автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса для систем беспроводного доступа

На правах рукописи

□□30В2 140

Стрелец Максим Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧАСТОТНОГО РЕСУРСА ДЛЯ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО

ДОСТУПА

Специальность 05.12 13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003062140

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики (МТУСИ)

Научный руководитель

член - корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Шахгильдян Ваган Ваганович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, Быховский Марк Аронович,

кандидат технических наук Васехо Николай Владимирович

Ведущая организация

Ленинградский Отраслевой

научно-исследовательский институт Радио (ЛОНИИР)

Защита состоится «5» апреля 2007 г в 15 часов в ауд А-455 на заседании диссертационного совета К219 001 03 при Московском техническом университете связи и информатики по адресу 111024, Москва, ул Авиамоторная, д 8а, МТУСИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ

Автореферат разослан «22» февраля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Косичкина Т П

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Особенностью современного состояния развития систем беспроводного доступа и других средств связи является значительный рост их числа, увеличение энергетических показателей передающих устройств, расширение зон обслуживания и, как следствие, усложнение проблем выделения (присвоения) новых полос частот и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) с различными радиоэлектронными средствами (РЭС) в общих полосах частот

В связи с ограничением частотного ресурса, разработка новых систем беспроводного доступа приводит к увеличению нагрузки на естественный ресурс и, как следствие, усложнению процедуры выделения полос частот для новых систем

Неуклонная потребность в частотном ресурсе (по Решениям ГКРЧ и разрешениям Россвязи) за последние 3 года в системах радиосвязи (спутниковые, навигационные, радиолокация, подвижная связь и многие другие) и возрастающий спрос на широкополосные сигналы исключают возможность использовать полосу частот только одной радиослужбой (за исключением сигналов бедствия и безопасности) и делают задачу эффективного использования полос частот различными радиослужбами весьма актуальной Эта задача решается как на национальном, региональном, так и во всемирном масштабе Каждые 3-5 лет на Всемирных конференциях радиосвязи происходит пересмотр Таблицы радиочастот (ТРЧ) Регламента радиосвязи с целью удовлетворения возрастающих потребностей администраций в новых радиотехнологиях и, при этом, обеспечении необходимой защитой существующих радиослужб

Поэтому одним из важных направлений обеспечения эффективного распределения и использования радиочастотного ресурса является применение алгоритмов оптимизации, использование которых позволит определить необходимый частотный ресурс, предназначенный для предоставления различных типов услуг связи, определенному количеству абонентов, в конкретном географическом регионе, с учетом ЭМС в данном регионе с действующими и планируемыми РЭС, а также с учетом функционирования и реальной пропускной способности оборудования Наибольший вклад в исследование методов оптимизации частотного ресурса и ЭМС в разные годы внесли М А Быховский, О А Шорин, В.В Григорьев, А И Ермаков, А П Бессонов, В В Соловьев, и др.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и усовершенствование алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса и выработки на ее основе практических рекомендаций для конкретных условий развертывания системы беспроводного доступа

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи

- создана модель системы беспроводного доступа,

- проведены исследования влияния различных параметров на модель проектирования системы беспроводного доступа,

разработаны алгоритмы оптимизации распределения и использования частотного ресурса;

- определены затрагиваемые службы при проектировании систем беспроводного доступа,

- разработаны алгоритмы ЭМС

Методы исследования. Для решения поставленной в диссертационной работе задачи использовались методы системного анализа, исследования операций, теории вероятностей, теории передачи информации и электромагнитной совместимости.

Объектом исследований в диссертационной работе является частотный ресурс для радиоэлектронных средств систем беспроводного доступа Предметом исследований - параметры функционирования радиоэлектронных средств системы беспроводного доступа

Научная новизна работы заключается в следующем

- поставлена и решена задача определения необходимого частотного ресурса с учетом электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа с действующими и планируемыми РЭС, когда в исследовательскую схему включены факторы, характеризующие влияние внешних условий на распространение полезного и помехового сигналов,

- разработаны новые методы оптимизации определения потребности в радиочастотном ресурсе для предоставления различных услуг операторами сетей связи, методы оценки допустимого числа операторов при фиксированном частотном ресурсе, а также использование аппарата баз знаний для решения задачи оптимального распределения радиочастотного ресурса.

Разработанная постановка задачи и методическая схема ее решения отличаются от известных тем, что их целевой направленностью является распределение частотного ресурса с учетом возможных методов повышения эффективности использования радиочастотного спектра

Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссертационной работе, получены автором лично. В работах, проведенных в соавторстве, научному руководителю принадлежит постановка задачи и обсуждение результатов исследований.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в доведении разработанной в ней комплексной методики до программной реализации на ПЭВМ, что позволяет использовать ее для решения задачи позволяющей оптимальным образом распределять наличный частотный ресурс между операторами систем беспроводного доступа (СБД) или определять допустимое количество операторов для выделенного частотного ресурса на заданной территории (при обеспечении беспомеховой (с приемлемым уровнем помех) работы радиоэлектронных средств, работающих в общей полосе частот) Предполагается, что

разработанная комплексная методика будет использована представителями радиочастотных органов, так и операторами сетей беспроводного доступа.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены ОАО "Старт Телеком" и НПФ "Гейзер" при проектирование систем беспроводного доступа Использование результатов работы подтверждается соответствующими актами

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (г Москва, 2005г., 2006г.), на 10 - ой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием (г. Обнинск, 2006г), на Всероссийских научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии» (г Н. Новгород, 2005г., 2006г ), на 8 - ой научной сессии «Интеллектуальные системы и технологии» МИФИ (Москва, 2005г ), на Собраниях рабочих групп Сектора радиосвязи МСЭ 8D и 4А (г Женева, 2004г., 2005 г., 2006г ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы

Основные положения, выносимые на защиту

1 Алгоритм определения зоны обслуживания СБД, является полным и непротиворечивым

2 Применение алгоритма перекрытия зон радиосвязи дает выигрыш по сравнению с формулой Эрланга

3 Разработанный алгоритм определения необходимого частотного ресурса позволяет получать близкие к оптимальным решения

4 Разработанные алгоритмы проведения оценки ЭМС достаточно универсальны и позволяют решать сформулированную задачу в широком диапазоне изменения параметров функционирования систем беспроводного доступа и РЭС, работающих в общих полосах частот, а также параметров, характеризующих внешние условия их совместного функционирования.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 16 таблиц, список литературы состоит из 86 наименований и 5 приложений Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы цели и задачи, перечислены основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, определена область их применения, приведены сведения об апробации работы, публикациях, а также представлены основные положения, выносимые на защиту

В первой главе диссертационной работы проведен анализ существующих алгоритмов оптимизации частотного ресурса и проблем

электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа с РЭС другого назначения, функционирующих в общих полосах частот Рассмотрены особенности функционирования систем беспроводного доступа и систем другого назначения, определены основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на функционирование радиолиний, проведен морфологический анализ возможных методов уменьшения помех, создаваемых РЭС системой беспроводного доступа в отношении РЭС другого назначения, и соответствующих им параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа Разработаны направления исследований и состав необходимого методического обеспечения для определения минимально необходимого частотного ресурса и параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа Выбраны показатели, характеризующие работу системы беспроводного доступа, и ее пропускную способность Приняты ограничения и допущения Сформулирована смысловая и формализованная постановка задачи, предложена методическая схема ее решения.

В данной главе определены методы решения поставленной задачи оптимального присвоения частот, а также определены основные службы, с которыми требуется электромагнитная совместимость

Во второй главе диссертационной работы разработаны методики и модели в составе алгоритма оптимизации, позволяющие обосновывать выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, распределения и использования частотного ресурса

Разработана методика выбора рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа для оказания различных услуг связи определенному количеству пользователей В основе данной методики лежит алгоритм поиска максимума целевой функции при заданных ограничениях Результатом использование методики является определение таких параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа, которые позволяют минимизировать необходимый частотный ресурс системы беспроводного доступа для предоставления определенного количества видов услуг с заданным качеством планируемому числу пользователей.

Для методики формулируется постановка задачи, процесс решения которой реализуется совокупностью последовательно выполняемых этапов, доведенных до уровня алгоритмической и программной реализации

Основной задачей при проектировании является определение структуры СБД При этом величина коэффициента повторного использования (ЛГ„оям)должна принимать максимальное значение

Постановка задачи может быть представлена в следующем виде

^„о^о&л^^'Ч})-^™«.

где

у{К<,(о1,1~< М, п, ц} - вектор параметра кластера, £ - размерность кластера, М - число секторов в соте, я - число каналов,

д - коэффициент ЭМС между кластерами

Определена максимальная зона обслуживания системы беспроводного доступа с учетом типа развертывания системы, а также трафиком работы

Введено новое понятие коэффициента ЭМС между кластерами (^гу) Коэффициент ЭМС между кластерами показывает влияние предоставляемых услуг оператором СБД в конкретной соте на соту, использующую одну ту же полосу частот Таким образом, можно определить влияние интерференционной помехи между сотами, использующими одну и ту же полосу частот

где

цц - коэффициент, показывающий влияние /-ой ячейки на 1-ую ячейку;

Ьц - потери на трассе между /'-ым трансивером /-ой ячейки и /-ой ячейкой,

Ьц - потери на трассе между /-ым трансивером и БС,,

(Е^о)/,/ - показатель качества радиолинии для /-го трансивера в у-ой ячейке,

IV - ширина полосы канала,

йу- скорость передачи /-го трансивера в у-ой ячейке

В работе для определения необходимого числа каналов с учетом трафика образуемого в зоне обслуживания используется модель с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов

Для определения необходимого числа каналов в системе с коммутацией каналов использовался алгоритм, в соответствии с которым зона обслуживания планируется с перекрытием зон радиосвязи соседних сот

На рис 1 представлена модель системы беспроводного доступа, использующая зоны перекрытия

+1

Рис, 1, Модель СЕД с зонами перекрытия Зона однократного перекрытия. Зона двукратного перекрытия. Зона трехкратного перекрытия.

Общая вероятность, Р(пкк) блокировки вызовов в соте получена как взвешенная сумма вероятностей блокировок в отдельных зонах перекрытия соты, весовые коэффициенты соответствуют отношениям площадей перекрытий, находящихся п соте, к площади 5 соты. Таким образом, общая вероятность блокировки вызовов в соте при использовании системы с зонами перекрытия:

К

Р{п )= V

4 те' ** к=1

где:

к - зона перекрытия;

пт - необходимое число каналов. Применение зон перекрытия позволило снизить вероятность блокировки в соте по сравнению с вероятностью блокировки по формуле Эрлакга В.

При использовании зон перекрытия вероятность, что каналы будут заняты, уменьшается быстрее, чем в изолированной соте.

При определении необходимого числа каналов в системе с коммутацией пакетов использовался критерий качества время ожидания освобождения канала (.£>„).

где

У/- скорость приема пакетов,

Б/ - размер пакета

Пю, - необходимое число каналов

Определен частотный ресурс, необходимый для создания СБД с учетом характеристик зоны обслуживания (услуги оператора, число абонентов, требуемое качество обслуживания, трафик создаваемый в соте)

В третьей главе разработаны методики и модели в составе алгоритма оптимизации, позволяющие обосновывать выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, влияющие на создание системы связи и электромагнитную совместимость системы беспроводного доступа и систем другого назначения Вычисление показателя уровней помех осуществляется на основе использования модели функционирования системы беспроводного доступа

Было выявлено, что наибольшие трудности возникают при координации СБД и земных станций фиксированной спутниковой службы (ЗС ФСС) Условие ЭМС между сетью беспроводного доступа и ЗС ФСС считается выполненным, если будет одновременно обеспечена электромагнитная совместимость каждой станции сети беспроводного доступа, рассматриваемой как потенциальный источник помех, и земной станции, рассматриваемой как приемник помех Таким образом, задача оценки ЭМС может быть сведена к последовательному рассмотрению дуальных помеховых вариантов взаимодействия каждой действующей наземной станции сети беспроводного доступа и земной станции фиксированной спутниковой связи

Правило обеспечения ЭМС между /-ой станцией беспроводного доступа и ЗС ФСС можно записать следующим образом

£> (П П КП

в любом участке совмещенной полосы частот,

в полосе основного или побочного каналов приема,

где

1Ло„ - допустимая мощность помехи по основному или побочному каналам приема на входе приемника ЗС ФСС,

101К1 - ожидаемая мощность помехи, создаваемая /-ой РЭС сети беспроводного доступа, по основному или побочному каналам приема на входе приемника ЗС ФСС,

1цоп блОК - допустимая мощность помехи по блокированию элементов приемного ВЧ тракта ЗС ФСС;

10ж ¿мм! - ожидаемая мощность помехи, создаваемая /-ой РЭС сети беспроводного доступа, по блокированию элементов приемного ВЧ тракта ЗС ФСС.

Алгоритм проведения расчетов, реализующий принятые выше

условия обеспечения ЭМС, приведен на рис 2

Задание ТТХ и параметров 1-ой станции сети беспроводного доступа

Рис 2 Алгоритм проведения оценки ЭМС между сетью беспроводного доступа и ЗС ФСС

Одним из наиболее широко используемых на практике способов согласования условий совместной работы РЭС, оказывающих взаимное помеховое влияние является разработка и реализация норм частотно-территориального разноса (ЧТР) между данными РЭС Более того, к техническим способам повышения эффективности использования спектра относятся- совершенствование структуры сигналов и протоколов обмена, синхронизация сигналов, фильтрация сигналов, сотовое построение систем, подавление мешающих сигналов, разделение процессов функционирования систем по времени Традиционным способом решения такого рода задач является ЧТР РЭС, работающих в общей полосе частот

Разработанная методика расчета норм ЧТР основывается на основании Рекомендации МСЭ-Р 8М.337-4

Алгоритм определения правил ЧТР может быть представлен следующим образом ■

Шаг /'Определить уровень полезного сигнала на входе приемника, испытывающего помеху

Шаг 2 Рассчитать результирующий уровень помехи на входе приемника, испытывающего помеху.

Шаг 3. Вычислить соотношения между частотным разносом и

территориальным разносом. В четвертой главе представлена практическая реализация и экспериментальная проверка предложенных решений С использованием представленных алгоритмов выбора конфигурации системы беспроводного доступа, функциональных и технических требований к СБД, на основании существующей Рекомендации МСЭ-Р М 1651 были проведены расчеты

Проведенные экспериментальные исследования показали возможность

- уменьшения требуемого частотного ресурса на 15% при использовании разработанных алгоритмов,

- снижение требуемого количества каналов

В заключении сформулированы основные результаты работы, состоящие в следующем

1 Разработаны алгоритмы оптимизации, позволяющие определить необходимый частотный ресурс для создания СБД с целью предоставления различных типов услуг связи в планируемом географическом регионе Алгоритмы оптимизации учитывают топологию СБД, трафик работы в зоне обслуживания и системную емкость оборудования

2 При определении вероятности блокировки вызовов для систем с коммутацией каналов используется модель системы беспроводного доступа с зонами перекрытия

3. Впервые в методическую схему определения требуемого числа каналов включена модель с коммутацией пакетов. Требования по качеству основываются на времени освобождения канала

4 Введено понятие коэффициента ЭМС между кластерами, показывающего влияние услуг предоставляемых оператором СБД

5 Разработана методика оценки помех, создаваемых системами беспроводного доступа в отношении ЗС ФСС, которая позволяет установить и оценить зависимость выходного показателя помех от различных характеристик и параметров функционирования систем беспроводного доступа

Использованный в данной методике подход аналитического моделирования позволяет существенно сократить время, требуемое для проведения расчетов без потери качества и точности получаемых результатов

Кроме того, являясь составной частью разработанной комплексной методики для выбора рациональных параметров функционирования РЭС систем беспроводного доступа, методика может иметь самостоятельное значение для анализа электромагнитной совместимости систем беспроводного доступа и ЗС ФСС, а также для исследования влияния различных характеристик и параметров систем беспроводного доступа на создаваемые уровни помех

6 Разработана методика определения требований по защите систем, работающих в полосах частот СБД от помех, создаваемых системами беспроводного доступа

Разработанная методика- по своим входным и выходным параметрам представлена в рамках единой методической схемы, ориентированной на решение задач по исследованию влияния различных параметров функционирования систем беспроводного доступа на уровни создаваемых помех, в отношении РЭС работающих в общих полосах частот, а также выбор рационального сочетания таких параметров,

- достаточно универсальная и позволяет решать сформулированную задачу в широком диапазоне изменения параметров функционирования систем беспроводного доступа и РЭС, работающих в общих полосах частот, а также параметров, характеризующих внешние условия их совместного функционирования,

- доведена до соответствующих алгоритмов и реализована на ПЭВМ,

- подтверждается многочисленными работами по оценке электромагнитной совместимости конкретных систем беспроводного доступа со станциями различных радиослужб и базируется на применении апробированных методов теории вероятностей, исследования операций и системного анализа, использованием

общепринятых корректных допущений, отсутствием противоречий между полученными в работе результатами и существующими научными положениями теории электромагнитной совместимости, а также результатами работ в этой области других авторов

Список публикаций

1.Шахгильдян ВВ, Стрелец МВ Повышения эффективности использования частотного ресурса в системах беспроводного доступа //Электросвязь -2007 -№1 -С 31-32

2 Стрелец М В Исследование и разработка алгоритмов распределения и использования частотного ресурса // Тезисы докладов. Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. Книга 1 - М • МТУСИ-2005. - С 67-68

3 Стрелец М В Частотно-территориальное планирование систем беспроводного доступа // Тезисы докладов Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. Книга 1. - М.. МТУ СИ - 2006 - С. 86

4. Шахгильдян В В , Стрелец М В Электромагнитная совместимость между системами беспроводного доступа и земными станциями фиксированной спутниковой службы // Труды Международной научной конференции ИРЭМВ- 2005 «Излучение и рассеяние электромагнитных волн»,2005 -С 270-271.

5 Стрелец М.В Применение генетических алгоритмов для оптимизации распределения частотного ресурса // Труды 8-ой научной сессии «Интеллектуальные системы и технологии» Том 3 М МИФИ-2005.-С. 138-139.

6 Стрелец М В. Алгоритм оптимизации условий совместного использования общих полос частот системами беспроводной передачи данных и фиксированной спутниковой службой // Тезисы докладов. Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии», НГТУ-2005 - С 42-43

7.Стрелец МВ Методика оценки ЭМС между СБД и ЗС ФСС // Тезисы докладов Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии», НГТУ - 2006 - С 29-30

8. Сорокин С Н., Стрелец М В Эволюционное проектирование элементов телекоммуникационных систем // Труды 10 - ой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием Том 3 М Физматлит- 2006 - С 993-999

9. Стрелец М В Применение методов исскуственного интеллекта при оценке ЭМС между РЭС СБД и ЗС ФСС в полосе частот 3400-4200 МГц // Труды 10-ой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием Том 3 М Физматлит- 2006 -С 1000- 1004

10 V.V Shahgildyan, M V Strelets The algorithm to optimize allocation and utilization of frequency spectrum for wireless access systems // The 7,h IEEE Emerging Technologies Workshop "Circuits and Systems for 4G Mobile Communication" St Petersburg Staty Polytechmcal University Publishing House, 2005, p 20-23

11 IV Zheltonogov, M V Strelets and others Proposals on preparation of a preliminary draft new ITU-R Recommendation - Characteristics and protection criteria for receiving earth stations in radionavigation-satellite service operating m the band 1 164- 1 215 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2004, 8D/89, pp 3.

12 IV Zheltonogov, M V. Strelets and others Proposed revision of Recommendation ITU-R M 1088 - Consideration for sharing with systems m other services operating in the bands allocated to radionavigation satellite service // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2004, 8D/90, pp 8.

13. IV Zheltonogov, M V. Strelets and others Proposed revision of Recommendation ITU-R M 1317 - Considerations for sharing between systems of other services operating m the bands allocated to the radionavigation satellite and aeronautical radionavigation services and the global navigation satellite system (GLONASS-M) // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2004,8D/91, pp 8

14 IV Zheltonogov, M V Strelets and others Analysis of necessity of modifying existing ITU-R Recommendations and drafting new ITU-R Recommendations to describe characteristics of RNSS system transmitters and receivers in the frequency bands 1 559-1 610 MHz, 1 215-1 300 MHz and 1 164-1 215 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2004, 8D/92, pp 4

15 IV. Zheltonogov, MV Strelets and others. Working document towards preliminary draft new Recommendation ITU-R M [CHAR-RX3] -Characteristics and protection criteria for receiving earth stations m the radionavigation-satellite service operating in the band 1 164-1 215 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2005, 8D/19I, pp 5

16 IV. Zheltonogov, M V. Strelets and others Proposals for modification of Recommendation ITU-R M 1317 - Description of RNSS systems and technical characteristics of transmitting space stations operating in the RNSS systems (space-to-Earth and space-to-space) in the bands 1 164-1215 MHz, 1215-1 300 MHz, 1 559-1 610 MHz and 5 010-5 030 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2005, 8D/193, pp 8

17 IV Zheltonogov, M V Strelets and others Proposal for modification of Recommendation ITU-R M 1088 - Characteristics and protection criteria for receiving earth stations of the radionavigation-satellite service in the band 1 215-1 300 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2005, 8D/196, pp 5

18 IV Zheltonogov, M V. Strelets and others Proposals for modification of preliminary draft new Recommendation ITU-R M [1477JMEW] - Characteristics and protection criteria for receiving earth stations of the radionavigation-satellite service (space-to-Earth) m the band 1 559-1 610 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2005, 8D/232, pp 13

19. I.V Zheltonogov, M.V Strelets and others Proposals for modification of the Preliminary Draft New Recommendation ITU-R M.[1088_NEW] - Characteristics and protection criteria for receiving Earth stations of the radionavigation-satellite service in the band 1 215-1 300 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2005,8D/233, pp 5

20 I.V Zheltonogov, M.V. Strelets and others Proposals for modification of Preliminary Draft New Recommendation ITU-R M [CHAR-RX3] - Characteristics and protection criteria for receiving Earth stations m the radionavigation-satellite service operating in the band 1 164-1 215 MHz // ITU-R Working Party 8D, ITU, 2005,8D/234, pp 5.

21. M.V Strelets Coordination between terrestrial stations and typical Earth stations m frequency bands of Appendix 30B // ITU-R Working Party 4A, ITU, 2006,4A/306, pp 3

22 M.V Strelets Proposed amendments to the draft CPM text on WRC-07 A.I. 110// ITU-R Working Party 4A, ITU, 2006,4A/310, pp 6

23 M V Strelets. Draft CPM text in respect to WRC-07 Agenda item 1.10 (Issue H) // ITU-R Working Party 4A, ITU, 2006,4A/352, pp. 4.

24. M.V Strelets Draft CPM text for WRC-07 Agenda item 1.10 (Issue (G)) // ITU-R Working Party 4A, ITU, 2006,4A/353, pp 5

Заказ 58 Тираж 100 экз Типография «Инсвязьиздат» Москва, Авиамоторная, дом 8

Введение.

1. Анализ существующих алгоритмов оптимизации частотного ресурса и проблем электромагнитной совместимости РЭС беспроводного доступа с РЭС работающими в общих полосах частот. Постановка задачи исследований.

1.1. Анализ существующих алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса.

1.2. Определение проблем совместимости РЭС беспроводного доступа с РЭС работающими в общих полосах частот.

1.2.1. Анализ особенностей функционирования систем беспроводного доступа, методов уменьшения помех и факторов, влияющих на электромагнитную совместимость.

1.2.1.1. Особенности функционирования систем беспроводного доступа и анализ алгоритмов уменьшения помех.

1.2.1.2. Анализ факторов, оказывающих влияние на электромагнитную совместимость систем беспроводного доступа и других РЭС. Основные ограничения и допущения.

1.3. Постановка задачи и схема исследований.

1.3.1. Выбор показателя для оценки помех, создаваемых СБД.

1.3.2. Выбор показателя для оценки пропускной способности СБД.

1.3.3. Смысловая и формализованная постановка задачи и методическая схема исследований.

2. Разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса для системы беспроводного доступа.

2.1. Сценарии развертывания системы беспроводного доступа.

2.2. Определение радиуса зоны обслуживания СБД.

2.3. Определение топологии СБД.

2.4. Определение ЭМС в СБД.

2.5. Определение необходимого количества ячеек.

2.6. Определение системной емкости оборудования СБД.

2.7. Определение необходимого частотного ресурса для СБД.

3. Разработка методики электромагнитной совместимости систем беспроводного доступа с другими службами, работающими в общих полосах частот.

3.1. Разработка методики оценки ЭМС между РЭС систем беспроводного доступа и ЗС ФСС в общих полосах частот.

3.2. Разработка методики оценки ЭМС между РЭС систем беспроводного доступа и другими РЭС различного назначения в общей полосе частот.

4. Прикладные результаты исследований.

4.1. Исходные данные, принятые при проведении исследований

4.2. Оценка влияния параметров функционирования системы беспроводного доступа влияющих на частотный ресурс, а также уровни создаваемых ею помех и ее пропускную способность.

4.2.1. Определение необходимого радиуса обслуживания БС.

4.2.2. Размерность кластера, число секторов в соте и количество необходимых частотных каналов.

4.2.3. Требуемое количество каналов в ячейке.

4.2.4. Требуемое количество частотного ресурса.

4.2.5. Параметры, влияющие на ЭМС РЭС СБД и ЗС ФСС.

4.2.6. Анализ результатов оценки ЭМС РЭС СБД и ЗС ФСС.

Особенностью современного состояния развития систем беспроводного доступа и других средств связи является значительный рост их числа, увеличение энергетических показателей передающих устройств, расширение зон обслуживания и, как следствие, усложнение проблем выделения (присвоения) новых полос частот и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) с различными радиоэлектронными средствами (РЭС) в общих полосах частот.

Поэтому одним из важных направлений обеспечения эффективного распределения и использования радиочастотного ресурса является применение алгоритмов оптимизации, использование которых позволит определить необходимый частотный ресурс, предназначенный для предоставления различных типов услуг связи, определенному количеству абонентов, в конкретном географическом регионе, с учетом ЭМС в данном регионе с действующими и планируемыми РЭС, а также с учетом функционирования и реальной пропускной способности оборудования.

Регулирование использования радиочастотного спектра в Российской Федерации является исключительным правом государства и обеспечивается в соответствии с международными договорами Российской Федерации и законодательством Российской Федерации посредством проведения экономических, организационных и технических мероприятий, связанных с конверсией радиочастотного спектра и направленных на ускорение внедрения перспективных технологий и стандартов, обеспечение эффективного использования радиочастотного спектра в социальной сфере и экономике, а также для нужд государственного управления, обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка [37].

Основополагающим законодательным документом в области управления радиочастотным спектром в Российской Федерации является Федеральный закон "О связи" от 7 июля 2003 года № 126-ФЗ [37]. Ряд вопросов в этой области также регулируются Федеральным законом "Об обороне" и Федеральным законом "Об органах федеральной службы безопасности" [38].

В соответствии с Федеральным законом "О связи" регулирование использования радиочастотного спектра в Российской Федерации осуществляется межведомственным коллегиальным органом по радиочастотам при Министерстве информационных технологий и связи

Российской Федерации, обладающим всей полнотой полномочий в области регулирования радиочастотного спектра.

Полномочия, задачи, функции Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ), а также порядок распределения радиочастот между радиослужбами и порядок принятия решений ГКРЧ определен Положением о ГКРЧ, утвержденным постановлением Правительства РФ от 2 июля 2004 г. № 336.

Организационные и технические меры по обеспечению надлежащего использования радиочастот или радиочастотных каналов и соответствующих радиоэлектронных средств или высокочастотных устройств гражданского назначения во исполнение решений Государственной комиссии по радиочастотам осуществляет специально уполномоченная служба по обеспечению регулирования использования радиочастот и радиоэлектронных средств при федеральном органе исполнительной власти в области связи (радиочастотная служба).

Использование в Российской Федерации радиочастотного спектра осуществляется в соответствии со следующими принципами [37]:

- разрешительный порядок доступа пользователей к радиочастотному спектру;

- сближение распределения полос радиочастот и условий их использования в Российской Федерации с международным распределением полос радиочастот;

- право доступа всех пользователей к радиочастотному спектру с учетом государственных приоритетов, в том числе обеспечения радиочастотным спектром радиослужб Российской Федерации в целях обеспечения безопасности граждан, обеспечения президентской связи, правительственной связи, обороны страны и безопасности государства, правопорядка, экологической безопасности, предотвращения чрезвычайных ситуаций техногенного характера;

- платность использования радиочастотного спектра;

- недопустимость бессрочного выделения полос радиочастот, присвоения радиочастот или радиочастотных каналов;

- конверсия радиочастотного спектра;

- прозрачность и открытость процедур распределения и использования радиочастотного спектра.

Федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере использования и конверсии радиочастотного спектра является Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации.

Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации выполняет функции администрации связи Российской Федерации при осуществлении международной деятельности в области связи.

Распределение радиочастотного спектра осуществляется в соответствии с Таблицей распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации и планом перспективного использования радиочастотного спектра радиоэлектронными средствами, которые разрабатываются государственной комиссией по радиочастотам и утверждаются Правительством Российской Федерации.

Право на использование радиочастотного спектра в Российской Федерации предоставляется посредством выделения полос радиочастот и присвоения (назначения) радиочастот или радиочастотных каналов.

Порядок принятия решений о выделении полос радиочастот определен "Положением о порядке рассмотрения материалов, проведения экспертизы и принятия решения о выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств", утвержденным решением ГКРЧ от 9 августа 2004 г. № 04-01-05-1.

В полосах радиочастот категорий совместного пользования радиоэлектронными средствами любого назначения и преимущественного пользования радиоэлектронными средствами гражданского назначения выделение полос радиочастот для радиоэлектронных средств любого назначения, а в полосах радиочастот категории преимущественного пользования радиоэлектронными средствами, используемыми для нужд государственного управления, выделение полос радиочастот для радиоэлектронных средств гражданского назначения осуществляется государственной комиссией по радиочастотам.

В полосах радиочастот категории преимущественного пользования радиоэлектронными средствами, используемыми для нужд государственного управления, выделение полос радиочастот для радиоэлектронных средств, обеспечивающих президентскую связь, правительственную связь, оборону страны, безопасность государства и обеспечение правопорядка, осуществляется в Российской Федерации специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области правительственной связи и информации и федеральным органом исполнительной власти в области обороны.

Порядок принятия решений о присвоении радиочастот определен "Положением о порядке проведения экспертизы, рассмотрения материалов и принятия решения о присвоении (назначении) радиочастот и радиочастотных каналов для радиоэлектронных средств в пределах выделенных полос радиочастот", утвержденным решением ГКРЧ от 9 августа 2004 г. № 04-01-061.

Присвоение (назначение) радиочастоты или радиочастотного канала для радиоэлектронных средств гражданского назначения осуществляется Федеральным агентством связи по заключению радиочастотной службы на основании заявлений граждан Российской Федерации или заявлений российских юридических лиц.

Присвоение (назначение) радиочастоты или радиочастотного канала для радиоэлектронных средств, используемых для нужд государственного управления, в том числе президентской связи, правительственной связи, нужд обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка, осуществляется специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области правительственной связи и информации и федеральным органом исполнительной власти в области обороны.

В соответствии с Федеральным законом "О связи" средства связи, иные радиоэлектронные средства и высокочастотные устройства, являющиеся источниками электромагнитного излучения, подлежат регистрации. Составной частью государственного управления использованием радиочастотного спектра и международно-правовой защиты присвоения (назначения) радиочастот или радиочастотных каналов является радиоконтроль. Радиоконтроль за радиоэлектронными средствами гражданского назначения осуществляется радиочастотной службой.

Системы беспроводного доступа (СБД) в соответствии с Таблицей радиочастот могут использовать полосы частот, распределенные фиксированной службе. В свою очередь, системы беспроводного доступа могут быть фиксированные и подвижные.

Рассмотрим перечень полос радиочастот, которые используются системами беспроводного доступа в рамках фиксированной службы на территории Российской Федерации (см. Табл. 1).

Табл. 1. п/п Полосы радиочастот Величина доступного частотного ресурса, МГц Примечание

1. 1275-1350 МГц 75 Выделение полосы радиочастот приостановлено по условиям ЭМС с РЭС спутниковой радионавигации*

2. 1350-1527 МГц 177 Выделение полос радиочастот приостановлено по условиям ЭМС с РЭС военного применения*

3. 2100-2400 МГц 300 Выделение полос радиочастот затруднено по условиям ЭМС с РЭС военного применения*

4. 2400-2483,5 МГц 83,5 Полоса радиочастот чрезвычайно перегружена, особенно в крупных городах (в данной полосе используется технология Wi-Fi)

5. 2500-2700 МГц 200 В данной полосе используется технология MMDS

6. 3400-3450 МГц, 3500-3550 МГц 100 Выделение полос радиочастот затруднено по условиям ЭМС с РЭС фиксированной спутниковой службы

7. 5150-5350 МГц 200 Выделение полос радиочастот затруднено по условиям ЭМС с РЭС военного применения

8. 5650-5850 МГц 200

9. 5925-6425 МГц 500 Полоса частот может быть использована на вторичной основе по отношению к земным станциям фиксированной спутниковой службы

10. 10,15-10,3 ГГц, 10,5-10,65 ГГц 300 и

11. 24,5-26,5 ГГц 2000 *

12. 27,5-29,5 ГГц 2000 *

13. 40,5-42,1 ГГц 1600 * - в настоящее время выделение полос частот для СБД в данных полосах не проводится ГКРЧ до тех пор, пока не будут определены и приняты на ГКРЧ условия использования систем СБД по результатам НИР

Как видно из Табл. 1 частотный ресурс, выделенный для систем беспроводного доступа ниже 10 ГГц практически исчерпан в больших городах. Полосы частот выше 10 ГГц в анализе не рассматриваются (т.к. частоты выше 10 ГГц пригодны лишь для связи прямой видимости, более того производители оборудования готовы производить оборудование, работающее в диапазонах ниже 6 ГГц).

За последние 3 года неуклонная потребность (по Решениям ГКРЧ и разрешениям Россвязи) в системах радиосвязи (спутниковые, навигационные, радиолокация, подвижная связь и многие другие) и возрастающий спрос на широкополосные сигналы исключают возможность использовать полосу частот только одной радиослужбой (за исключением сигналов бедствия и безопасности), что делает задачу эффективного использования полос частот различными радиослужбами весьма актуальной. Такая задача решается как на национальном, региональном, так и во всемирном масштабе. Каждые 3-5 лет на Всемирных конференциях радиосвязи происходит пересмотр Таблицы радиочастот Регламента радиосвязи с целью удовлетворения возрастающих потребностей администраций в новых радиотехнологиях и при этом, обеспечении необходимой защитой существующих радиослужб. СБД являются перспективными (в т.ч. для 1МТ-2000) и их внедрению уделяется много внимания, как на международном, так и национальном уровнях. При этом другие службы не собирается делиться спектром с СБД и, поэтому разработка условий использования в общей полосе частот с другими радиослужбами является задачей своевременной и важной.

В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, направленные на разработку алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса, которые позволят определить необходимый частотный ресурс для систем беспроводного доступа с учетом достижения максимальной эффективности использования частотного ресурса.

Исследованиям данного направления было посвящено большое количество работ как прикладного, так и общетеоретического характера: отчеты о результатах частотного планирования, о нормировании параметров радиоизлучений и приема, рекомендации и стандарты Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейской конференции почт и электросвязи (СЕРТ), ряд национальных стандартов США, Японии и т.д.[64, 65, 66]. Вместе с тем проработка задачи оптимального частотного планирования пока недостаточна, иногда фрагментарна.

В работах [13, 14, 15, 16, 22, 26, 32, 39, 40] широко освещены проблемы расчета необходимого частотного ресурса и электромагнитной совместимости РЭС различного назначения, синтеза параметров РЭС беспроводного доступа, а также оптимизации работы РЭС с целью достижения в них максимальной потенциальной пропускной способности.

Анализ указанных работ показал, что, несмотря на значительное развитие этого направления прикладной науки, существующее методическое обеспечение, не позволяет решать данную задачу в полной мере. Сложность ее решения определяется большим количеством факторов, которые должны быть включены в методическую схему исследований, различными механизмами влияния параметров систем беспроводного доступа на их пропускную способность и на качество функционирования радиолиний систем работающих в общих полосах частот, необходимостью учета динамики и случайного характера исследуемых процессов. Также в данных работах не рассматривается возможности распределения частотного ресурса с учетом эффективных методов использования (например, повторное использование частот, метод динамического назначение каналов) и совместного функционирования РЭС беспроводного доступа с РЭС другого назначения в общих полосах частот.

Таким образом, целью диссертационных исследований является решение научной задачи исследование и разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса и разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса и выработки на ее основе практических рекомендаций для конкретных условий развертывания системы беспроводного доступа.

Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих исследовательских задач: анализ особенностей географических условий функционирования РЭС системы беспроводного доступа;

- анализ особенностей различных услуг связи, предоставляемых системами СБД; анализ особенностей трафика для оказания различных услуг связи; анализ особенностей функционирования РЭС системы беспроводного доступа при совмещении с действующими и планируемыми РЭС другого назначения в общих полосах частот, применяемых методов уменьшения помех и факторов, оказывающих наибольшее влияние на их электромагнитную совместимость;

- разработка моделей и алгоритмов оптимизаций параметров РЭС системы беспроводного доступа, позволяющих проводить: a) выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа; b) оценку пропускной способности РЭС системы беспроводного доступа; c) обоснование требований по защите РЭС системы беспроводного доступа от помех со стороны РЭС другого назначения. проведение прикладных исследований для установления характера влияния различных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа на величину уровней помех, создаваемых РЭС системой беспроводного доступа в отношении РЭС другого назначения, а также для разработки практических рекомендаций по обеспечению электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения для конкретных условий их совместного функционирования.

Основу решения поставленных задач составили методы системного анализа, исследования операций, теорий вероятностей, передачи информации и электромагнитной совместимости.

Объектом исследований в диссертационной работе является частотный ресурс для радиоэлектронных средств систем беспроводного доступа. Предметом исследований - параметры функционирования радиоэлектронных средств системы беспроводного доступа.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения, списка литературы и 5 приложений.

Первая глава посвящена постановке задачи исследования. Для этого проведен анализ существующих алгоритмов оптимизации частотного ресурса и проблем электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа с РЭС другого назначения, функционирующих в общих полосах частот. Рассмотрены особенности функционирования систем беспроводного доступа и систем другого назначения, определены основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на функционирование радиолиний, проведен морфологический анализ возможных методов уменьшения помех, создаваемых РЭС системой беспроводного доступа в отношении РЭС другого назначения, и соответствующих им параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа. Разработаны направления исследований и состав необходимого методического обеспечения для определения минимально необходимого частотного ресурса и выбора параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа. Выбраны показатели, характеризующие работу системы беспроводного доступа, и ее пропускную способность. Приняты ограничения и допущения. Сформулирована смысловая и формализованная постановка задачи, предложена методическая схема ее решения.

Вторая глава посвящена разработке методики и модели в составе алгоритма оптимизации, позволяющих обосновывать выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, распределения и использования частотного ресурса.

Разработана методика выбора рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа для оказания различных услуг связи определенному количеству пользователей. В основе данной методики лежит алгоритм поиска максимума целевой функции при заданных ограничениях. Результатом использование методики является определение таких параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа, которые позволяют обеспечить систему беспроводного доступа минимально необходимым частотным ресурсом для предоставления определенного количества видов услуг с заданным качеством планируемому числу пользователей.

Для методики формулируется постановка задачи, процесс решения которой реализуется совокупностью последовательно выполняемых этапов, доведенных до уровня алгоритмической и программной реализации.

Третья глава посвящена разработке методики и модели в составе алгоритма оптимизации, позволяющих обосновывать выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, влияющих на создание системы связи и электромагнитную совместимость системы беспроводного доступа и систем другого назначения. Вычисление показателя уровней помех осуществляется на основе использования модели функционирования системы беспроводного доступа.

Разработана методика выбора рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа для оказания различных услуг связи определенному количеству пользователей в условиях ограничений требованиями по защите РЭС другого назначения от помех. В основе данной методики лежит алгоритм поиска максимума целевой функции при заданных ограничениях.

Результатом использование методики является определение таких параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа, которые позволяют обеспечить систему беспроводного доступа минимально необходимым частотным ресурсом для предоставления определенного количества видов услуг с заданным качеством планируемому числу пользователей.

Для методики формулируется постановка задачи, процесс решения которой реализуется совокупностью последовательно выполняемых этапов, доведенных до уровня алгоритмической и программной реализации.

В четвертой главе приводятся результаты прикладных исследований по оценке использования и распределения частотного ресурса в условиях совместного функционирования с РЭС другого назначения.

В заключении изложены основные результаты и выводы по работе.

В Приложениях содержатся характеристики РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, использованные при проведении прикладных исследований, а также информационные материалы необходимые для работы.

Список литературы содержит 86 наименований.

Объем диссертации 155 страниц, в том числе рисунков 23 и таблиц 16.

Основными научными результатами, выносимыми на защиту, являются:

1. Алгоритм определения зоны обслуживания СБД, является полным и непротиворечивым.

2. Применение алгоритма перекрытия зон радиосвязи дает выигрыш по сравнению с формулой Эрланга.

3. Разработанный алгоритм определения необходимого частотного ресурса позволяет получать близкие к оптимальным решения.

4. Разработанные алгоритмы проведения оценки ЭМС достаточно универсальны и позволяют решать сформулированную задачу в широком диапазоне изменения параметров функционирования систем беспроводного доступа и РЭС, работающих в общих полосах частот, а также параметров, характеризующих внешние условия их совместного функционирования.

Научная новизна работы и полученных в ней результатов определяется следующим: a) решена задача определения необходимого частотного ресурса с учетом электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа с действующими и планируемыми РЭС, когда в исследовательскую схему включены факторы, характеризующие влияние внешних условий на распространение полезного и помехового сигналов; b) разработаны новые методы оптимизации определения потребности в радиочастотном ресурсе для предоставления различных услуг операторами СБД, методы оценки допустимого числа операторов при фиксированном частотном ресурсе, а также использован аппарат баз знаний для решения задачи оптимального распределения радиочастотного ресурса;

Разработанная постановка задачи и методическая схема ее решения отличаются от известных тем, что их целевой направленностью является распределение частотного ресурса с учетом возможных методов повышения эффективности использования радиочастотного спектра (в Законе о связи сказано, что "Регулирование использования радиочастотного спектра в Российской Федерации . обеспечивается посредством проведения экономических, организационных и технических мероприятий. направленных на ускорение внедрения перспективных технологий и стандартов, обеспечение эффективного использования радиочастотного спектра").

Практическая ценность данной работы будет заключаться в разработке комплексных методик, позволяющих оптимальным образом распределять наличный частотный ресурс между операторами различных сетей связи или определять допустимое количество операторов для выделенного частотного ресурса на заданной территории (при обеспечении беспомеховой (с приемлемым уровнем помех) работы радиоэлектронных средств, работающих в общей полосе частот). Предполагается, что данный комплексная методика будет использована представителями радиочастотных органов, так и у операторами сетей связи.

Основные результаты работы реализованы при:

- подготовке предложений в Технические задания делегациям администрации связи России на собрания рабочих групп Исследовательских комиссий МСЭ-Р и СЕПТ;

- подготовке научно-технических докладов Администрации связи России на собрания рабочих групп 8D и 4А Сектора радиосвязи МСЭ;

- проектирование систем беспроводного доступа ОАО "Старт Телеком" и НПФ "Гейзер", а также при выполнении НИР "Исследование и разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса" (шифр "Ресурс", №3003/2005 от 06.06.2005 г.).

Материалы диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Международной научной конференции ИРЭМВ - 2005 "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", на Международном симпозиуме IEEE "Сети и Системы для подвижной беспроводной связи 4G", на национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием, на научной сессии МИФИ-2005, на Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии", на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ и в ходе собраний рабочих групп Исследовательских комиссий Сектора радиосвязи МСЭ. Результаты опубликованы в 24 работах, из которых 24 печатных.

Автор признателен всем, кто способствовал подготовке данной диссертации. Особая благодарность выражается Шахгильдяну В.В., осуществлявшему непосредственное научное руководство, а также Акимову В.Н, Быховскому М.А. и Васехо Н.В., которые высказали наиболее ценные замечания и рекомендации по работе.

Основные результаты работы реализованы: при подготовке предложений в Технические задания делегациям администрации связи России на собрания рабочих групп Исследовательских комиссий МСЭ-Р и СЕПТ; в научно-технических докладах от Администрации связи России на собрания рабочих групп и 4А Сектора радиосвязи МСЭ.

Результаты исследований были также использованы при проведении научно-исследовательской работы в 2006 г. по НИР "Исследование и разработка алгоритмов оптимизации частотного ресурса" (№3003/2005 от 06.06.2005 г.).

Заключение

В диссертации поставлена и решена важная научно-техническая задача по исследованию и разработке алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса с учетом ЭМС с различными службами в общих полосах частот.

В ходе ее решения получены следующие основные результаты:

1) Проведен анализ существующих методов оптимизации частот для систем беспроводного доступа. В ходе данного анализа было выявлено, что для решения задачи оптимального присвоения частот требуется применение методов присвоения частот в условиях неопределенности обстановки и присвоение частот в условиях изменяющейся обстановки.

Анализ условий и проблем электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа с затронутым РЭС в общих полосах частот показал, что вне зависимости от международного юридического статуса системы беспроводного доступа в используемых ею полосах частот при ее разработке всегда возникает задача обеспечения таких характеристик и параметров функционирования РЭС системы, которые позволили бы реализовать требования по ЭМС с затронутыми РЭС.

Качество работы радиолиний затронутого РЭС зависит от факторов, которые условно можно разделить на внутренние и внешние. В свою очередь внешние факторы классифицированы по признаку их прогнозируемости и возможности адекватной компенсации негативного влияния - они могут быть как детерминированные, так и недетерминированные. К числу недетерминированных внешних факторов относятся: потери распространения, вызванные замираниями в осадках, и помехи, создаваемые системой беспроводного доступа.

Изменение различных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа, характеризующих применяемые в системе беспроводного доступа методы уменьшения помех, приводит одновременно к изменению уровней, создаваемых ею помех, и ее пропускной способности. В качестве показателя при оценке помех создаваемых системой беспроводного доступа в отношении затронутого РЭС предложена вероятность того, что требуемый уровень мощности суммарных помех, создаваемых всеми РЭС системой беспроводного доступа в зоне видимости затронутого РЭС, будет превышен. Для оценки пропускной способности системы беспроводного доступа принят показатель математического ожидания числа одновременно функционирующих в системе беспроводного доступа эквивалентных каналов передачи данных.

На основе проведенного анализа, принятых ограничений и допущений сформулирована смысловая и формализованная постановка задачи, в соответствии с которой: при заданных характеристиках системы беспроводного доступа, характеристиках затронутого РЭС требованиях к качеству ее радиолиний, требуется определить рациональные параметры функционирования РЭС системы беспроводного доступа, для которых: а) уровни помех, создаваемых системой беспроводного доступа в отношении затронутого РЭС, не превышают допустимых значений; и при этом б) обеспечивается максимальная пропускная способность для системы беспроводного доступа.

2) Разработаны алгоритмы, позволяющие проводить исследования по оценке минимального необходимого частотного ресурса для системы беспроводного доступа, и включающие в себя: a) исходные данные, необходимые для расчета требуемого частотного ресурса; b) методику расчета зоны обслуживания на основе энергетического баланса радиолинии и на основе данных о трафике работы в соте. c) определение подходящей топологии СБД с учетом интерференционных помех;

1) алгоритм построения СБД с учетом зон перекрытия; е) расчет требуемого числа каналов для систем использующих как коммутацию каналов, так и коммутацию пакетов.

Использованный в данной работе подход аналитического моделирования позволяет существенно сократить время, требуемое для проведения расчетов без потери качества и точности получаемых результатов.

3) Разработаны 2 комплексные методики, позволяющие проводить исследования по оценке уровней помех, создаваемых системами беспроводного доступа, и выбору рациональных параметров их функционирования, и включающие в себя: а) Методиа оценки помех, создаваемых системами беспроводного доступа в отношении ЗС ФСС а, которая позволяет установить и оценить зависимость выходного показателя помех от различных характеристик и параметров функционирования систем беспроводного доступа. В качестве критерия обеспечения ЭМС между i-ой станцией беспроводного доступа и ЗС ФСС выбрано следующее соотношение:

1<)<>п г,юк - Аш- rmK¡ в любом участке полосы частот 3400 - 4200 МГц [Il)im > 1ож1 в полосе основного или побочного каналов приема

Использованный в данной методике подход аналитического моделирования позволяет существенно сократить время, требуемое для проведения расчетов без потери качества и точности получаемых результатов.

Кроме того, являясь составной частью разработанной комплексной методики для выбора рациональных параметров функционирования РЭС систем беспроводного доступа, методика может иметь самостоятельное значение для анализа электромагнитной совместимости систем беспроводного доступа и ЗС ФСС, а также для исследования влияния различных характеристик и параметров систем беспроводного доступа на создаваемые уровни помех. б) Методика определения требований по защите систем работающих в полосе частот 5150 - 5750 МГц от помех, создаваемых системами беспроводного доступа.

С помощью разработанной методики можно определить требования по частотному, территориальному и пространственному разносам, обеспечивающим совместное функционирование РЭС беспроводного доступа и ЗС ФСС.

Разработанные методики и модели:

- по свои входным и выходным параметрам объединены в рамках единой методической схемы, ориентированной на решение задач по исследованию влияния различных параметров функционирования систем беспроводного доступа на уровни создаваемых помех в отношении РЭС работающих в общих полосах частот, а также выбор рационального сочетания таких параметров;

- достаточно универсальны и позволяют решать сформулированную задачу в широком диапазоне изменения параметров функционирования систем беспроводного доступа и РЭС работающих в общих полосах частот, а также параметров, характеризующих внешние условия их совместного функционирования;

- доведены до соответствующих алгоритмов и реализованы на ПЭВМ;

- их достоверность подтверждается многочисленными работами по оценке электромагнитной совместимости конкретных систем беспроводного доступа со станциями различных радиослужб и базируется на применении апробированных методов теории вероятностей, исследования операций и системного анализа, использованием общепринятых корректных допущений, отсутствием противоречий между полученными в работе результатами и существующими научными положениями теории электромагнитной совместимости, а также результатами работ в этой области других авторов.

1. Акофф Р., Сасиени Основы исследования операций. Пер. с англ. М.: Мир, 1971.-534 с.

2. Апорович А.Ф. Статистическая теория электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Минск: Наука и техника, 1984. 215 с.

3. Башарин Г.П. Лекции по математической теории телетрафика. -М.: Изд-во РУДН, 2004.

4. Башарин Г.П., Серебренникова Н.В. Анализ производительности фрагмента сотовой сети с учетом зон радиосвязи. Электросвязь№7, 2006.

5. Берзин Е.А. Оптимальное распределение ресурсов и элементы синтеза систем. М.: Советское радио, 1974.- 304 с.

6. Блюмберг В.А., Глущенко В.Ф. Какое решение лучше? Метод расстановки приоритетов. Лениздат, 1982.- 123 с.

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учашихся ВТУЗОВ. М.: Наука, 1980, 976 с.

8. Бузов А.Л., Быховский М.А. и др. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость. М Эко-Трендз. 2006. 376 с.

9. Бусленко Н.Н. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. 400 с. Ю.Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988.-480 с. И.Долуханов М.Н. Распространение радиоволн. М.: Советское радио,1978.304 с.

10. Дубов Ю.А., Травкин СИ., Якимец В.И. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем. М.: Наука, Гл. ред. физ. мат. лит.,1986.-296с.

11. Дятлов Ю.Ф. Оптимизация рабочих частот радиостанций подвижной связи. ТСС, сер. Техника радиосвязи, вып. 10, 1984. И.Ермаков А.Н., Соловьев В.В. Алгоритмы оптимизации выделяемой полосы частот для группы одиночных РЭС по условиям обеспечения их ЭМС. Радиотехника, №3,1983.

12. Ермаков А.И., Соловьев В.В. Эффективность планирования частот и адаптивного управления частотами в условиях изменяющейся обстановки. Радиотехника, №1, 1987.

13. Жидков М.Г., Клышенко Б.А. Эффективный алгоритм разработки частотных планов при фиксированном ресурсе частот. Труды НИИР, №4, 1988. П.Журавлев Ю.И. и др. Алгоритмы вычисления оценок и их применение. Ташкент: Фан, 1974.- 120 с. 18.3айченко Ю.П., Шумилова А. Исследование операций: сборник задач. Киев: Высшая школа, 1990.- 239 с.

14. Искусственный интеллект. В 3-х кн. Кн.

15. Модели и методы: Справочник Под ред. Д.А. Поспелова М.: Радио и связь, 1990.-304с.

16. Калинин В.Н., Резников Б.А., Варакин Е.И. Теория систем и оптимального управления. 4.

17. Понятия, модели и алгоритмы оптимального выбора. М.: МО СССР, 1986.- 589 с.

18. Колмогоров А.Н., Фомин С В Элементы теории функций и функционального

19. Круглов В.П., Знаменская В.В. Оптимальное распределение частот радиосредств дуплексного и симплексного каналов радиосвязи. ТСС, сер. Техника радиосвязи, №9,1979.

20. Левин Б.Р., Шварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. М Радио и связь, 1985.-312 с.

21. Макаров И.М., Виноградская Т.М. и др. Теория выбора и принятия решений. М.: Наука, Гл.ред.физ.мат.лит., 1982,- 328 с.

22. Меттус Л.С. Методы назначения частот. Издательство ЛЭТИ, вып. 253, 1979.

23. Москалев Э.С., Тигин Л.В. Некоторые алгоритмы присвоения частот радиостанциям с учетом ЭМС. Труды НИИР, №4, 1983.

24. Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем. М.: Советское радио, 1972.227 с.

25. Никифоров A.M., Фазылов Ш.Х. Методы и алгоритмы преобразования типов признаков в задачах анализа данных. Ташкент: Фан, 1988.-185 с. 29.0дрин В.М., Картавов С. Морфологический анализ систем. Киев: Наукова думка,1977.- 147 с.

26. Оптнер Л.И. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М.: Советское радио,1969.- 128 с. ЗЬНодиновский В.В. Математическая теория выработки решений в сложных ситуациях. М.: МО СССР, 1981.- 211с.

27. Соловьев В.В. Методы оптимального присвоения частот. НПФ "Гейзер", М.:2000-133с.

28. Регламент радиосвязи. Международный союз электросвязи. Женева. 2004. -2120 с.

29. Спутниковая связь и вещание: Справочник. 3-е изд., перераб. и доп. В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др.; Нод ред. Л.Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1997.-528 с.

30. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып.1. Hep. с англ. Под ред. А.Н. Сапгира. М.: Сов. радио, 1977. 352 с.

31. Положение "О порядке рассмотрения материалов, проведения экспертизы и принятия решения о выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств" от 9 августа 2004 г. J2 04-01-05-1.

32. Положение "О порядке проведения экспертизы, рассмотрения материалов и принятия решения о присвоении (назначении) радиочастот и радиочастотных каналов для радиоэлектронных средств в пределах выделенных полос радиочастот" от 9 августа 2004 г. 04-01-06-1

33. Постановление Правительства РФ "Об утверждении Положения о Государственной комиссии по радиочастотам" от 2 июля 2004 г. №336.

34. Постановление Правительства РФ "Об утверждении Таблицы распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации" от 15 июля 2006 г. N 439-23.

35. Постановление Правительства РФ Об утверждении Положения о Федеральном агентстве связи" от 30 июня 2004 г. 320.

36. Федеральный закон "О связи" от 01.07.03 г. Хо126-Ф3.

37. Феоктистов Ю.А. и др. Теория и методы оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств Под ред. Ю.А. Феоктистова. -М.: Радио и связь, 1988.- 216 с.

38. Jean-Paul M.G. Linnartz. On the performance of packet-switched cellular networks for wireless data communications. Wireless Networks, No.l, 1995.

39. Muriel Medard. The effect upon channel capacity in wireless communications of perfect and imperfect knowledge of channel. IEEE Trans. On Information Theory, Vol. 46, No. 3, May 2000.

40. Kjell J. Hole and Geir E. Oien. Spectral efficiency of adaptive coded modulation in urban microcellular networks. IEEE Trans. On Vehicular Technology, Vol. 50, No.l, 2001.

41. Proposed amendment to the Section 4 of the draft new Report [IMT.ESTIMATE] on the treatment of some services as circuit switched. Document 8F/809 Geneva, 2006.

42. Defmition of spectrum use and efficiency of a radio system, ITU Recommendation SM. 1046-2 Geneva, 2006. 49. A method for assessing the required spectrum for broadband nomadic wireless access systems including radio local area networks using the 5 GHz band, ITU Recommendation M.I651 Geneva, 2003.

43. Reference earth-station radiation pattern for use in coordination and interference assessment in the frequency range from 2 to about 30 GH, ITU Recommendation S.465-5-Geneva, 1993.

44. Radiation diagrams for use as design objectives for antennas of earth stations operating with geostationary satellites, ITU Recommendation S.580-6 Geneva, 2004.

45. Minimum propagation attenuation due to atmospheric gases for use in frequency sharing studies between the fixed-satellite service and the fixed service, ITU Recommendation SF.1395 Geneva, 1997.

46. Sharing methodology between fixed wireless access systems in the fixed service and very small aperture terminals in the fixed-satellite service in the 3 400-3 700 MHz band, ITU Recommendation SF.1486 Geneva, 2000.

47. Radio-frequency channel arrangements for fixed wireless systems operating in the 2 and 4 GHz bands, ITU Recommendation F.382-8 Geneva, 2006.

48. Radio-frequency channel arrangements for high capacity radio-relay systems operating in the lower 6 GHz band, ITU Recommendation F.383-7 Geneva, 2001.

49. Radio-frequency channel arrangements for medium and high capacity digital fixed wireless systems operating in the upper 6 GHz band, ITU Recommendation F.384-9 Geneva, 2006.

50. Radio-frequency channel arrangements for fixed wireless systems operating in the 7 GHz band, ITU Recommendation F.385-8 Geneva, 2005.

51. Radio-frequency channel arrangements for fixed wireless systems operating in the 8 GHz band, ITU Recommendation F.386-7 Geneva, 2007.

52. Radio-frequency channel arrangements for fixed wireless systems operating in the

53. Radio-frequency arrangements for fixed service systems, ITU Recommendation F.746-8 Geneva, 2006.

54. Radio-frequency channel arrangements for fixed wireless systems operating in the 10 GHz band, ITU Recommendation F.747 Geneva, 1992.

55. Reference radiation patterns of omnidirectional, sectoral and other antennas in point-to-multipoint systems for use in sharing studies in the frequency range from 1 GHz to about 70 GHz, ITU Recommendation F.I336-2 Geneva, 2007.

56. Considerations for the identification of possible frequency bands for fixed wireless access and related sharing studies, ITU Recommendation F.1401 Geneva, 2004.

57. Frequency sharing criteria between a land mobile wireless access system and a fixed wireless access system using the same equipment type as the mobile wireless access system, ITU Recommendation F.1402 Geneva, 1999.

58. Frequency block arrangements for fixed wireless access systems in the range 3 400-3 800 MHz, ITU Recommendation F.I488 Geneva, 2000. 66. A methodology for assessing the level of operational compatibility between fixed wireless access and radiolocation systems when sharing the band 3.4-3.7 GHz, ITU Recommendation F.1489- Geneva, 2000.

59. Generic requirements for fixed wireless access systems, ITU Recommendation F.1490-Geneva, 2000.

60. Radio-frequency channel arrangements for fixed wireless systems operating in the band 51.4-52.6 GHz, ITU Recommendation F.1496-1- Geneva, 2002.

61. Radio-frequency channel arrangements for fixed wireless systems operating in the band 55.78-59 GHz, ITU Recommendation F. 1497-1- Geneva, 2002.

62. Spectrum requirement methodology for fixed wireless access and mobile wireless access networks using the same type of equipment, when coexisting in the same frequency band, ITU Recommendation F.I518 Geneva, 2001.

63. Radio-frequency channel arrangement for digital fixed wireless systems operating in the frequency band 406.1-450 MHz, ITU Recommendation F.I567 Geneva, 2002.

64. Radio-frequency block arrangements for fixed wireless access systems in the range 10.15-10.3/10.5-10.65 GHz, ITU Recommendation F.I568-1 Geneva, 2005.

65. Operational and deployment requirements for fixed wireless access systems in the fixed service in Region 3 to ensure the protection of systems in the Earth exploration-satellite service(active) and the space research service (active) in the band 5 250-5 350 MHz, ITU Recommendation F. 1613 Geneva, 2003.

66. Guidelines for a process to address the deployment of area-licensed fixed wireless systems operating in neighbouring countries, ITU Recommendation F.I671 Geneva, 2003.

67. Calculation of free-space attenuation, ITU Recommendation P.525-2 Geneva, 1994.

68. Attenuation by atmospheric gases, ITU Recommendation P.676-6 Geneva, 2005.

69. Specific attenuation model for rain for use in prediction methods, ITU

70. Dynamic frequency selection (DFS) in wireless access systems including radio local area networks for the puфose of protecting the radiodetermination service in the 5 GHz band, ITU Recommendation M.I652 Geneva, 2003.

71. Operational and deployment requirements for wireless access systems including radio local area networks in the mobile service to facilitate sharing between these systems and systems in the Earth exploration-satellite service (active) and the space research service (active) in the band 5 470-5 570 MHz within the 5 460-5 725 MHz range, ITU Recommendation M.1653 Geneva, 2003.

72. Harmonised radio frequency channel arrangements for low and medium capacity systems in the band 3400 MHz to 3600 MHz, ERC Recommendation 14-03 Copenhagen, 1997. 81. Use of parts of the band 27.5-29.5 GHz for Fixed Wireless Access (FWA), ECC Recommendation (01)03 Copenhagen, 2001.

73. Recommended guidelines for the accommodation and assignment of Multimedia Wireless Systems (MWS) in the frequency band 40.5-43.5 GHz, ECC Recommendation (01)04 Copenhagen, 2001. 83. Use of the band 24.5 26.5 GHz for fixed wireless access, ECC Recommendation (00)05 Copenhagen, 2000.

74. Guidelines for accommodation and assignment of Multipoint Fixed Wireless systems in frequency bands 3.4-3-6 GHz and 3.6-3-8 GHz, ECC Recommendation (04)05 Copenhagen, 2006. 85. Use of the band 5725-5875 MHz for Broadband Fixed Wireless Access (BFWA), ECC Recommendation (06)04 Copenhagen, 2006. 86. The analysis of the coexistence of Point-to-Multipoint FWS cells in the 3.4 3.8 GHz band, ECC Report 33 Copenhagen, 2006.