автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения абонентской емкости цифровых сотовых систем связи диапазона 450 МГц

На правах рукописи

Косинов Михаил Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ АБОНЕНТСКОЙ ЕМКОСТИ ЦИФРОВЫХ СОТОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ ДИАПАЗОНА 450 МГц

Специальность 05 12 13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

003065736

Работа выполнена на кафедре радиотехнических систем Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» (ГОУВПО «МТУСИ»)

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Шорин Олег Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Быховский Марк Аронович

кандидат технических наук, Кудин Анатолий Владимирович

Ведущая организация Федеральное государственное

унитарное предприятие «Государственный проектный специализированный институт радио и телевидения» (ФГУП «ГСПИРТВ»)

Защита состоится «7 » / & 2007 года в 13 часов на заседании диссертационного совета К 219 001 03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в ГОУВПО «Московский технический университет связи и информатики» по адресу 111024, Москва, ул.Авиамоторная, д 8а,ауд А-455.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики

Автореферат разослан

Учёный секретарь диссертационного совета

Косичкина Т.П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы

Повсеместное введение в эксплуатацию сетей сотовой связи можно считать свершившимся явлением на всей заселенной части территории РФ. При этом, естественно, произошло практически полное исчерпание ресурсов выделенного радиочастотного спектра на указанной территории. Самые ранние из сотовых сетей, являющиеся чисто аналоговыми, можно считать довольно «старыми» по меркам шкалы времени, связанной с достижениями в области технологий и методов обработки сигналов. Так сложилось, что на современном этапе наметился процесс всеобщего перехода от аналоговых технологий к цифровым, обеспечивающим разносторонние, качественные преимущества В этом смысле не составляют исключения сотовые сети аналоговых стандартов, для которых переход на цифровую основу обещает заметный выигрыш по показателям качества предоставляемых услуг, расширения их перечня, увеличения числа обслуживаемых абонентов, повышения доступности, энергоемкости, экономичности, совместимости ИТ д.

Оставаясь на реалистической позиции, можно утверждать, что подобных проблем не удастся избежать в будущем, когда новые технологии со всей настоятельностью «потребуют» модернизации тех цифровых сетей сотовой связи, которые сейчас считаются самыми совершенными В результате проблема модернизации сотовых сетей связи выделяется в одно из ключевых и фундаментальных направлений для изучения. В указанной проблеме явно прослеживаются пока нерешенные вопросы, связанные с оптимизацией процесса модернизации в условиях прогнозируемого накопления знаний, развития технологий, предсказания ожидаемого экономического эффекта и приобретения сопутствующих технических, научных наработок.

В такой широкой трактовке решение обозначенной проблемы представляется делом будущего, когда будет накоплен достаточный экспериментальный и теоретический материал В настоящий же момент практическую значимость имеют задачи, связанные с модернизацией сотовых сетей аналоговых стандартов Однако при их решении очень важно не сузить понимание вопросов до уровня чисто практического. Нужно попытаться осмыслить задачи модернизации в теоретическом плане, чтобы обеспечить начальное накопление знаний для решения обозначенной выше общей проблемы

Анализ доступной литературы показал, что, несмотря на необозримое количество публикаций на тему усовершенствования методов обработки сигналов и передачи сообщений по каналам связи, практически отсутствуют работы, посвященные вопросам о том, на сколько указанные методы могут повлиять на интегральные показатели качества работы сети в целом. К упомянутым интегральным показателям, обычно, относят такие

характеристики как емкость сети, предельно допустимая плотность частотно-территориального (ЧТП) покрытия, удельная территориально-частотная плотность информационного потока, суммарный трафик, поддерживаемый в системе, и тд Все эти показатели непосредственно связаны с экономической эффективностью работы сети и, в конечном счете, определяют целесообразность модернизации

В литературе, посвященной данной проблеме, сложился подход, при котором все многообразие связей между методами обработки и эффективностью сети ограничивается рамками зависимости между требуемым уровнем отношения Еь/No (или сигнал/(помеха+шум)) и предельно допустимым числом поддерживаемых каналов в пределах соты/сектора Однако, реально параметр E^/No не является первичным и зависит от множества других характеристик. Например, от размера сот, структуры кодов, методов модуляции, характера и структуры территориального покрытия и многого другого. Кроме того, как выяснилось из работ ОАШорина, ГПБашарина и H В Серебренниковой, существует ряд методов, позволяющих заметно повысить предельно допустимую нагрузку сети от 20% до 40% при неизменном уровне требуемого отношения Еь/No в канале Поэтому особую актуальность приобретают исследования в направлении выявления связи между отдельными технологиями обработки или управления работой в радиоканале и результирующими показателями выигрыша по интегральным характеристикам работы сети

Как можно судить по результатам множества работ, среди которых, не претендуя даже отдаленно на полный перечень, можно указать, преимущества цифровых методов обработки сигналов и достижения соответствующих технологий столь значительны, что вопрос о целесообразности модернизации аналоговых сетей не вызывает никаких сомнений Однако научный подход и теоретический анализ позволит его провести с минимальными затратами, а для этого необходимо восполнить тот пробел в исследованиях, который образовался в вопросах анализа связи эффективности обработки в канале с общими показателями работы сетей

Цифровые методы обработки, в силу универсальности своей физической природы, с успехом применяются для решения чрезвычайно широкого спектра задач, начиная от частотной селекции и вопросов синхронизации, до управления доступом и организацией адаптивной обработки в антенных системах, либо в системах с разнесенной передачей/приемом сигналов Особый интерес с точки зрения мобильных систем среди них занимают вопросы применения пространственной селекции и кодирования с исправлением ошибок.

Пространственная селекция сигналов привлекательна в силу того, что пространственный ресурс радиоканала до сих пор остается не задействованным в полной мере, что сулит качественное повышение основных показателей работы систем мобильной связи и сотовых сетей в том числе, при условии его использования Повышение эффективности

кодирования с исправлением ошибок привлекательно в силу того, что для его исполнения, в большинстве случаев, достаточно выполнить простую замену специального программного обеспечения (ПО) обработки сигналов Поэтому последний вопрос, при условии внедрения цифровых методов обработки, отличается очень высокой технологичностью и экономичностью Однако, как можно судить из известных работ, применение техники решетчатых кодов с многоступенчатыми итеративными процедурами исправления ошибок обеспечивают результат по эффективности обмена в канале практически совпадающий с теоретическим пределом (граница Шенона). Это обстоятельство предопределяет ограничение перспективы роста эффективности кодирования современным этапом развития систем связи, связанным с непосредственным переходом на цифровую основу. Тем не менее, в плане влияния качества кодов исправляющих ошибки на интегральные показатели работы сотовой сети, указанная тематика еще далека от своего разрешения и не получила должного внимания в литературе Таким образом, анализ публикаций в исследуемой области показал отсутствие теоретических результатов по оценке эффективности применения указанных выше методов обработки и управления ресурсами канала на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети в тех или иных условиях Это не позволяет точно судить о целесообразности их внедрения, оставляет без ответа вопрос о том, как именно нужно осуществлять соответствующую модернизацию, и в каких ситуациях системы наиболее чувствительны к введению методов пространственной обработки, кодирования с исправлением ошибок и к усовершенствованиям в организации доступа Последнее обстоятельство существенно усложняет практическую реализацию модернизации сотовых сетей связи аналоговых стандартов. В результате, настоятельная потребность перевода сотовых сетей аналоговых стандартов на цифровую основу, сочетающаяся с успехами в области соответствующих технологий, с одной стороны, и отсутствие необходимых для этого теоретических проработок, с другой стороны, настоятельно требуют разработки аналитических методов анализа и получения на его основе конкретных результатов по оценке влияния на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети таких технологий как кодирование с исправлением ошибок, пространственная селекция сигналов, слежение за пространственными перемещениями отдельных абонентов, управление доступом с учетом пространственного перекрытия зон обслуживания отдельных сот, позволяющих в полной мере учитывать нюансы в режиме модернизации

Цель и задачи работы

Целью работы является выбор цифрового стандарта сотовой системы связи диапазона 450 МГц и оценка его потенциальных возможностей по абонентской емкости в результате применения помехоустойчивого

кодирования, разработанных методов пространственной селекции абонентов и управления режимом «мягкого» хендовера (НО) в зонах перекрытия

Для достижения поставленной цепи необходимо решить следующие задачи.

1. Выполнить расчет повышения емкости сотовой сети CDMA при использовании в каналах различных схем кодирования с исправлением ошибок

2 Выполнить расчет помехозащищенности сотовой сети CDMA, работающей в совмещенном режиме и использующей кодирование с исправлением ошибок в сочетании с методами режекторной фильтрации

3 Разработать методику сопоставления эффективности сотовых сетей аналоговых (NMT-450) и цифровых (CDMA, GSM) стандартов по критерию, связанному с характеристикой [^]=[Эрл/МГц/км2]

4 Разработать алгоритмы сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН антенн БС Выполнить оценку точности такого сопровождения в рамках целевой задачи повышения эффективности работы линий связи путем заблаговременного предсказания попадания абонентов в зоны радиозатенений и выполнения упреждающих операций хэндовера

5. Провести экспериментальные испытания фрагмента сотовой радиосети, используюшей адаптивные антенные решетки на БС Сопоставить данные эксперимента с теоретическими для проверки полученных технических рекомендаций по модернизации сотовой сети стандарта NMT-450 в цифровой формат D-NMT.

6. Выполнить анализ возможного повышения эффективности режима доступа на территориях с многократным радиоперекрытием в сотовых сетях с «мягким» хэндовером.

7. Сформулировать рекомендации по возможным направлениям дальнейшего развития полученных результатов в целях повышения эффективности решения задач модернизации сотовых сетей и систем связи.

Методы исследования

В диссертационной работе при решении поставленных задач используются теория передачи сигналов по каналам связи, методы математической статистики, теории вероятности, случайных процессов, теории массового обслуживания, многомерного анализа, а также методы вычислительной математики и программирования

Научная новизна и основные научные результаты

1. Разработана методика оценки емкости сотовой сети стандарта CDMA, которая позволяет определить возможности по ее б

повышению в результате использования в радиоканале различных схем блоковых или сверточных кодов с исправлением ошибок, учитывающая многолучевое распространение и ситуации с отсутствием «прямой видимости» между базовой станцией и абонентскими терминалами

2. Разработана методика оценки помехоустойчивости в режиме совмещенной работы сотовых сетей стандарта CDMA с узкополосными радиосистемами, которая позволяет определить область эффективного использовании режекторной фильтрации узкополосных помех с помощью трансверсальных БИХ и/или КИХ фильтров.

3 Разработана методика сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН адаптивных антенн, располагаемых на БС, путем анализа характеристик, связанных с амплитудно-фазовым распределением поля в области приема. Впервые получены оценки точности такого сопровождения, доказывающие возможность заблаговременного предупреждения попадания абонентов в зоны с радиозатенением

4. Разработан новый алгоритм радиопеленга абонентов, работающий на основе многомерной статистики 4-го порядка, обеспечивающий существенно более высокие показатели точности разрешения, по сравнению с общеизвестными методами. Установлено, что при его использовании режим разрешения сохраняет необходимые рабочие характеристики вплоть до снижения уровня Eg/No в канале до 2 дБ

5. Разработана новая методика управления доступом для сотовых сетей с «мягким» хэндовером, использующая скрытые резервы территориальных зон с многократным радиоперекрытием, Показано, что дня сетей с «мягким» хэндовером оптимизация доступа обеспечивает почти такой же выигрыш по емкости, что и для сотовых сетей с «жестким» хэндовером

Практическая ценность работы

Теоретические исследования, проведенные в диссертационной работе, позволили решить ряд практических задач, стоящих перед операторами и разработчиками цифровых сотовых систем связи диапазона 450 МГц и обосновать выбор наиболее перспективного стандарта в России для перехода к нему от стандарта NMT 450

1. Разработана методика сравнения эффективности сотовых сетей различных стандартов на основе критерия, связанного с характеристикой [^]=[Эрл/МГц/км2], на основе которой показано, что переход от стандарта NMT-450 к стандарту D-NMT (CDMA) повысит эффективность работы в 1,55 раз. При переходе на AMR кодеки общий выигрыш составит 3-4 раза. 2 Предложена новая методика организации процесса модернизации для сотовой сети стандарта NMT-450, предусматривающая работу в

промежуточном режиме, когда одновременно функционируют сегменты в аналоговом и цифровом форматах.

3 Разработаны методики для проведения натурных испытаний и анализа полученных результатов для фрагмента сотовой сети, полученных в ходе драйв- тестов с использованием техники адаптивных антенных решеток

4 Разработаны документы ассоциации NMT при внедрении стандарта IMT-МС-450, ассоциации 3G при подготовке предложений по развитию систем третьего поколения в РФ, официальных вкладов России в ITU и СЕРТ

5 Сформулированы рекомендации по различным методам помехоустойчивого кодирования, интеллектуальным антеннам и управлением «мягким» хендовером при внедрении CDMA-450 в ОАО «Московская Сотовая Связь»

6. Результаты работы по оценке абонентской емкости цифровых сотовых стандартов используются в лекциях по курсу «Проектирование цифровых сотовых систем связи» для студентов, обучающихся по специальности «Радиотехника»

Результаты диссертации могут быть также использованы при разработке систем связи с пространственно-временной обработкой сигналов и при формировании методик модернизации сетей связи

Внедрение результатов работы

В ходе работы над диссертацией при непосредственном участии диссертанта был создан ряд высокоэффективных алгоритмов обработки измерений, базирующихся на использовании теоретических и прикладных результатов исследований работы сетей связи с применением адаптивных антенн Эти разработки были внедрены на предприятиях ЗАО Скайлинк, ОАО Московская Сотовая Связь, ЗАО ДельтаТелеком, Инфокоммуникационный Союз, в учебный процесс МТУ СИ, что подтверждается соответствующими актами.

Личный вклад

Теоретические и практические исследования, проведенные расчеты с использованием ЭВМ, а также рекомендации, методики и выводы получены автором лично

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях по проблемам развития систем сотовой связи и обработке сигналов 7-й Бизнес-Форум Мобильные системы-2002, а также на научно-технических конференциях МТУСИ 2003, 2007 гг

Публикации результатов

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 7 статей в научных изданиях (в том числе в журналах «Электросвязь», «Мобильные системы», «Мобильные телекоммуникации»).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 74 рисунка, 8 таблиц, список литературы включает 88 наименований. Кроме того, содержит одно приложение с расчетами коэффициента эксцесса оцифрованного процесса на 5 страницах

Основные положения, выносимые на защиту

1 Применение различных методов помехоустойчивого кодирования в CDMA позволяет повысить абонентскую емкость системы от 26 до 40%.

2 Применение стандарта CDMA-450 позволяет осуществить плавный переход от NMT-450 в совмещенном режиме работы, так как обладает повышенной эффективностью по абонентской емкости и позволяет режектировать помехи

3. Разработанный метод пространственной селекции абонентов обладает повышенной точностью определения пеленга в условиях низких отношений сигнал/шум, характерных для стандарта CDMA

4 Разработанный метод поддержки режима «мягкого» хендовера в зонах перекрытия, позволяет повысить абонентскую емкость сети CDMA-450 на 35-40% при стандартном уровне отказов (GoS) 2%

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель и задачи работы, кратко излагается содержание диссертации, обосновывается ее научная и практическая ценность, а также приводится перечень положений, выносимых на защиту

В первой главе рассматривается задача влияния кодирования с исправлением ошибок на эффективность работы сети CDMA в смысле обеспечения максимума нагрузочной способности при условии 01раничения на уровень ошибок на бит

Рассматривались системы с двумя типами кодирования блоковым (коды БЧХ) и сверточным В отличие от стандартного подхода в анализируемой модели учитывался вероятностный характер поведения числа активных

абонентов в зоне обслуживания выделенной соты

При проведении анализа в качестве модели использовалась относительная ФМ-2 модуляция (ОВРвК) сигналов, для которой, как известно из литературы, вероятностные характеристики ошибок асимптотически (при сигнал/шум-» оо) стремятся к показателям оптимальной когерентной обработки. Одновременно с этим для реализации относительной, или дифференциальной модуляции/демодуляции, не требуется сложных схем синхронизации, что объясняет ее широкое распространение на практике.

Вероятность ошибочной демодуляции символа в указанном случае определяется соотношением

сигнал/(помеха+шум) в отдельном абонентском канале, т - число активных абонентов, Е3 - энергия на символ модуляции в точке приема, А^е -эффективная спектральная плотность мощности для смеси шума и помех, - выигрыш при корреляционной обработке, - полоса широкополосного сигнала, Дг - скорость обмена информацией в канале (бит/с), Рг — мощность полезного сигнала в точке приема, N0 — односторонняя спектральная плотность мощности шума

Демодулированные символы с ошибками, вероятность которых определяет выражение (1), поступают на вход блоков декодирования, исправляющих ошибки В результате эффективность применения кодирования с исправлением ошибок можно выразить через параметр увеличения числа активных абонентов при условии сохранения вероятности ошибок передачи информации на бит в канале.

где тг - число активных абонентов, при котором обеспечивается заданный уровень вероятности ошибок на бит в канале при условии использования кодирования, т{ - число активных абонентов, при котором обеспечивается заданный уровень вероятности ошибок на бит в канале без использования кодов, исправляющих ошибки

С учетом (1) в диссертации был выполнен сопоставительный расчет параметра (2), для разных схем и структур кодов, исправляющих ошибки. В таблицах 1 и 2 даны результаты, полученные относительно а (%) для БЧХ и сверточных кодов, соответственно, при различных требованиях на вероятность ошибок на бит Рь.

где кг{т)=

Es = Ws/Rs N0e (m-l) + N0Ws/Ps

(2)

Таблица 1-Значения коэффициента «увеличения ёмкости

для БЧХ (п,к) кодов

Pb \ (7,4) (15.7) (31,16) (63,30) (127,64) (255,123) (511,259)

ю-3 2,2 4,5 20 34 45,8 51,5 51,5

Ю-4 9,3 16 38,3 64,4 86 102 108

ю» 11,6 23,1 52,4 87,9 123 151 161

Таблица 2-Значения коэффициента а увеличения ёмкости

для сверточных кодов

1/3 1/2 2/3 3/4

>4 ГЬк 7 8 5 6 7 6 8 6 9

ю-3 163 175 113 123 145 94 104 81 81

271 289 169 188 223 163 188 129 163

10"' 316 346 238 289 289 195 195 145 201

Для сверточного кодирования, как можно видеть, существует зависимость параметра а не только от информационной скорости Rk, но и от глубины кода Кг Представленные в таблицах данные подтверждают значительное повышение емкости сети CDMA в результате кодирования с исправлением ошибок. Особенно заметным выигрыш оказывается для сверточных кодов

Далее показано, что в случае случайного поведения параметра т, задающего число активных абонентов, выигрыш от применения кодирования уменьшается по причине того, что предельные нагрузки возникают только в отдельные моменты, а в основное время сеть находится в недогруженном состоянии. В результате увеличение нагрузки при использовании кодирования с исправлением ошибок достигает 26% для БЧХ кодов и 40% для сверточных кодов

В конце главы рассматривается работа сотовой сети стандарта CDMA в совмещенном режиме с узкополосной системой связи При этом анализировались варианты работы с применением в сети техники режекторных фильтров и без На рисунке 1 показаны полученные аналитические зависимости вероятности ошибок на бит для сотовой сети стандарта CDMA, работающей в совмещенном режиме от числа активных абонентов в соте

И

Рисунок 1- Вероятность ошибки на бит а сотовой сети стандарта CDMA, работающей в совмещенном режиме, от числа активных абонентов, приходящихся на одну соту

Штриховыми пиниями показаны зависимости без использования режекторных фильтров, а сплошными - для случаев с режекторными фильтрами. Семейства зависимостей получены для различных значений отношения мощностей сигналов узкополосной (мешающей) системы и сотовой сети - P/S. Как можно видеть, при отношениях P/S меньших 10 дБ использование режекторных фильтров не дает никаких преимуществ и может Даже немного ухудшить показатели работы сотовой сети.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с возможностью организации в сотовых сетях стандарта CDMA слежения за перемещениями абонентов для своевременного предсказания попадания их в области радиозатенений и организации процедуры Хэндовера в упреждающем режиме.

Анализ технологических характеристик, проведенный в начале главы, показывает, что предлагаемая организация НО с упреждением обеспечивает возможность снижения энергетики радиолиний на 15 - 20 дБ, но причине снижения энергетического запаса, необходимого в традиционном режиме со «слепой» организацией процедуры tiO.

В качестве основы для организации предсказания перемещения абонентов

в зоны с пониженным проникновением радиоволн выступает процедура определения местоположения, которая, в свою очередь, может быть «разделена» на задачу оценки расстояния до абонента и задачу пеленга.

В результате аналитических расчетов показано, что в сотовой сети стандарта CDMA при отношениях сигнал/(помеха+шум) не менее 6 дБ на основе метода максимального правдоподобия может быть обеспечена оценка расстояния до абонента со среднеквадратической погрешностью SR я 11 м, что вполне приемлемо для рассматриваемой задачи организации упреждающего НО

Значительно более сложной оказываются задачи радиопеленга и углового различения «близких» абонентов, которые должны решаться с точностью до О 5° - 1° для организации упреждающего НО. Одновременно с этим размеры антенны на ЕС не должны быть особенно большими, а алгоритм должен быть относительно прост для возможности реализации в реальном времени для большого числа абонентов (~ 30 - 60)

С учетом указанных практических требований в работе было принято решение ограничиться рассмотрением алгоритмов пеленга/углового разрешения источников, построенных на основе цифрового «сканирования», отказаться от использования сложных алгоритмов расчетного типа и только на этапе анализа провести сопоставление качества работы предлагаемых алгоритмов и известных алгоритмов (в том числе и расчетного типа)

Для организации пеленга/различения источников в работе предлагается использовать два алгоритма сканирующего типа. Первый построен на основе модификации известного алгоритма инверсии мощности с ограничением, а второй - на основе оригинальной техники построения многомерной статистики 4-го порядка

Алгоритм инверсии мощности с ограничением, применяемый в адаптивных антенных системах, предполагает удержание фиксированного усиления в известном направлении прихода полезного сигнала и максимального подавления всех сигналов, поступающих с других направлений Для решения задачи пеленга предлагается модификация, связанная с организацией цифрового «сканирования» направлением фиксированного усиления и анализом, наблюдаемого при этом уровня сигнала на выходе антенной системы. При совпадении направления сканирования с направлением на некоторый источник всегда возникает увеличение мощности сигнала на выходе Естественно, возникает вопрос, на сколько близкие по направлениям источники могут быть различены такой системой и насколько точно может быть определено направление на отдельный источник

Проведенный анализ показал, что более критичным является вопрос различения близких источников, для которого было получено аналитическое соотношение, задающее граничный уровень отношения сигнал/шум, при котором еще можно различить близкие источники

1 45 180 i 1 85

4М4^%4Л4Й (3>

u м)

где А = .,/,, л - нормированное относительно ширины главного лепестка

28 Л/(Мс1)

ДН угловое разнесение источников, 25 - угловое разнесение источников (в радианах), Я - длина волны несущей, М - число элементов в антенной решетке, d - разнесение соседних элементов в антенной решетке

Численные расчеты по формуле (3) показали, что для обеспечения требуемой точности различения абонентов на угловых расстояниях до 1° в сотовой сети стандарта CDMA необходимо обеспечить на прием уровень сигнал/шум не ниже 35 - 38 дБ, что, заметно выше энергетических запасов, необходимых для «слепой» организации процедуры НО.

Анализ разрешающей способности алгоритма, построенного на основе специально подобранной многомерной статистики четвертого порядка, показал, что случайные составляющие, приводящие к ошибкам различения, существенно снижаются При этом влияние тепловых шумов с ростом времени формирования матричной статистики практически исчезает, и начинают доминировать шумы квантования, уровень которых значительно ниже

Граничное отношение сигнал/шум, для различения близких по направлениям источников в случае применения предложенного алгоритма 4-го порядка оказалось следующим

9гр4 !

И V 1 У180 П 1 И 024

где Д - нормированное угловое разнесение источников (см. (3)), ^/^[¿»¿(г)! ^ -3 »-2 - эксцесс распределения (представляющего

«размытую» дельта-функцию) огибающей радиосигнала, приходящего от одного из различаемых абонентов 1,2),

---5®---з (5)

+216р2(\-ф(бр))+3(2ф(бр)-1)--~/, е-""'}

эксцесс оцифрованных шумов, р = ¿/е/2<т0 , - шаг квантования в схеме АЦП, сг0 - СКО собственных шумов на входе схемы АЦП,

х

ф(х)=(2л)1/2 ^(¡и . интегральная функция нормального эталонного

-«о

распределения, или функция Крампа На рисунке 2 показана зависимость

коэффициента эксцесса (5) от отношения уровней собственных шумов и шумов квантования

1)

35 -01

-02 у/

-оз /

-04

-0J /

/ Область

-06 / значений г,

-07 / наиболее

-08 / используе-

/ мая на

-09 -1 практике

-I J

ДдБ)

Рисунок 2- Зависимость коэффициента эксцесса смеси собственных шумов с

_ 2,2

шумами квантования от отношения z — С0 ,< <?кеат

Как можно видеть, для используемых на практике схем АЦП коэффициент эксцесса оказывается в пределах диапазона от 0 05 до 0.15 При этом расчет по (4) показал, что в сотовой сети стандарта CDMA требуемая точность различения абонентов в пределах угловых разнесений до 1° обеспечивается при отношениях сигнал/шум, начиная с 2 дБ. Указанная величина даже несколько меньше пороговой чувствительности, требуемой для корректной демодуляции. Положительный эффект достигается за счет удаления из статистики мешающих регулярных компонент, порождаемых шумами, которые, при применении статистик второго порядка, препятствуют увеличению эффективности различения с ростом времени накопления.

В конце главы приводится сопоставительный анализ разрешающей способности предложенных алгоритмов пеленга и известных методов Показано, что алгоритм на базе статистики четвертого порядка качественно превосходит все известные сканирующие методы, наилучший из которых

12-V5 0.87

обладает пороговым отношением сигнал шум Ч иг ~ ^ Д)3 ^ А3 'где

также как и в (3), (4), обозначает нормированное относительно ширины главного лепестка ДН угловое разнесение источников

В третьей главе изложен материал, относящийся к организации и результатам экспериментального исследования работы сегмента сотовой сети NMT-450, состоящего из 4-х базовых станций (ВС), в котором на ВС были

введены адаптивные антенные системы типа FALKEN RBS. Указанный эксперимент проводился на территории г Москвы (в зоне расположения станций метро Курская - Электрозаводская - Красносельская) в периоды с 21 01 99 по 3001 99 и с 01 03 99 по 07 04 99

В начале главы рассмотрен режим слежения на БС за угловыми перемещениями отдельного абонента Организация испытаний была выполнена на основе драйв-теста, при котором активный мобильный абонент перемещался на автомобиле от ст метро «Курская» по садовому кольцу, далее по улицам «Старая Басманная», «Александра Лукьянова», «1-ый Басманный переулок», «Нижняя Красносельская», «Краснопрудная» и «Русаковская». Движение происходило со средней скоростью порядка 30 -40 км/ч в челночном режиме. Слежение за угловым перемещением осуществлялось с БС, расположенной около станции метро «Электрозаводская» На БС слежения использовались алгоритмы пеленга MUSIC (известный), а также оригинальный алгоритм на основе статистики 4-го порядка, предложенный во второй главе. Алгоритм сопровождения абонентов лучами DOA (Direction of Arrivai), осуществлял работу на основе данных, получаемых от алгоритмов пеленга.

На рисунке 3 показана одна из экспериментальных характеристик пеленга, полученная в ходе драйв-теста.

35 i i i

30 i i i

25 i i i

i i t

120 < 'л* ----г~д» ¡Oi-- i

i 15 1 г 1 h n ¡P i ^ i i

1 ю § itfi fíí i i -p----1---- llTB 1 1 l H t J

15 T i i i t 1 I 14»

Io -5 -10 i t i t t i i i i i , i i ¡III1 Г'1'ri i 1 i , ■,

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Отсчеты во времени

Рисунок 3- Результаты натурных испытаний алгоритма сопровождения абонента по направлению в условиях города

В ходе эксперимента замеры производились каждые 80 мс, поэтому каждые 100 отсчетов, отложенные по оси X на рисунке 3, соответствуют 8-ми секундному интервалу наблюдений В районе 7200 отсчета наблюдается

1«

аномальный замер, вызванный появлением отраженного луча, предположительно от поверхности реки Яуза в окрестности Семеновской набережной, пересекаемой железной дорогой казанского направления. Ошибка аномального замера составила порядка 34" -35", что вполне позволяет его обнаружить.

В среднем наблюдалось достаточно точное сопровождение угловых перемещений абонентской станции с ошибками не более Io.

Далее приводятся результаты испытаний, полученные в ходе испытаний сегмента сотовой сети, полученные относительно основных технологических [¡арамстрои, повсеместно принятых для анализа качества работы радиолинии сотокых сетей: вероятности ошибки на бит (BER), уровня радиосигнала (RxLev) и качества связи (RQual). Эксперимент проводился для случаев использования на ЕС простых секторных антенн, адаптивных антенн FALKEN RBS, работающих по алгоритму подавления направленных помех {НЛЩ и антенн FALKEN RBS, работающих по коммутационному алгоритму максимизации уровня полезного сигнала (МГГУ).

На рисунке 4 показан характерный пример, полученный в ходе драйв-теста, для вероятности ошибок на бит на линии «вверх». Зависимости получены для случаен использования адаптивных антенн FALKEN, работающих по алгоритму Fflin, и простых секторных антенн RS4000.

fe

8.

-5 0 5

ЁИГнаЛ/ДТомсХЯ+Шуы) на входе.

РисуЕЮК 4- Экспериментальные зависимости вероятности ошибки на бит, наблюдаемые на линии NMT «вверх», от уровня сатал/(помеха+шум) на входе. Случаи применения AAP FALKEN RBS и простой секторной антенны RS400Ü на БС «Электрозаводская»

Как можно видеть, применение адаптивной пространственной селекции сигналов обеспечивает выигрыш, исчисляемый в эффективном увеличении отношения сигнаЛ/(помеха+ шум) порядка 15-20 дБ. Организация такого экс г: ери мента потребовала создания специальной программы обработки измерений, выполняющей замеры отношения сигнал/шум и вероятности ошибок на бит без грубой дискретизации, пользующейся в стандартном программном обеспечении.

Для каналов «вниз» эксперимент показал несколько более скромные результаты, дающие выигрыш порядка 10 — 14 дБ, что можно объяснить тем, что оценка направления прихода радиосигнала осуществляется БС в одной полосе, а трансляция - в другой. Из-за различных условий распространения происходит потеря эффективности. Однако, кап показал эксперимент, даже такого выигрыша достаточно, чтобы работать с заданным стандартом качеством при сверхплотном кластерном покрытии со структурой 1/3 или 3/9.

Экспериментальные данные также показали, что адаптивный алгоритм НПП дает выигрыш на 0.5 - 1.5 дБ больше, чем коммутационный алгоритм МПУ.

В конце главы приводятся результаты экспериментальных испытаний процедуры хэндовера. На рисунке 5 показаны гистограммы вероятности срыва процедуры НО, полученные при различных уровнях сигнала на соте, принимающей переходящего абонента.

РНО К*!

-33 -90 -SS -8Ü -75 -70 '45 -60 -55 -Jo Уровень сигнала, измеренный ни БС, принимающей НО БС (RxLev dBmJ

Рисунок 5- Экспериментальные данные по потерям соединений в процессе операции Handover в зависимости от уровня RxLev полезного сигнала на принимающей соте «Электрозаводская». Случаи применения AAP FALKEN RBS и простой секторной антенны RS4000 на БС « Эле ктрозав одск ая »

IS

Результаты эксперимента показали и в этом случае выигрыш порядка 16 -20 дБ при использовании техники адаптивных антенн. Представляется важным отметить, что испытания проводились для традиционного режима «слепой» организации процедуры НО и положительный эффект обусловлен исключительно за счет подавления помех в антенной системе

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с оптимизацией процедуры управления доступом для сотовой сети, использующей процедуру «мягкого» хэндовера В частности, такой режим используется в сетях стандарта СОМА

Предлагается оптимизировать процедуру организации доступа путем модернизации приоритетности выбора БС для подключения, присвоив высший уровень БС с минимальной текущей нагрузкой Точная информация о такой нагрузке должна передаваться в широковещательных пакетах управления. Модернизация такого вида не требует почти никаких аппаратных затрат, а положительный эффект, как удалось установить, оказывается достаточно заметным Объясняется это тем, что локальные всплески нагрузки в потоке входящих запросов доступа усредняются по территории обслуживания нескольких БС, в результате чего предельный уровень нагрузки в сети увеличивается

В начале главы на примере фрагмента идеальной сети изучается степень перекрытия зон радиодоступности для соседних сот, в зависимости от плотности расположения БС. Для этого была написана специальная программа, позволяющая рассчитывать геометрию и размеры зон перекрытия различной кратности для различных значений плотности расположения БС. На рисунке 6 показан результат работы указанной программы в условиях, когда радиус радиодоступности превышал радиус зоны приоритетного обслуживания соты Л^цВ 2 3 раза

Как можно видеть, в пределах соты появляются зоны с кратностью перекрытий от 4 до 7. То есть, при организации подключения к сети, у каждого абонента, теоретически, имеется возможность выбора среди 4, 5, б или даже 7 различных БС.

В сотовых сетях с кодовым разделением каналов традиционно используется режим разнесенного приема с работой через несколько БС, что позволяет заметно ослабить воздействие замираний и всплесков внутрисистемных помеховых составляющих, порождаемых другими активными абонентами В таких условиях для организации соединений требуется выбор нескольких БС.

В работе предложен подход для анализа эффективности организации доступа с помощью предлагаемой модифицированной процедуры С его помощью были получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитывать предельную нагрузку в сети при условии не превышения порогового уровня отказов доступа по причине перегрузок (ОоБ). При этом предполагалось, что каждое абонентское соединение поддерживается в штатном режиме не более чем через 2 БС Правда нужно отметить, что

19

предложенная методика анализа без труда может быть обобщена на случаи с другими предельными значениями числа БС, через которые поддерживается отдельное абонентское соединение.

«вк

й К" :.-:.-

Рисунок 6- Структура распределения кратности радиочастотного покрытия в идеальном фрагменте сотовой сети при отношении радиуса покрытия к радиусу соты К^лК^и = 2.3

Формула для вероятности отказа доступа при этом оказалась такой:

у

У

¿-< н

ы И-

(6)

где N - предельное число соединений, поддерживаемое одной БС (или в секторе БС), К - предельная кратность перекрытия зон радиодоступа, наблюдаемая в сотах, Уц - средняя длительность одного абонентского соединения, Л1 - интенсивность потока запросов подключений к сети, возникающая на территории выделенной соты в пределах перекрытия кратности к= 1,2, ..„ К,Хщ- корень уравнения

области

(7)

Для решения уравнения (7) в работе предлагается попользовать численные методы. При расчетах использовалась модель с прямо пропорциональной зависимостью интенсивности потока запросов доступа от

20

числа абонентов, находящихся в заданной области

В конце главы приведен материал экспериментальной проверки соотношения (6) Для чего была написана имитационная программа моделирования работы фрагмента сотовой сети связи с кодовым разделением каналов, поддерживающая режим «мягкого» хэндовера через 2 БС. Программа с помощью устанавливаемого параметра R^/Rceii позволяла выбирать плотность расположения БС во фрагменте, задавать с помощью параметра N предельную канальную емкость БС (или сектора БС), среднюю длительность абонентского соединения, а также устанавливать эффективный интервал времени наблюдения. Результаты, полученные в ходе эксперимента и рассчитанные по (6) выводились графически в виде зависимости вероятности перегрузки от входящей (заказываемой) нагрузки, приходящейся на 1 БС (сектор БС). Одновременно с этим, для тех же самых условий, моделировалась работа фрагмента сотовой сети с обычной процедурой организации доступа, в которой наивысший приоритет при выборе имеют БС, обладающие наибольшим уровнем сигнала на приеме у абонента.

Сопоставление результатов позволило выявить границы применимости аналитического соотношения (6), а также оценить положительный эффект от использования предложенной модифицированной процедуры организации доступа

На рисунке 7 показаны результаты моделирования работы фрагмента сотовой сети стандарта CDMA при плотности расположения БС, заданной

POM Rcov/Rcell=2.3.

Рисунок 7- Зависимости вероятности отказов обслуживания Сов от уровня средней нагрузки, приходящейся на соту, для системы с «мягким» хэндовером по двум лучам, в условиях покрытия с К10„/К«!11=2 3

На рисунке жирной штриховой линией показаны результаты, полученные экспериментально для модифицированного алгоритма доступа, жирной точечной линией - для традиционного алгоритма доступа, сплошной -рассчитанные по формуле (6). Как можно видеть, теоретические расчеты довольно хорошо согласуются с результатами моделирования вплоть до уровней вероятности перегрузок 0 05 - 0.07, что подтверждает их пригодность для использования в случаях, представляющих практический интерес Одновременно можно видеть положительный эффект от использования предлагаемого алгоритма доступа на уровне увеличения предельной нагрузки сети на 35% - 40% Последний результат качественно совпадает с последними данными, которые можно найти в литературе для оптимизированного доступа в сотовых сетях без «мягкого» хэндовера

В заключении кратко приведены итоги работы, перечислены основные наиболее значимые результаты, а также намечены перспективы дальнейшего развития вопросов, рассмотренных в диссертации

Список публикаций по теме диссертации

1 Шорин О.А, Косинов МИ Повышение ёмкости сотовой системы связи при использовании зон перекрытия // Электросвязь -2003 -№3 -С 18-20.

2. Журавлев В И., Косинов М И. Оценка характеристик системы CDMA, работающей в совмещенном диапазоне // Телекоммуникации -2003 -№3. -С.31-36.

3. Косинов МЛ., Гуляев A.B. CDMA-450 перспективы развития в Европе и мире. Н Мобильные системы -2004. -Ж7. -С 12-17.

4 Косинов МЛ Перспективы применения техники интеллектуальных антенн в сотовых сетях связи // Мобильные системы. -2004 -№10. -С.4-7.

5. Косинов МЛ Перспективы применения техники интеллектуальных антенн в сотовых сетях связи // Мобильные системы -2004. -№11 -С 18-23.

6. Косинов МИ. Оценка увеличения емкости системы CDMA при использовании кодов с прямым исправлением ошибок // Электросвязь -2002 -№8 -С 27-28.

7. Шорин О.А, Косинов М И Повышение емкости сотовых систем связи, поддерживающих режим «мягкого» хэндовера Н Мобильные телекоммуникации. -2007. -№3 -С 50-55.

8 Косинов М И. Сравнительные характеристики технологии IMT-MC и GSM для диапазона 450 МГц И 7-й Бизнес-Форум Мобильные системы-2002- Труды Международная конф Развитие мобильной связи в России, -Москва, -25 03.2002

9. Kosinov Michael, Rosiko, Yuri Gromakov, MTS, Alexander Goncharuk, AFK Sistema Market Launch Strategies // GSM 1800 Global Summit, Rome, July 1998

10 Kosinov Michael, Outlook for NMT network developments in Russia И 3rd NMT Congress, -Prague, 11-12 April 2000.

11. КосиновМИ Международные аспекты развития технологии IMT-MC-450 // 5-я международная конференция "Мобильная связь в России Тенденции и перспективы развития" -Москва, -2004.

12 Косинов МИ, Шорин O.A. Оценка характеристик системы CDMA, работающей в совмещенном диапазоне частот //11-я Межрегиональная конференция Московского НТОРЭС им.А.С Попова «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания»' Материалы конференции. Пушкинские Горы-Москва. - 2002. -С.53

13. Журавлев В.И, Косинов МИ, Шорин OA Оценка характеристик системы CDMA, работающей в перекрывающихся частотных диапазонах // Научная конференция профессора«) - преподавательского, научного и инженерно-технического состава- Материалы конференции Книга 1 -Москва. МТУСИ, -2003. -С 129-130.

14 Косинов М И, Шорин O.A. Повышение емкости сотовых систем связи, поддерживающих режим «мягкого» хэндовера // Московская отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества: Тезисы докладов московской отраслевой научно-технической конференции. -Москва -2007 -С 73.

Подписано в печать 27 08 07 Формат 60x84/16 Объем 1,5 уел п л

_Тираж 100 экз Заказ 139_

ООО «Инсвязьиздат» Москва, ул Авиамоторная, 8

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ эффективности систем CDMA с учётом свойств сложных сигналов.

1.1. Анализ эффективности применения кодов для увеличения пропускной способности системы CDMA.

1.2 Оценка характеристик системы CDMA, работающей в совмещенном диапазоне.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Глава 2. Применение техники пространственной селекции сигналов в задачах, связанных с частотно-территориальным планированием в сотовых сетях.

2.1. Сравнительные характеристики эффективности использования ресурса радиоканала для различных сотовых сетей связи.

2.2. Схемы частотно-территориального покрытия, загрузка и ресурсы сотовых сетей цифровых и аналоговых стандартов.

2.3. Частотно-территориальное планирование сотовых сетей связи в условиях использования пространственной селекции сигналов.

2.4. Метод пространственной селекции сигналов сотовой связи на основе модифицированного алгоритма инверсии мощности.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Глава 3. Экспериментальный анализ эффективности разработанных алгоритмов частотно-территориального планирования с пространственной селекцией сигналов.

3.1. Оценка повышения помехоустойчивости сотовых сетей при введении пространственной селекции сигналов на базовых станциях.

3.2. Экспериментальные испытания работы фрагмента сотовой сети стандарта NMT 450 с использованием адаптивных антенн FALKEN RBS.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Глава 4. Оптимизация управления доступом в сетях, поддерживающих режим «мягкого» хэндовера.

4.1. Особенности частотно-территориального планирования в сетях с применением разнесенного приема, или режима «мягкого» хэндовера.

4.2. Уравнение баланса фаз Эрланга для соты с «мягким» хэндовером

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Повсеместное введение в эксплуатацию сетей сотовой связи можно считать свершившимся явлением на всей заселенной части территории РФ. При этом, естественно, произошло практически полное исчерпание ресурсов выделенного радиочастотного спектра на указанной территории. Самые ранние из сотовых сетей, являющиеся чисто аналоговыми, можно считать довольно «старыми» по меркам шкалы времени, связанной с достижениями в области технологий и методов обработки сигналов. Так сложилось, что на современном этапе наметился процесс всеобщего перехода от аналоговых технологий к цифровым, обеспечивающим разносторонние, качественные преимущества. В этом смысле не составляют исключения сотовые сети аналоговых стандартов, для которых переход на цифровую основу обещает заметный выигрыш по показателям качества предоставляемых услуг, расширения их перечня, увеличения числа обслуживаемых абонентов, повышения доступности, энергоемкости, экономичности, совместимости и т.д. [58,62].

Оставаясь на реалистической позиции, можно утверждать, что подобных проблем не удастся избежать в будущем, когда новые технологии со всей настоятельностью «потребуют» модернизации тех цифровых сетей сотовой связи, которые сейчас считаются самыми совершенными. В результате проблема модернизации сотовых сетей связи выделяется в одно из ключевых и фундаментальных направлений для изучения. В указанной проблеме явно прослеживаются пока нерешенные вопросы оптимизации процесса модернизации в условиях прогнозируемых накоплений знаний и развития технологий, предсказания ожидаемого экономического эффекта и приобретения сопутствующих технических, научных знаний.

В такой широкой трактовке решение обозначенной проблемы представляется делом будущего, когда будет накоплен достаточный экспериментальный и теоретический материал. В настоящий же момент практическую значимость имеют задачи, связанные с модернизацией сотовых сетей аналоговых стандартов. Однако при их решении очень важно не сузить понимание вопросов до уровня чисто практического. Нужно попытаться осмыслить задачи модернизации в теоретическом плане, чтобы обеспечить начальное накопление знаний для решения обозначенной выше общей проблемы.

Анализ доступной литературы показал, что, несмотря на необозримое количество публикаций на тему усовершенствования методов обработки сигналов и передачи сообщений по каналам связи (например, [1214,35,39,41,42,48,49,50,54,56,68,71,76,81-85]), практически отсутствуют работы, посвященные вопросам о том, на сколько указанные методы могут повлиять на интегральные показатели качества работы сети в целом. К упомянутым интегральным показателям, обычно, относят такие характеристики как: емкость сети, предельно допустимая плотность частотно-территориального (ЧТП) покрытия, удельная территориально-частотная плотность информационного потока, суммарный трафик, поддерживаемый в системе, и т.д. Все эти показатели непосредственно связаны с экономической эффективностью работы сети и, в конечном счете, определяют целесообразность модернизации.

В литературе, посвященной данной проблеме, сложился подход, при котором все многообразие связей между методами обработки и эффективностью сети ограничивается рамками зависимости между требуемым уровнем отношения Еь/No (или сигнал/(помеха+шум)) и предельно допустимым числом поддерживаемых каналов в пределах соты/сектора, см. например, [68,57,80]. Однако, реально параметр Еь/No не является первичным и зависит от множества других характеристик. Например, от размера сот, структуры кодов, методов модуляции, характера и структуры территориального покрытия и многого другого. Кроме того, как выяснилось из работ О.А.Шорина [58,5,57], Г.П.Башарина и Н.В.Серебренниковой [6], существует ряд методов позволяющих заметно повысить предельно допустимую нагрузку сети от 20% до 40% при неизменном уровне требуемого отношения Еь/No в канале. Поэтому особую актуальность приобретают исследования в направлении установки связи между отдельными технологиями обработки или управления работой в радиоканале и результирующими показателями выигрыша по интегральным характеристикам работы сети.

Как можно судить по результатам множества работ, среди которых, не претендуя даже отдаленно на полный перечень, можно указать [4,5,1214,35,39,41,42,48,49,50,54,56,68,71,76,81-85], преимущества цифровых методов обработки сигналов и достижения соответствующих технологий столь значительны, что вопрос о целесообразности модернизации аналоговых сетей не вызывает никаких сомнений. Однако научный подход и теоретический анализ позволит его провести с минимальными затратами, а для этого необходимо восполнить тот пробел в исследованиях, который образовался в вопросах анализа связи эффективности обработки в канале с общими показателями работы сетей.

Цифровые методы обработки, в силу универсальности своей физической природы, с успехом применяются для решения чрезвычайно широкого спектра задач, начиная от частотной селекции [49,34] и вопросов синхронизации [4,7,17], до управления доступом [6,81] и организацией адаптивной обработки в антенных системах [4,9,18,16,72,70,57] либо в системах с разнесенной передачей/приемом сигналов [11]. Особый интерес с точки зрения мобильных систем среди них занимают вопросы применения пространственной селекции и кодирования с исправлением ошибок [61].

Пространственная селекция сигналов привлекательна в силу того, что пространственный ресурс радиоканала до сих пор остается не задействованным в полной мере [4,11,72,70], что сулит качественное повышение основных показателей работы систем мобильной связи и сотовых сетей в том числе, при условии его использования[59,60]. Повышение эффективности кодирования с исправлением ошибок привлекательно в силу того, что для его исполнения, в большинстве случаев, достаточно выполнить простую замену специального программного обеспечения (ПО) обработки сигналов. Поэтому последний вопрос, при условии внедрения цифровых методов обработки, отличается очень высокой технологичностью и экономичностью. Однако, как можно судить из работы [12], применение техники решетчатых кодов с многоступенчатыми итеративными процедурами исправления ошибок обеспечивают результат по эффективности обмена в канале практически совпадающей с теоретическим пределом (граница Шенона). Это обстоятельство ограничивает перспективы вопроса повышения эффективности кодирования современным этапом развития систем связи, связанным с непосредственным переходом на цифровую основу. Тем не менее, в плане влияния качества кодов исправляющих ошибки на интегральные показатели работы сотовой сети, указанная тематика еще далека от своего разрешения и не получила должного внимания в литературе.

Таким образом, анализ публикаций в исследуемой области показал отсутствие теоретических результатов по оценке эффективности применения указанных выше, методов обработки и управления ресурсами канала на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети в тех или иных условиях. Это не позволяет точно судить о целесообразности их внедрения, оставляет без ответа вопрос о том, как именно нужно осуществлять соответствующую модернизацию, и в каких ситуациях системы наиболее чувствительны к введению методов пространственной обработки, кодирования с исправлением ошибок и к усовершенствованиям в организации доступа. Последнее обстоятельство существенно усложняет практическую реализацию модернизации сотовых сетей связи аналоговых стандартов. В результате, настоятельная потребность перевода сотовых сетей аналоговых стандартов на цифровую основу, сочетающаяся с успехами в области соответствующих технологий, с одной стороны, и отсутствие необходимых для этого теоретических проработок, с другой стороны, настоятельно требуют разработки аналитических методов анализа и получения на его основе конкретных результатов по оценке влияния на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети таких технологий как: кодирование с исправлением ошибок, пространственная селекция сигналов, слежение за пространственными перемещениями отдельных абонентов, управление доступом с учетом пространственного перекрытия зон обслуживания отдельных сот, позволяющих в полной мере учитывать нюансы в режиме модернизации.

Цель и задачи работы

Целью работы является выбор цифрового стандарта сотовой системы связи в диапазоне 450 МГц и оценка его потенциальных возможностей по абонентской ёмкости в результате применения помехоустойчивого кодирования, разработанных методов пространственной селекции абонентов и управления режимом «мягкого» хендовера в зонах перекрытия.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Выполнить расчет повышения емкости сотовой сети CDMA при использовании в каналах различных схем кодирования с исправлением ошибок.

2. Выполнить расчет помехозащищенности сотовой сети CDMA, работающей в совмещенном режиме и использующей кодирование с исправлением ошибок.

3. Разработать методику сопоставления эффективности сотовых сетей аналоговых (NMT-450) и цифровых (CDMA, GSM) стандартов по критерию, связанному с характеристикой [^]=[Эрл/МГц/км2].

4. Разработать алгоритмы сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН антенн БС. Выполнить оценку точности такого сопровождения в рамках целевой задачи снижения энергетики линий связи путем заблаговременного предсказания попадания абонентов в зоны радиозатенений и выполнения упреждающих операций хэндовера.

5. Провести экспериментальные испытания фрагмента сотовой радиосети, использующей адаптивные антенные решетки на БС. Сопоставить данные эксперимента с теоретическими для проверки полученных технических рекомендаций по модернизации сотовой сети стандарта NMT-450 в цифровой формат D-NMT.

6. Выполнить анализ возможного повышения эффективности режима доступа на территориях с многократным радиоперекрытием в сотовых сетях с «мягким» хэндовером.

7. Сформулировать рекомендации по возможным направлениям дальнейшего развития полученных результатов в целях повышения эффективности решения задач модернизации сотовых сетей и систем связи.

Методы исследования

В диссертационной работе при решении поставленных задач используются теория передачи сигналов по каналам связи, методы математической статистики, теории вероятности, случайных процессов, теории массового обслуживания, многомерного анализа, а также методы вычислительной математики и программирования.

Научная новизна и основные научные результаты

1. Разработана методика оценки емкости сотовой сети стандарта CDMA, которая позволяет определить возможности по ее повышению в результате использования в радиоканале различных схем блоковых или сверточных кодов с исправлением ошибок, учитывающая многолучевое распространение и ситуации с отсутствием «прямой видимости» между базовой станцией и абонентскими терминалами.

2. Разработана методика оценки помехоустойчивости в режиме совмещенной работы сотовых сетей стандарта CDMA с узкополосными радиосистемами, которая позволяет определить область эффективного использовании режекторной фильтрации узкополосных помех с помощью трансверсальных БИХ и/или КИХ фильтров.

3. Разработана методика сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН адаптивных антенн, располагаемых на БС, путем анализа характеристик, связанных с амплитудно-фазовым распределением поля в области приема. Впервые получены оценки точности такого сопровождения, доказывающие возможность заблаговременного предупреждения попадания абонентов в зоны с радиозатенением.

4. Разработан новый алгоритм радиопеленга абонентов, работающий на основе многомерной статистики 4-го порядка, обеспечивающий существенно более высокие показатели точности разрешения, по сравнению с общеизвестными методами. Установлено, что при его использовании режим разрешения сохраняет необходимые рабочие характеристики вплоть до снижения уровня Еь/No в канале до 2 дБ.

5. Разработана новая методика управления доступом для сотовых сетей с «мягким» хэндовером, использующая скрытые резервы территориальных зон с многократным радиоперекрытием, Показано, что для сетей с «мягким» хэндовером оптимизация доступа обеспечивает почти такой же выигрыш по емкости, что и для сотовых сетей с «жестким» хэндовером.

Практическая ценность работы

Теоретические исследования, проведенные в диссертационной работе, позволили решить ряд практических задач, стоящих перед операторами и разработчиками цифровых сотовых систем связи диапазона 450 МГц и обосновать выбор наиболее перспективного стандарта в России для перехода к нему от стандарта NMT 450:

1. Разработана методика сравнения эффективности сотовых сетей различных стандартов на основе критерия, связанного с характеристикой [т/МЭрл/МГц/км2], на основе которой показано, что переход от стандарта NMT-450 к стандарту D-NMT (CDMA) повысит эффективность работы в 1,55 раз. При переходе на AMR кодеки общий выигрыш составит 3-4 раза.

2. Предложена новая методика организации процесса модернизации для сотовой сети стандарта NMT-450, предусматривающая работу в промежуточном режиме, когда одновременно функционируют сегменты в аналоговом и цифровом форматах.

3. Разработаны методики для проведения натурных испытаний и анализа полученных результатов для фрагмента сотовой сети, полученных в ходе драйв тестов с использованием техники адаптивных антенных решеток.

4. Разработаны документы ассоциации NMT при внедрении стандарта IMT-МС-450, ассоциации 3G при подготовке предложений по развитию систем третьего поколения в РФ, официальных вкладов России в ITU и СЕРТ.

5. Сформулированы рекомендации по различным методам помехоустойчивого кодирования, интеллектуальным антеннам и управлением «мягким» хендовером при внедрении CDMA-450 в ОАО «Московская Сотовая Связь».

6. Результаты работы по оценке абонентской емкости цифровых сотовых стандартов используются в лекциях по курсу «Проектирование цифровых стотвых систем связи» для студентов обучающихся по специальности «Радиотехника».

Результаты диссертации могут быть также использованы при разработке систем связи с пространственно-временной обработкой сигналов и при формировании методик модернизации сетей связи.

Внедрение результатов работы

В ходе работы над диссертацией при непосредственном участии диссертанта был создан ряд высокоэффективных алгоритмов обработки измерений, базирующихся на использовании теоретических и прикладных результатов исследований работы сетей связи с применением адаптивных антенн. Эти разработки были внедрены на предприятиях ЗАО Скайлинк, ОАО Московская Сотовая Связь, ЗАО ДельтаТелеком, Инфокоммуникационный Союз, в учебный процесс МТУСИ, что подтверждается соответствующими актами.

Личный вклад

Теоретические и практические исследования, проведенные расчеты с использованием ЭВМ, а также рекомендации, методики и выводы получены автором лично.

Апробация работы

1. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях по проблемам развития систем сотовой связи и обработке сигналов: Труды Международная конф.: Развитие мобильной связи в России-М.:25.03.2002. : 7-й Бизнес-Форум: Мобильные системы-2002, а также на научно-технических конференциях МТУСИ 2003,2007 гг.

Публикации результатов

Основные научные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях в виде семи статей (в том числе в журналах «Электросвязь»,

Мобильные системы», «Мобильные телекоммуникации»).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 74 рисунка, 8 таблиц, список литературы включает 88 наименований. Кроме того, содержит одно приложение на 5 страницах.

Основные результаты работы диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Разработана методика оценки влияния кодирования с исправлением ошибок на характеристику предельной емкости сотовой сети стандарта D-NMT, отличающаяся от общеизвестных [68,80] тем, что в ней учитывается вероятностный характер поведения нагрузки и структура используемых схем кодирования. В результате удалось получить численные результаты и сопоставить эффективность блоковых и сверточных кодов исправляющих ошибки по критерию максимального увеличения емкости сети. Удалось показать, что эффективность сверточного кодирования с точки зрения принятого критерия выше, чем блокового, и позволяет при определенных обстоятельствах увеличить емкость до 40%.

2. Разработана методика сопоставления технической эффективности работы сотовых сетей аналогового (например, NMT-450) и цифрового (например, D-NMT (CDMA)) стандартов, использующих один и тот же ресурс радиочастотного канала, на основе критерия Эрл./МГц/м2. Указанная методика отличается тем, что использует интегральный показатель качества, который учитывает как технические особенности организации разделения каналов, схем модуляции, методов исправления ошибок и способов обработки сигналов, так и особенности организации частотно-территориального покрытия. В результате применения такой методики впервые показано, что модернизация сотовой сети NMT-450 на цифровой формат обеспечит повышение эффективности работы примерно в 1.55 раз. А при условии использования ARM кодеков - до 3 - 4 раз.

3. Разработана методика расчета уровня внутрисистемных помех в сотовых сетях, использующих ЧТП с различными кластерами, построенная на основе модели распространения Окумуры-Хаты. На основе указанной методики удалось показать, что использование адаптивных антенн обеспечивает эффективное увеличение уровня отношения сигнал/(помеха+шум) на 16-25 дБ, что достаточно для реализации в сети NMT-450 покрытий с кластерами предельно высокой плотности 3/9 и даже 1/3.

4. Разработана методика пошагового режима модернизации сотовых сетей стандарта NMT-450 к цифровому стандарту D-NMT (CDMA-450), с помощью которой удалось показать, что максимальный радиочастотный ресурс требуется на первом шаге модернизации и его наименьшее значение составляет 2.8*2 МГц в случае без использования технологии адаптивных антенн и 1.57*2 МГц - в случае применения адаптивных антенн.

5. Разработана методика, на основе которой на территории восточного округа г.Москвы в 1999 году в условиях плотной городской застройки были проведены натурные испытания работы фрагмента сети NMT-450, использующей адаптивные антенны FALKEN RBS, в результате чего были получены данные, показывающие, что применение адаптивных антенн обеспечивает выигрыш, выражаемый в эффективном увеличении отношения сигнал/(помеха+шум) на 12 дБ (каналы вниз) и 16 дБ (каналы вверх). Кроме того, непосредственно была подтверждена работоспособность фрагмента сети с кластером покрытия 1/3. Указанная методика отличается от известных [9,11,18,36,52,63,65,70,72] тем, что ориентирована на комплекс характеристик качества, утвердившихся в качестве базовых для сотовых сетей (BER, FER, RxLev, RxQual, НО Failure и т.д).

6. Разработан алгоритм одновременного пеленга множества источников радиосигналов с помощью многоэлементной антенной решетки, ориентированный на применение в сотовых сетях. Указанный алгоритм отличается от известных [7,11,18,19-20,32-36,65,70,72] тем, что в нем вместо традиционной корреляционной матрицы используется многомерная статистика 4-го порядка. Показано, что случайная компонента пеленга в случае специального выбора статистики 4-го порядка определяется в первую очередь не собственными шумами в каналах, а шумами квантования, возникающими в режиме оцифровки данных. При этом алгоритм пеленга сохраняет приемлемые для практического использования показатели точности пеленга (порядка 1°-2°) даже в условиях снижения отношений Eb/N0 в канале связи до уровня 2 дБ. В то время, как известные алгоритмы теряют работоспособность, начиная с уровней Eb/N0 порядка 37 - 38 дБ.

7. Разработаны подходы для организации режима упреждающего «хэндовера» для сотовых сетей стандарта CDMA, отличительной особенностью которых является организуется слежения за перемещениями активных абонентов и предсказание их попадания в области радиозатенений. В результате такой организации хэндовера достигается возможность снижения энергетики радиолиний в сети на порядок.

8. Предложен новый алгоритм организации приоритетного управления выбором БС для режима доступа в сотовых сетях стандарта CDMA, отличающийся тем, что высший приоритет устанавливается для характеристики уровня загрузки базовых станций (в традиционном исполнении используется приоритетная последовательность RxQual, RxLev и BS Busy Level). Кроме того, предлагается вместо традиционной двухуровневой градации показателя загрузки использовать точный показатель. В результате применения такого алгоритма управления доступом в сетях с «мягким» хэндовером удается поднять предельный уровень нагрузки на 40% за счет пространственного усреднения локальных всплесков интенсивности запросов на подключение (GoS=2%).

9. Разработана методика анализа работы фрагмента сотовой сети с «мягким» хэндовером при различных вариантах организации доступа. С ее помощью удалось показать, что эффективность от управления доступом зависит от уровня перекрытия сот в сети. Получены аналитические соотношения для ожидаемых выигрышей, которые показали хорошее совпадение с результатами моделирования для уровней перекрытия сот, характерных для реальных сотовых сетей стандарта CDMA.

10. Наиболее перспективными исследованиями в плане дальнейшего развития разработанного направления представляются: а) решение задачи управления запуском/остановкой процессов, связанных с модернизацией сотовых сетей произвольных стандартов, структур и масштабов, в условиях постоянного накопления технических решений, усовершенствования элементной базы, появления новых аналитических методов и возникновения новых услуг; б) разработка подходов и базовых принципов для решения задачи оптимизации пространственно-временной обработки сигналов с точки зрения сотовых сетей и выполняемых ими функций.

Заключение

1. Аджемов С.С., Бокк Г.О., Шахгильдян В.В. Применение методов робастного оценивания для повышения эффективности алгоритмов обработки радионавигационных спутниковых систем // Радиотехника-2000. № 10.

2. Аджемов С.С., Бокк Г.О. Метод оценки параметра задержки для широкополосных систем связи с временным разделением // Метрология и измерительная техника в связи, № 1. -1998. -С. 27-28.

3. Аджемов С.С., Бокк Г.О., Дмитриев В.Г. Оценка параметра задержки в системах связи с кодово-временным разделением каналов при отсутствии априорных данных об уровне шума // Метрология и измерительная техника в связи, -№ 4 -1998 С.20-21.

4. Аджемов С.С., Бокк Г.О. Метод оценки параметра задержки для широкополосных систем связи с временным разделением // Метрология и измерительная техника в связи.-№ 1.-1998 С. 27-28.

5. Банкет В.Я., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. // М.: Радио и связь, -1988.

6. Баиларин Г.П., Серебренникова Н.В. Анализ производительности фрагмента сотовой сети с учетом перекрытия зон радиосвязи // Электросвязь. № 7. -2006. - С. 43-45.

7. Бокк Г.О. Повышение эффективности работы систем связи на основе пространственно-временной обработки и спектрального анализа сигналов // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МТУСИ-2000. - 395 с.

8. Бокк Г.О., Журавлев В.И. Помехоустойчивость широкополосной системы связи, использующей ААР// ЛЭИС. Труды учебных институтов связи. Системы и средства передачи информации по каналам связи. Выпуск 150. -1990. -С. 45-52.

9. Васехо Н.В., Дудукин С.Н., Тихвинский В.О. Перспективы применения антенных решеток в системах подвижной связи // Мобильные системы, -№ 5. -2000. -С. 43-46.

10. Вернер М. Основы кодирования./Пер. с англ. Под ред.13,14.15,1617,18