автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Адаптивные алгоритмы управления ресурсами беспроводных сетей в неоднородных географических и климатических условиях

На правах рукописи

Тай Зар Линн

Адаптивные алгоритмы управления ресурсами беспроводных сетей в неоднородных географических и климатических условиях

05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (приборостроение)»

1 О OK I 1№

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005534841

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника» Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Гуреев Александр Васильевич, доктор технических наук, доцент

Лисов Олег Иванович, доктор технических наук, профессор каф. ИПОВС, МИЭТ. Шахворостов Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, начальник отдела, главный конструктор, ОАО «НИИ «ЭЛЛА».

Ведущая организация:

ООО «Центр компьютерных технологий «Связь телеком софт»

Защита состоится «ЗД » ЧО 2013 г. в"^£?часов на заседании диссертационного совета Д212.134.02 МИЭТ по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ». Автореферат разослан «&|» 09 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.134.02 доктор технических наук

Гуреев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время наблюдается быстрый рост количества беспроводных сетей различного типа и назначения, которые вытесняют традиционные кабельные и проводные. Быстрота развертывания и гибкость настройки обеспечивают им конкурентные преимущества. Однако, наличие большого количества таких сетей, работающих поблизости друг от друга и использующих общий частотный диапазон, требует тщательного подхода к управлению их энергетическими ресурсами: мощностью, а также типом излучающей системы. Регулируя уровень излучения и оптимальным образом направляя потоки информации удается обеспечить требуемое качество передачи данных и решить проблему электромагнитной совместимости, означающую в данном случае способность различных компонентов разных сетей одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации, не создавая помех друг другу.

Особенно остро эта проблема стоит в регионах с неоднородным характером рельефа местности, климатом и другими факторами, от которых зависит качество передачи информации. Как правило, при управлении параметрами беспроводных сетей климатический фактор если и принимается во внимание, то достаточно приближенно, а географические условия учитываются, лишь путем использования информации о рельефе местности. Вместе с тем, эти факторы имеют первостепенное значение для сетей, работающих, например, в тропических условиях с ярко выраженными засушливым и дождливым периодами, а также в сильно пересеченной и горной местности. Таким образом, решаемые в данной работе задачи повышения эффективности управления процессами передачи информации в беспроводных сетях связи при их работе в неоднородных географических и климатических условиях являются весьма актуальными.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются системы управления ресурсами беспроводных сетей, работающих в неоднородных географических и климатических условиях.

Предметом исследования являются алгоритмы, позволяющие оптимизировать процессы передачи информации в таких сетях, обеспечивая оптимальное их размещение и функционирование.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является повышение эффективности работы беспроводных сетей в неоднородных географических и климатических условиях и выработка алгоритмов оптимального управления их ресурсами в таких условиях.

В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1) проведен анализ влияния неоднородных географических и климатических параметров на эффективность управления процессами передачи данных в беспроводных сетях;

2) исследованы особенности работы беспроводных сетей в регионах с резко выраженными дождливыми и засушливыми периодами и выработаны алгоритмы управления излучаемой мощностью позволяющие снизить потери энергии при переходе от одного периода к другому;

3) разработаны алгоритмы управления энергетическими ресурсами сетей, оптимизирующие процессы передачи информации в беспроводных сетях, функционирующих в сильно пересеченной и гористой местности;

4) построены алгоритмы адаптации диаграммообразующих систем антенн приемопередатчиков, улучшающие эффективность передачи информации в неоднородных географических и климатических условиях.

Научная новизна работы состоит в:

1) модификации известных методов управления процессами передачи информации в беспроводных сетях, функционирующих в регионах с резко различающимися между собой засушливым и дождливым периодами, что позволяет в период засухи обеспечивать требуемое качество связи при более низких значениях излучаемой мощности (до 3 дБ на км трассы);

2) построении алгоритмов управления излучаемой мощностью, более точно учитывающих влияние интерференционных замираний на надежность передачи информации в регионах с сильно пересеченным и гористым рельефом местности;

3) разработке адаптивных методов управления диаграммообразующими системами излучателей беспроводных сетей, повышающих эффективность их функционирования в неоднородных географических условиях.

На защиту выносятся положения:

1) двухступенчатый метод регулирования мощности в регионах, где сезон дождей сменяется засушливым периодом;

2) принципы управления энергоресурсами беспроводных сетей в неоднородных географических и климатических условиях;

3) методы адаптации диаграммообразугощих систем излучателей беспроводных сетей к неоднородным географическим условиям.

Практическая значимость заключается в выработке методик, алгоритмов управления энергоресурсами И' рекомендаций по оптимизации беспроводных сетей в неоднородных географических условиях.

Внедрение результатов.

1) Разработанные алгоритмы реализованы в системе автоматизированного проектирования и управления беспроводных сетей RPS-2, что подтверждено соответствующим актом о внедрении.

2) Основные положения и методические разработки используются в учебном процессе при проведении практических занятий и лабораторных работ по курсам «Теория электрической связи», «Радиотехнические цепи и сигналы» НИУ МИЭТ, что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация. Положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Ш-ей Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике», международной научно-практической конференции ITEDS'2010 «Информационные технологии, электронные приборы и системы», международной научной школе МИУС'2010 «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», IX научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии NATIONAL INSTRUMENTS».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них 3 работы - в журналах из перечня ведущих периодических изданий

ВАК («Известия вузов. Электроника», «Естественные и технические науки»), 8 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений и списка литературы. Работа изложена на 120 страницах текста, включая 19 страниц приложений, список литературы включает 43 источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, формулируется ее цель и основные задачи, дается краткое содержание работы.

В первой главе рассматривается влияние неоднородных географических и климатических условиях на эффективность работы беспроводных сетей. Проведен анализ существующих алгоритмов и методов управления их энергоресурсами и отмечены их особенности для регионов с сильно пересеченным рельефом местности и сложными климатическими условиями. Построена обобщенная схема управления, позволяющая учесть перечисленные факторы (рис. 1).

л;

Адаптивные алгоритмы управления ресурсами беспроводной сети

"Д

Решаемые задачи

Расчет требуемой мощности излучения

Оценка уффёктивноспт еиетлми в /слолиях интервенционных )амиракил

Адаптация ДН антен мъи

систем х условиям распространения сигнала

к__________

Результаты

Рис.1 Обобщенная схема управления ресурсами беспроводной сети

В второй главе проанализировано влияние осадков на эффективность процессов передачи информации в беспроводных сетях. Методы проектирования и управления параметрами беспроводных сетей в регионах с умеренным климатом разработаны достаточно хорошо. Однако, их использование применительно к беспроводным сетям, работающим в экстремальных климатических условиях,

встречает ряд особенностей, которые необходимо учитывать. Одним из таких факторов влияющих на качество передачи информации в беспроводной сети, является дождь. Причем, как правило, в тропических регионах в течение года наблюдаются два ярко выраженных периода: сезон дождей и засуха.

Для расчета дополнительных потерь распространения в условиях дождя в соответствии с рекомендациями Международного союза по электросвязи (МСЭ) используется формула

где у - дополнительные потери распространения, вызванные выпадением осадков [дБ]; г - скорость выпадения осадков [мм/час], * и а - коэффициенты, зависящие от частоты и вида поляризации сигнала; Б^ -дальность радиолинии [км].

Алгоритм расчета характеристик радиолинии в условиях дождей показан на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм расчета вероятности нарушения связи из-за дождя

Выпадение осадков носит вероятностный характер, соответственно, и дополнительные потери, вызванные дождем, необходимо учитывать при расчете показателей надежности работы радиолинии. Как правило, при расчете дополнительных потерь, распространения сигнала У используется среднегодовая скорость выпадения осадков Гср . На рис. 3-4 показана величина дополнительных потерь распространения сигнала и вероятность, с которой они превышаются, рассчитанные с помощью методики, которая предполагает использование ^средней скорости выпадения осадков в рассматриваемом регионе.

ю* 10« ю"1 1 ю

Вероятность пршышения % Рис. 3. Погонные потери распространения в зависимости от вероятности, с которой они превышаются

Применение среднегодовой скорости выпадения осадков ср в расчетах оправдано для регионов с умеренным климатом. Ситуация меняется для тропических стран, где в течение года наблюдаются два ярко выраженных периода с резко отличающимися характеристиками. Например, в соответствии с данными многолетних наблюдений, в республике Мьянма в засушливый период средняя скорость выпадения

осадков г{=гср/3, а в сезон дождей г2 в Ъгср. Отсюда следует, что

дополнительные потери распространения из-за дождя в среднем будут существенно различаться в засушливый и дождливый периоды года.

Частота, ГГц

Рис. 4. Погонные потери распространения зависимости от частоты (параметром является вероятность их превышения Р)

В таблице 1 для различных городов республики Мьянма приведены рассчитанные по месяцам в разных регионах страны приведены превышаемые с вероятностью 0,01 % дополнительные потери распространения сигнала из-за дождя на частоте 10 ГГц, приходящиеся на 1 км радиотрассы, которые.

Города Месяцы

Ян в. Фев. АЬр. Апр. Май. Июн. Пия. Авг. Сет. Окт. Ноя. Дек.

АЬялалан 0.6 0.2 0.1 2.6 4,1 3,9 3,4 3,9 42 44 76 1.1

Л1оулмепве 1.9 1.5 2,8 4,6 7,3 8,3 7,7 Я5 78 6.5 46 28

Мейст-ала 3,9 2 2 2,9 7.9 7,6 7.3 77 Я 1 я-* 62 48

МьОг 1,6 1.8 4.4 5.4 6.8 7.7 7.6 7.8 71 6,5 47 28

Мьпчлна 3.6 4,5 4.9 5.6 7.2 8.8 8.7 8,4 79 7.2 51 3.7

Па Тхшц XI 1.3 1.6 3.2 6,8 7,7 7,3 7.9 71 63 5.3 2,8

Янгон .¡,4 1,5 2,7 3.5 7,2 7.9 8,1 8.1 7.4 67 5] 2.7

Тауигу 3.1 1.1 2,5 8,1 7.1 7,9 8.1 8,1 7,5 67 5', 3.7

Тгавдве 0.8 0,3 0.3 2.9 6Д 8.7 8,2 8,2 7,2 58 44 2Л

Давай 1.9 3.4 2,8 4,4 6,8 7,9 7 И 8.1 7,3 6,2 3.8 1,5

Таблица 1. Потери распространения из-за дождя на 1 км (вероятность превышения в 0.01 %, частота ЮГГц)

Как следует из данных таблицы 1, вызванные дождем дополнительные потери распространения существенно различаются в зависимости от времени года. Следовательно, в засушливый период можно без ухудшения качества связи снижать мощность. Величина этого снижения на частоте 10 ГГц показана в таблице 2.

Города Месяцы

Ян в. Фев. Мар. Апр. Май. Цюн. Пюл. Авг. Сет. Окт. Ноя. Дек.

^1андалай зл 4,2 4,3 1,7 оа 0,4 0,9 0,3 0,1 0 1,7 3,3

Моулмейне 6.5 7.1 5.7 3,9 и 0,2 0,7 0 0,7 2,1 3.9 5.7

Мебктала 4.3 6,1 5,3 2,3 0,3 0.6 0,9 0.5 0,1 0 2,1 3.4

Мьйг 6,3 6.1 3,4 2,4 0,9 0,1 0,2 0 0.7 1.3 3,1 5.1

Мыгспла 5.2 4.2 3.8 3,1 и 0 0.1 0,3 0.8 1.6 3,7 5.1

Пя Тхепн 5,7 б,б 6,2 4.7 1.1 0,1 0,1 0 0.7 1,5 2,5 5,1

Янгон 5.6 6,5 5,3 4.5 0,8 0.1 0.1 0 0,6 1.3 2,9 5,3

Таунгу 5,1 6,9 5,6 0,1 1.1 0,2 0,1 0 0,6 1,4 г? 4,4

Тханзве 7,8 8,4 8,4 5,8 2,4 0 0,4 0,4 1,5 2,8 4.2 6.5

Давэй 6,2 4,6 5,2 3,5 1Д 0,1 0,2 0 0,7 1.8 4,2 6,5

Таблица 2.Энергетический выигрыш на 1 км радиотрассы на частоте

ЮГГц

Как следует из таблицы 2, на частоте 10 ГГц получаемый эффект -энергетический выигрыш - составляет величину от 3 до 8 дБ/км . Если из соображений удобства эксплуатации системы окажется нецелесообразным регулировать мощность каждый месяц, можно ограничиться двухступенчатой в течение года регулировкой - при переходе от засушливого периода к дождливому и обратно, что показано в табл. 3.

Города Месяцы

Янв. Фев. Млр. Алл. Май. Пюн. II10 л. Авг. Сет. Окт. Нон. Дек.

Я 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 3

5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 0 5

Мейктила 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 0 5

Мьш 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 0 5

Мьпчпна 5 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 5

Па Тхейн 5 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 5

< 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 5

4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 4

Тхандве 6 6 б б 0 0 0 0 0 0 0 б

Давэй 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 0 5

Таблица 3. Энергетический выигрыш на 1 км радиотрассы на частоте ЮГГц при двухступенчатом регулировании мощности передатчика

Таким образом, используя особенности климата и географического положения беспроводной сети, можно добиться существенного энергетического выигрыша, что приводит к экономии энергии и улучшению электромагнитной совместимости сетей.

Третья глава посвящена особенностям работы беспроводных сетей в условиях сильных интерференционных замираний.

Характеристики передачи информации в беспроводных системах в сильной степени зависят от местности, где расположена радиотрасса Наряду с другими факторами, надежность работы радиолиний определяется интерференционными замираниями. Особенно сильно их влияние проявляется в горной местности.

Время нарушения связи АТ в течение периода наблюдения 1 год, вызванное интерференционными замираниями, согласно рекомендациям МСЭ принято рассчитывать по формуле

А Т = К^-РВ-Яс

где К и £) - климатические коэффициенты, зависящие от особенностей региона и близости водных поверхностей, Я - дальность радиолинии в км, Б - частота в ГГц, В и С - коэффициенты, лежащие в пределах 1,5 -

При наличии дополнительной информации о местности, в которой расположена радиотрасса в виде ее цифровой карты, используются уточненные соотношения:

д т = кахъ/м\\+1 £р \у"ф-хгло-АПа *тг

или

А Т - Кс13 2( 1+1 е |)"0 9? * 1 о 0 032/-0 00085 и -л л о у,

в которых Т, - длительность периода наблюдения (1 год), А - запас на замирания в дБ, а влияние рельефа местности учитывается с помощью параметров ф - угла скольжения луча в точке возможного отражения сигнала и ер - угла наклона радиотрассы.

Очевидно, что в горной местности такой подход не учитывает всех особенностей рельефа, поскольку в этом случае исключается множество возможных дополнительных путей прихода сигнала в точки расположения приемной антенны.

При наличии цифровой карты местности можно воспользоваться алгоритмами поиска полного набора точек отражения радиосигнала, которые' могут располагаться на большом удалении от плоскости рельефа радиотрассы. Если найден полный набор таких точек, можно рассчитать усредненные значения углов ф и ер и подставить их в

предыдущие формулы, получив более точную оценку для времени нарушения связи из-за интерференционных замираний. Такой подход, однако, связан с большими вычислительными затратами.

В данной работе предложен вариант, расчета средних значений углов ф и ер, который использует данные о рельефе местности в виде

ее цифровой карты, но не требует как в предыдущем случае значительных вычислительных затрат и позволяет получить уточненные оценки искомых углов. Согласно предлагаемому подходу углы ф и ер

определяются не в результате одномерного регрессионного анализа, а путем двумерного регрессионного анализа области, прилегающей к радиотрассе, которая при этом заменяется эквивалентной плоскостью. Уравнение эквивалентной плоскости имеет вид:

Ах + Ву + г + Б = О,

где коэффициенты а,, а2, а3 определяются из решения матричного уравнения

[/х1У + У = О,

в котором

Ы и м 1>/ Т.У, м 2*1

А В ' и - А/ 5>, /-1 А/ Ч (-1 1-1 ' У = 4а1 и Т.г,х, 1-1

и 1л .'-1 и и 1.x,У, I У, 1-1 м и Т.*,У,

а {*/ УI } ■ известные координаты цифровой карты местности.

Вычислив с помощью приведенного матричного уравнения коэффициенты а,, а2, а3, находим уточненную оценку для єр:

1

Єр = arceos . -

лМ2+Я2+1

В результате приходим к изображенному на рис. 5 алгоритму учета интерференционных замираний

Рис. 5. Алгоритм учета влияния интерференционных замираний

Особенности применения предлагаемого алгоритма демонстрируются на примере радиотрассы в горном регионе республики Мьянма, длиной с/= 17,9 км, расположенной между точками А и В с координатами (точка А: долгота 94-22-12 Е, широта 1629-48 К, высота подвеса антенны 80 м; точка В: долгота 94-23-0 Е, широта 16-38-57 N. высота подвеса антенны 70 м). Двумерный анализ

дает: Ер =0.00177, (¿ = 0.0079, откуда для частоты / = 4 ГГц

получается зависимость АТ от запаса на замирания А , изображенная на рис. б пунктирной линией. При использовании подхода, предложенного в данной работе с использованием цифровых данных о рельефе местности http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_l/SRTM3/Eurasia соответствующая зависимость АГ(/) изображена на рис.Б сплошной линией.

Рис.6. Зависимость времени нарушения связи от запаса на замирания, вычисленная в результате одномерного (пунктирная линия) и двумерного (сплошная линия) анализа.

Предлагаемый метод более полно учитывает особенности рельефа местности и, соответственно, позволяет более точно оценить ожидаемое время нарушения связи, вызванное интерференционными замираниями.

Проведенный в работе анализ показал, что рассчитываемые с помощью данного метода оценки ожидаемого времени нарушения связи могут как превышать, так и быть меньше, чем соответствующие значения, полученные традиционным методом.

В четвертой главе рассматриваются методы повышения производительности мобильной беспроводной сети путем адаптации ее параметров к географическим условиям, в которых она расположена.

Показано, что одним из наиболее эффективных методов адаптации к неоднородным условиям распространения сигнала в горной или сильно пересеченной местности является перераспределение потоков информации путем использования адаптивных диаграммообразующих систем.

Возможными' вариантами такого перераспределения является использование пространственно-разнесенного приема сигналов на две антенны. Рассмотрены варианты когерентного и некогерентного сложения мощностей при таком приеме сигналов. Разработана программа, позволяющая рассчитывать суммарную диаграмму направленности системы при когерентном сложении сигналов двух произвольно ориентированных разнесенных антенн с разными диаграммами направленности. Алгоритм адаптивного изменения диаграммы направленности антенной системы передатчика беспроводной сети изображен на рис. т

Завершение

Рис. 7. Алгоритм адаптации ДН антенн

Используя различные варианты взаимного расположения антенн и применяя фазовращатели можно добиться результирующей диаграммы направленности, наилучшим образом адаптированной к рельефу местности. Например, в горной местности, как правило, нет необходимости в информационном обеспечении труднодоступных высокогорных мест. Одним из возможных решений данной проблемы является использование двух определенным образом смещенных друг относительно друга антенн и установкой дополнительного фазовращателя в канал одной из них. Такой прием, применяемый в телевидении, оказывается эффективным и при организации мобильной связи в горной местности, поскольку позволяет практически полностью исключить излучение сигнала в заданном направлении. В данной работе на конкретных примерах горных регионов республики Союз Мьянма продемонстрирована эффективность применения указанного подхода (рис. $-9).

а) б)

Рис. 9>. ДН системы из двух излучателей D2 UHF фирмы «Радиотел» (а) и соответствующие зоны обслуживания (б) при К = 0,5.

а)

б)

Рис. 9. ДН системы из двух излучателей D2 UHF фирмы «Радиотел» (а) и соответствующие зоны обслуживания (б) при К = 0,75.

В этой же главе рассмотрены различные варианты применения разнесенного приема сигналов: с когерентным и некогерентным суммированием. Показано, что в зависимости от частоты и разноса между антеннами существует такое значение расстояния между передающей и приемной антеннами, ниже которого предпочтительнее суммировать сигналы некогерентно, а выше - когерентно.

В—Заключении подведены итоги работы, сформулированы основные выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) проведен анализ факторов, влияющих на эффективность системы управления процессами передачи данных в беспроводных сетях в условиях неоднородных географических и климатических параметров;

2) разработан алгоритм управления излучаемой мощностью для систем, работающих в регионах с резко различающимися между собой засушливым и дождливым периодами, позволяющий в период засухи

обеспечивать требуемое качество связи при более низких значениях излучаемой мощности (до 3 дБ на км трассы);

3) предложен двухступенчатый метод регулирования мощности в регионах с дождливым и засушливым периодами времени года;

4) разработаны методики повышения показателей эффективности передачи информации в условиях сильных интерференционных замираний в беспроводных сетях, функционирующих в сильно пересеченной и гористой местности;

5) построен алгоритм оценки эффективности работы беспроводной сети, более полно учитывающий особенности рельефа местности;

6) проведено исследование методов адаптации диаграммообразующих систем излучателей, позволяющих оптимизировать показатели качества передачи информации в неоднородных географических условиях.

7) разработана программа, позволяющая управлять потоками информации при когерентном сложении сигналов двух произвольно ориентированных разнесенных систем излучателей с разными диаграммами направленности

8) исследована эффективность различных способов сложения сигналов при использовании разнесенных систем излучателей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Тай Зар Линн. Применение программно-аппаратных комплексов Elvis и Lab VIEW для исследования линейных электрических цепей постоянного тока. // Микроэлектроника и информатика - 2009. 16 -я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2009. -с.222.

2. А.В.Гуреев, Ю.Н.Кичкин, Ю.Б.Миронов, Тай Зар Линн. Моделирование процессов передачи информации в беспроводной сети // Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2009» - М.: МИЭТ, 2009. - с. 67.

3. Тай Зар Линн. Исследование линейных электрических цепей постоянного тока с помощью программно-аппаратных комплексов

MULTISIM, Lab VIEW и N1 ELVIS. // < Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии NATIONAL INSTRUMENTS >, сб. трудов VIII научно-практич. конф,- М.,РУДН, 2009.- С.ЗОб.

4. Тай Зар Линн. Влияние осадков на показатели надежности работы радиолинии. // Микроэлектроника и информатика - 2010. 17 - я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2010. -с.264

5. А.В.Гуреев, А.Г.Соколов, Ю.Б.Миронов, Тай Зар Линн. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 1 2010610840, Российская Федерация. Симулятор мобильных беспроводных сетей. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27 января 2010 г., заявка 1 2009616763.

6. Тай Зар Линн, Ю.Б.Миронов. Влияние интерференционных замираний радиосигнала на характеристики беспроводной сети. // Международная научная школа Микроэлектронные информацинно-управляющие сисиемы и комплексы : Материалы научной школы. - М.: МИЭТ, 2010. - с.129

7. А.В.Гуреев, А.Г.Соколов, Ю.Б.Миронов, Тай Зар Линн. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 1 2010615003, Российская Федерация. Расчет числа каналов. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 2 августа 2010 г., заявка" 2009613265.

8. Тай Зар Линн, Ю.Б.Миронов. Исследование потерь распространения сигнала с помощью аппаратно-программных средств National Instruments // < Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии NATIONAL INSTRUMENTS >, сб. трудов IX научно-практич. конф,-М.,РУДН, 2010.-С.110.

9. А.В.Гуреев, Тай Зар Линн. Повышение эффективности работы беспроводных сетей в сезон дождей. Известия ВУЗов: Электроника. - М.: МИЭТ, 2011, №1, стр. 92.

10. Тай Зар Линн. Исследование особенностей проектирования беспроводных сетей в странах с тропическим климатом. // Микроэлектроника и информатика - 2011. 18 - я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2011. - с.241.

И. Тай Зар Линн, Ю.Б.Миронов. Адаптивные алгоритмы управления производительное™ беспроводных сетей. // Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2011. 4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. -М.: МИЭТ, 2011.-с.104.

12. А.В.Гуреев, Ю.Б.Миронов, Тай Зар Линн. Повышение производительности мобильной беспроводной сети путем адаптации ее частотного плана. Естественные и технические науки. -М.: Спутник+,2012, №2, с. 309.

13. А.В.Гуреев, Тай Зар Линн. Влияние интерференционных замираний на характеристики передачи информации в гористой местности. Известия ВУЗов: Электроника. - М.: МИЭТ, 2012, №6, стр. 90-92.

Подписано в печать:

Заказ № 50 Тираж 80 экз. Уч.-изд.л. /, I Формат 60x84 1/16.

Отпечатано в типографии МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»

ТАЙ ЗАР ЛИНН

АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСАМИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ В НЕОДНОРОДНЫХ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ И

КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации

(приборостроение)

На правах рукописи

04201362466

Экз. №

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Гуреев А.В.

Москва - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................4

Список обозначений и сокращений.................................................................10

Глава 1. Требования к системам управления ресурсами беспроводных сетей в неоднородных географических и климатических условиях.......................13

1.1. Назначение и области применения............................................................13

1.2. Основные компоненты математических моделей беспроводных сетей 18

1.3. Показатели надежности работы радиолинии..................................21

1.4. Влияние географических и климатических параметров на показатели надежности работы радиолинии...................................................23

1.5. Надежность радиолинии в условиях дождей..................................29

1.6. Влияние интерференционных замираний на характеристики

передачи информации в гористой местности.................................................32

Выводы................................................................................................................34

Глава 2. Методы повышения эффективности работы беспроводной сети в условиях осадков................................................................................................35

2.1. Расчет дополнительных потерь распространения в условиях дождя 35

2.2. Влияние осадков на показатели надежности работы радиолинии 36

2.3. Методы повышение эффективности работы радиолиний в регионых с резко меняющимися условиями выпадения осадков.................40

2.4. Примеры........:.....................................................................................46

Выводы:...............................................................................................................55

Глава 3. Влияние интерференционных замираний на передачу информации

в беспроводных сетях........................................................................................56

3.1. Расчет характеристик передачи информации в условиях интерференционных замираний.......................................................................56

3.2. Влияние географических и климатических условий на эффективность передачи информации в условиях сильных

интерференционных замираний.......................................................................60

Выводы................................................................................................................67

Глава 4. Повышение производительности беспроводной сети путем адаптации к неоднородному рельефу местности............................................68

4.1. Применение адаптивных диаграммообразующих систем.............68

4.2. Характеристики системы из 2-х антенн...........................................72

4.3. Исследование влияния рельефа местности на характеристики беспроводных сетей...........................................................................................78

4.4. Адаптация частотного плана сети....................................................89

Выводы:...............................................................................................................96

Заключение.........................................................................................................97

Приложение 1. Программа в среде MATLAB для расчета показателей

эффективности работы беспроводных сетей в условиях дождей.................99

Приложение 2. Программа в среде MATLAB для расчета показателей эффективности беспроводных сетей при интерференционных замираниях

............................................................................................................................109

Приложение 3. Программа в среде MATLAB для расчета результирующей

диаграммы направленности антенной системы............................................115

Акты о внедраении результатов диссертационной работы.........................119

Список литературы..........................................................................................121

Введение

В настоящее время наблюдается быстрый рост количества беспроводных сетей различного типа и назначения, которые вытесняют традиционные кабельные и проводные. Быстрота развертывания, гибкость настройки обеспечивают им конкурентные преимущества. Завоевывая новые территории, беспроводные сети развертываются в регионах с различным и нередко существенно неоднородным характером рельефа местности, климатом и другими факторами, от которых зависит качество передачи информации. Как правило, при проектировании беспроводных сетей климатический фактор если и принимается во внимание, то достаточно приближенно, а географические условия учитываются, лишь путем использования информации о рельефе местности. Вместе с тем, эти проблемы имеют первостепенное значение для сетей, работающих, например, в тропических условиях с ярко выраженными засушливым и дождливым периодами, а также в сильно пересеченной и горной местности. Таким образом, решаемые в данной работе задачи повышения эффективности передачи информации в беспроводных сетях связи при их работе в неоднородных географических и климатических условиях являются весьма актуальными.

Основные количественные параметры, характеризующие качество функционирования беспроводной сети показаны на Рис. 1. Это скорость передачи данных в канале Я , ширина полосы излучаемого сигнала Л/, устойчивость к помехам, вероятность появления ошибок на бит, коэффициент использования спектра, емкость сети, максимальный радиус ячейки. Качество передачи данных в сети определяется стандартами и рекомендациями регламентирующих органов, предписывающими предельные значения основных характеристик используемых сигналов,

параметрами оборудования и частотно-территориальным планом сети. На Рис. показаны механизмы влияния перечисленных факторов на параметры качества сети. Анализ Рис. приводит к выводу, что для учета неоднородных географических и климатических параметров необходимо исследовать влияние:

- интерференционных замираний, вызванных многолучевостью распространения сигнала,

- различных атмосферных явлений, и в первую очередь осадков, приводящих к изменению потерь распространения сигнала,

- рельефа местности, влияющего на условия распространения электромагнитных волн и, соответственно среднюю мощность принимаемого сигнала.

Решению перечисленных проблем посвящены главы 1-4 данной работы.

Объектом исследований являются беспроводные сети, работающие в неоднородных географических и климатических условиях и их характеристики, определяющие эффективность передачи информации.

Предметом исследования являются основные закономерности процессов передачи информации в таких сетях.

Целью данной работы является анализ степени влияния неоднородных географических и климатических факторов на качество передачи информации в беспроводных сетях, и выработка методов повышения эффективности их работы в таких условиях.

В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1) проведен анализ влияния неоднородных географических и климатических параметров на эффективность передачи данных в беспроводных сетях;

2) исследованы особенности работы беспроводных сетей в регионах с резко выраженными дождливыми и засушливыми периодами и выработаны рекомендации по снижению негативного влияния при переходе от одного периода к другому;

3) разработаны методики расчета показателей эффективности передачи информации в беспроводных сетях, функционирующих в сильно пересеченной и гористой местности;

4) построены алгоритмы адаптивного выбора параметров сети, оптимизирующие показатели качества передачи информации в неоднородных географических и климатических условиях.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ

Скорость передачи данных в канале (R)

Ширина полосы излучаемого сигнала Af

Устойчивость к помехам

Вероятности появления ошибки на бит (BER) и кадр (FER)

Коэффициент использования спектра Кс, Эрл/Гц

Емкость сети С,

2

Эрл/Гц/км

Максимальный радиус ячейки DMaKC

ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЙ ПЛАН СЕТИ

ОБОРУДОВАНИЕ

Скорость передачи данных в канале (R)

Г

Вероятности появления ошибки на бит (BER) и кадр (FER)

Метод разделения каналов

Частотный диапазон

Ширина полосы излучаемого сигнала Af (спектральная маска | S(f) |)

Допустимая мощность излучения Рмакс

Радиостандарт (IS-95, GSM и т.д.), рекомендации МККР, др. регламентирующие документы

^ЩШЯЯЯШШШШШШЯШШШШШЯИЯШЯШШШЯЯШШШШШ^ШЯШЯШвШШШЯШ

Рис. 1. Показатели качества беспроводных сетей

. .... ......

Коэффициент готовности радиолинии, % 100

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

шум -1

►

\

шум+помеха , Ж

пороговое значение сигнала в отсутствие помех

сигнал/шум

слабые замирания

сильные замирания

пороговое значение сигнала в присутствие помех

Уровень сигнала

принятый сигнал

запас на замирания

" — А. _ /

V

1. Методы преобразования и обработки потоков информации в сети

2. Частотно-территориальный план сети

3. Качество радиоаппаратуры

ФАКТОРЫ ЯПИЯЮТНИЯ НА КАЧРГТЯП РАКПТКТ РА ПМОТТИИИИ И КРГПРПКПЯНПИ ГРТИ Рис. 2. Оценка качества работы радиолини

Полученные результаты позволили:

1) модифицировать известные методы расчета показателей надежности работы радиолиний и характеристик качества передачи информации для регионов с резко различающимися между собой засушливым и дождливым периодами, что позволяет в период засухи обеспечивать требуемое качество связи при более низких значениях мощности (до 3 дБ на км трассы), излучаемой передатчиком;

2) построить алгоритмы, более точно учитывающие влияние интерференционных замираний на надежность передачи информации в регионах с сильно пересеченным и гористым рельефом местности;

3) разработать методы адаптации характеристик беспроводных сетей к неоднородным географическим условиям.

Список обозначений и сокращений

А амплитуда

<Л расстояние

общее расстояние проходимое лучами расстояние между передатчиком и приемником Е напряженность электромагнитного поля

^ модуль множителя ослабления

коэффициент отражения Р{у/,в) диаграмма направленности антенны

диаграмма направленности в горизонтальной плоскости антенны А>го излучателя (дБи), / коэффициент преломления

частота сигнала /к центральная частота к-то излучателя (МГц),

О коэффициент направленности (усиления) передающей антенны

по отношению к изотропному излучателю Ок коэффициент усиления антенны Аг-го излучателя (дБи),

g¡c(t) комплексная огибающая модулированного сигнала на выходе к-

го радиоканала Н напряженность магнитного поля

к максимальное расстояние от антенны до отражающей

поверхности (высота расположения антенны по отношению к отражающей поверхности) к волновой множитель, постоянная распространения в среде

Кт коэффициент затухания, обусловленный затенением на

подвижных объектах (людях) внутри помещений.

АТ,-0 коэффициент затухания, обусловленный потерями сигнала с учетом переходов из открытого пространства внутрь помещений или обратно.

Ь потери передачи

«о нормаль к поверхности в точке отражения

Р мощность

РЬ(сГ) потери в дБ на расстоянии с1

Ра величина случайного отклонения мощности

Рк излучаемая А>м излучателем мощность (дБм),

г расстояние от точки передачи до точки приема

расстояние между антеннами

г(г') суммарный принимаемый сигнал

5д действующая площадь приемной антенны

£ плоскость отражения

^(О идеальный модулированный сигнал передатчика

( текущее время

а коэффициент поглощения на единицу длины

/? фазовая постоянная

у угол скольжения

£ относительная диэлектрическая проницаемость

г] коэффициент передачи фидера приемной антенны

Л длина волны излучения

р1 относительная магнитная проницаемость

а удельная проводимость

°"эф эффективная площадь рассеяния (ЭПР)

х время распространения копии сигнала от передатчика к приемнику

(р угол потери фазы при отражении луча

фаза множителя ослабления Ф*(б>) диаграмма направленности в вертикальной плоскости антенны к-

го излучателя (дБи), Ч? фазовый множитель коэффициента отражения

со круговая частота сигнала

03с номинальная рабочая частота передатчика

хо к> Уок >2 о к ~ координаты расположения антенны к-то излучателя (м), <р0к - азимут антенны к-го излучателя (град.),

в0к - наклон антенны к-то излучателя (град.),

Глава 1. Требования к системам управления ресурсами беспроводных сетей в неоднородных географических и климатических условиях.

1.1. Назначение и области применения

Для беспроводных сетей передачи данных значение и необходимость использования интеллектуальных систем управления ресурсами имеет первостепенное значение. Объясняется это сложностью таких систем, множеством производителей, большим количеством применяемых методов, огромным количеством используемого оборудования. В современных условиях оптимизировать работу сети в условиях влияния множества факторов невозможно применения адаптивных методов и алгоритмов, позволяющих оптимизировать и свести к минимуму риск нарушения их работы.

Задача еще более усложняется для сетей, функционирующих в сложных климатических и географических условиях. Решение данной проблемы связано с оптимальным выбором мест размещения приемопередающей аппаратуры и назначении оптимальных режимов ее работы, в первую очередь мощности и частоты излучения. Этап решения такой задачи в процессе проектирования новой беспроводной сети называется частотно-территориальным планированием.

Таким образом, целью адаптивной системы управления беспроводной сетью является:

1. оптимальное управление ее ресурсами, обеспечивающее минимизацию внутрисистемных помех, максимальный охват территории с требуемым качеством передачи информации и электромагнитной совместимости (ЭМС) с существующими радиотехническими средствами;

2. Оптимизация методов преобразования и передачи информации проектируемой сети;

3. Оптимизация параметров оборудования, предназначенного для работы в данной сети. Для решения перечисленных задач требуются следующие исходные данные (рис. 1.5):

1. Карта местности, необходимая для адекватного описания условий распространения сигналов в рассматриваемом регионе; при использовании модели в компьютерных автоматизированных системах проектирования радиосетей карта местности должна быть представлена в электронном виде в одном из стандартных форматов (например, «Мар1п&" или «Панорама»);

2. Сведения о законе распределения абонентов (трафике) на рассматриваемой территории и их характеристиках (удельной эрланговой нагрузке), заданные аналитически или представленные в обменном формате картографических данных;

3. Технические характеристики планируемой сети (технология передачи и обработки информации, частотный диапазон, требуемое отношение сигнал/шум и т.д.), указанные в ее стандарте;

4. Характеристики применяемого оборудования;

5. Координаты и технические характеристики радиосредств, функционирующих в рассматриваемом регионе, необходимые для расчета показателей ЭМС проектируемой и действующих в данном регионе сетей.

и

Адаптивные алгоритмы управления ресурсами беспроводной сети

ч_

Расчет требуемой мощности излученш

Решаемые задачи

Оценка эффективности системы в условиях интерференционных замирания

Адаптация ДН антенных

систем к условиям распространения сигнала

Снижение излучаемой мощности

Результаты

Уменьшение времени нарушения качества передачи информации

Оптимальное распределение потоков информации в пространстве

Рис. 1.1. Задачи, решаемые системой управления беспроводной сетью

Требования к объему и полноте исходных данных зависят от типа решаемой задачи. Например, в случае решения проблемы ЭМС требуются подробная электронная карта, включающая в себя растровые данные о рельефе местности, точные координаты пунктов привязки оборудования и подробные сведения о его характеристиках. Если же анализируются особенности поведения сети какого-либо известного или нового типа (стандарта) в различных условиях ее работы (условий распространения электромагнитных волн, трафика, шумового фона), то в качестве картографической базы данных лучше использовать упрощенную модель местности с возможностью определения ее ключевых параметров и быстрого перехода от одного типа местности к другому. То же самое относится и к оборудованию. В ситуации, когда основной акцент делается на исследование влияния характеристик оборудования на показатели качества передачи информации и ЭМС, в математической модели анализируемой сети нет необходимости применять подробные модели всех блоков применяемой радиоаппаратуры - достаточно ограничиться упрощенной моделью приемопередатчиков, описываемой несколькими ключевыми параметрами и рассматривать влияние этих параметров на характеристики сети. Анализ же влияния элементной базы, схемотехнических решений и т.п. на выбранные ключевые параметры лучше вынести за рамки решаемой задачи и проводить с помощью современных специализированных компьютерных систем подобного �