some theoretical performance bounds. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 45(4), pp.496-506. doi:10.1109/81.669073.
Rovatti, R., Mazzini, G., & Setti, G. 2001. Enhanced rake receivers for chaos-based DS-CDMA. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 48(7), pp.818-829. doi:10.1109/81.933323
Sandhu, G.S., & Berber, S. 2006. Investigation On Orthogonal Signals For Secure Transmission In Мultiuser Communication Systems. . In: The 1st International Conference on Wireless Broadband and Ultra Wideband Communications AusWireless’06, Sydney, Australia, pp.1-6.
Sandhu, G.S., & Berber, S. 2009. Theoretical Мodel, Simulation Results and Performances of a Secure Chaos-based Мulti-user Communication System. International Journal of Network Security, 8(1), pp.25-30.
Setti, G., Rovatti, R., & Мazzini, G. 1999. Synchronization Мechanism and Optimization of Spreading Sequences in Chaos-Based DS-CDМA Systems. IEICE TRANS. on Fundamentals of Elec., Commun. And Computer Sciences, 9, pp.1737-1746.
Simic, Lj., & Stevan, B.M. 2006. Performance Analysis of a Chaos-Based Мulti-User Communication System Implemented in DSP Technology. . In: The 1st International Conference on Wireless Broadband and Ultra Wideband Communications AusWireless’06, Sydney, Australia, pp.1-6.
Sokolović, В.С., Oklopdžija, М.N., & Мarković, G.B. 2011. Izbor metoda sinhronizacije u softverskom GPS prijemniku.Vojnotehnički glasnik/Мilitary Technical Courier, 59(2), pp.94-110.
Šunjevarić, M.M., Popović, M.L., & Todorović, B.M. 2013. Integracija digitalne radio-difuzne mreže mobilne televizije i ćelijske mreže treće generacije. Vojnotehnički glasnik/Мilitary Technical Courier, 61(1), pp.21-45.
Tam, W.M., Lau, F.C.M., & Tse, C.K. 2004. A Multiple Access Scheme for Chaos-Based Digital Communication Systems Utilizing Transmitted Reference. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 51(9), pp.1868-1878. doi:10.1109/TCSI.2004.834497.
Torrieri, D., Мukherjee, А., & Kwo, H.M. 2010. Coded DS-CDМA Systems with Iterative Channel Estimation and no Pilot Symbols. IEEE Trans. on Wireless Comm., 9(6), pp.2012-2021.
Vali, R., Berber, S., & Nguang, S.K. 2010. Analysis of a Chaos-based Non-coherent Delay Lock Tracking Loop. . In: International Conference on Communications, Cape Town, pp.1-5.
Vali, R., Berber, S., & Nguang, S.K. 2010. Effect of Rayleigh fading on non-coherent sequence synchronization for multi-user chaos based DS-CDМA. Signal Processing, 90(6), pp.1924-1939.
Verdú, S. 1998. Мultiuser Detection.Cambridge, МA: Cambridge University Press.
Vukadinovic, S., & Berber, S. 2006. Theory, Design and Implementation of Chaotic Sequence Generators in CB-CDМA Systems, No 642.Auckland: Auckland University. School Report, p.30.
Wang, L. 2005. Support Vector Machines: Theory and Applications.Berlin: Springer.
W.M.Tam, , F.C.M.Lau, , C.K.Tse, , & Lawrance, A.J. 2004. Exact Analytical Bit Error Rates for Multiple Access Chaos-Based Communication Systems. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 51(9), pp.473-481. doi:10.1109/TCSII.2004.832773.
Xiao, P., & Strom, Е. 2010. Soft Demodulation for Orthogonal Мodulated and Convolutionally Coded DS-CDМA Systems.IEEE Trans.on Comm., 58(3), pp.742-747.
Yang, T., & Hu, B. 2005. Study of Multiuser Detection: The Support Vector Мachine Approach. pp.442–451.
Yang, T., & Hu, B. 2006. Blind multiuser detection based on kernel approximation.Heidelberg, Germany: Springer., vol. 3973, pp.94-101.
Yue, L., Weerasinghe, N.S., Han, C., & Hashimoto, T. 2010. Partial Мultiuser Detection for CS-CDМA/CP over Мultipathh Channels. IEEE Trans.on Comm, 58(8), pp.2305-2313.
Zhao, X., & Kuh, A. 2002. Adaptive kernel least square support vector machines applied to recover DS-CDМA signals. . In: Proc. 36th Asilomar Conf. Signals Syst. Comput, pp.943-947.
Vojnotehnički glasnik omogućava otvoreni pristup i, u skladu sa preporukom CEON-a, primenjuje Creative Commons odredbe o autorskim pravima:
Autori koji objavljuju u Vojnotehničkom glasniku pristaju na sledeće uslove:
- Autori zadržavaju autorska prava i pružaju časopisu pravo prvog objavljivanja rada i licenciraju ga Creative Commons licencom koja omogućava drugima da dele rad uz uslov navođenja autorstva i izvornog objavljivanja u ovom časopisu.
- Autori mogu izraditi zasebne, ugovorne aranžmane za neekskluzivnu distribuciju rada objavljenog u časopisu (npr. postavljanje u institucionalni repozitorijum ili objavljivanje u knjizi), uz navođenje da je rad izvorno objavljen u ovom časopisu.
- Autorima je dozvoljeno i podstiču se da postave objavljeni rad onlajn (npr. u institucionalnom repozitorijumu ili na svojim internet stranicama) pre i tokom postupka prijave priloga, s obzirom da takav postupak može voditi produktivnoj razmeni ideja i ranijoj i većoj citiranosti objavljenog rada (up. Efekat otvorenog pristupa).