автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование вероятностно-временных характеристик мобильных систем радиосвязи функционирующих в режиме передачи данных

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОТРАСЛИ СВЯЗЬ КУЗБАССА

1.1. Состояние отрасли связи в регионе

1.2. Перспективы развития связи в Кемеровской области

1.3. Анализ сетей сотовой связи Кузбасса

2. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ДОСТАВКИ КОРОТКИХ СООБЩЕНИЙ

2.1. Выбор модели источника ошибок

2.2. Вероятность успешной доставки, задержка и затраты при передаче коротких сообщений

3. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ. МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1. Использование вероятностных методов обнаружения ошибок. Определение нумератора весов для циклических кодов

3.2. Применение блочной защиты с предварительной очисткой кодовых комбинаций от ошибок. Расчётные формулы для определения вероятностно-временных характеристик

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛЬНОГО ПРОТОКОЛА СИСТЕМЫ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА С КОДОВЫМ МЕТОДОМ РАЗДЕЛЕНИЯ КАНАЛОВ

4.1. Методы множественного доступа

4.2. Состав и структура модели CDMA системы

4.3. Модель передачи пакетов по восходящему каналу

4.4. Модель занятия и освобождения подканалов

4.5. Модель интегральных характеристик

4.6. Результаты моделирования

Актуальность работы. Основополагающими требованиями времени являются глобализация и персонализация связи, которая повлечёт за собой эволюцию систем телекоммуникаций, совершенствование и развитие сетей и услуг связи в соответствии с потребностями информационного общества. Глобализация связи означает создание Всемирной сети связи, которая будет развиваться на базе создаваемых национальных сетей, объединяемых в единую, с позиций информационного пространства, интегральную сеть на основе рекомендаций и стандартов Международного союза электросвязи (МСЭ). Персонализация связи явится итогом разработки и повсеместного принятия концепции Универсальной персональной связи (1ЛР), интенсивно разрабатываемой исследовательскими комиссиями МСЭ.

Важная составная часть Глобальной информационной инфраструктуры -это системы подвижной связи и прежде всего сотовые, число абонентов которых непрерывно растёт, а темпы этого роста с каждым годом ускоряются [1-10].

При создании систем мобильной связи первого поколения ориентировались при выработке требований к системе на передачу голосовых сообщений. То же самое можно сказать и о системах второго поколения. Что, впрочем, неудивительно, так как сегодня объём трафика по передаче данных в мобильных сетях не превышает 5%. Однако он растёт, и к 2005-2010 году ожидается, что порядка 70% трафика будет трафик по передаче данных.

В связи с вышеизложенным особую роль приобретают исследования, направленные на решение задач по проектированию средств передачи данных и поиску подходов по повышению эффективности передачи данных в мобильных сетях связи.

Цель работы: разработка методик расчёта вероятностно-временных характеристик мобильных систем радиосвязи, функционирующих в режиме передачи данных.

Методы исследований. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученных с помощью теории вероятности, математической статистики, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1. Разработана методика расчёта вероятностно-временных характеристик (ВВХ) системы передачи коротких сообщений, отличающаяся от известных учётом группирования ошибок. Получены выражения для расчёта достоверности, стоимости и времени задержки, использование которых позволяет выбрать алгоритм, наилучшим образом отвечающий требованиям разработчика.

2. Предложен алгоритм вычисления нумератора весов для любых циклических кодов, заданных своим производящим полиномом, позволяющий оценить условную вероятность неправильного декодирования, знание которой необходимо при вынесении решения о стирании кодовой комбинации в системах с обратной связью.

3. Получены уточнённые формулы для расчёта ВВХ мобильной системы с предварительной очисткой кодовых комбинаций от ошибок, отличающиеся от известных использованием трёхуровневой обобщённой модели Гильберта.

4. Разработан метод моделирования широкого спектра ВВХ систем мобильной связи с кодовым разделением каналов, который заключается в построении гибридной математической модели системы множественного доступа, при этом поведение системы описывается агрегированным марковским процессом рождения и гибели, а поведение системы в агрегированных состояниях -сетями систем массового обслуживания, что позволило за счёт уменьшения размерности решаемой задачи довести её до численных результатов.

Практическая ценность работы и внедрение её результатов. Предложены математические и статистические модели мобильных систем связи, функционирующих в режиме передачи данных, позволяющие проектировать эффективно работающие мобильные системы связи.

Результаты проведённых исследований использованы ассоциацией производителей услуг связи Кемеровской области «Связь Кузбасса» при выработке рекомендаций по развитию сети сотовой связи Кузбасса и внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики.

Материалы, связанные с использованием вероятностных методов обнаружения ошибок и вычислением нумератора весов, вошли в отчёт по НИР «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий. Исследование путей повышения эффективности систем радиосвязи технологий DECT и PHS».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих семинарах и конференциях:

1. Международный семинар «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», 1995г., Хабаровск.

2. Международная конференция "Power Microwave Electronics Measurements, Identification, Application", MIA-ME'99,1999г., г. Новосибирск.

3. Международный семинар «Современные информационные технологии СИТ-98», 1998г., г. Новосибирск.

4. Международный семинар «Автоматизация проектирования электронных приборов (АПЭП-98)», 1998г., г. Новосибирск.

5. Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», 2000г., г. Новосибирск.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. В их числе 3 книги, одна депонированная рукопись, 4 доклада и 3 тезиса докладов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и трёх приложений. Содержит 137 страниц, 13 таблиц, 26 рисунков. Список литературы состоит из 77 наименований.

Основные результаты представленной к защите работы заключаются в следующем:

1. Выполнен кластерный анализ перспективности функционирующих в Кузбассе сетей мобильной радиосвязи с сотовой архитектурой.

2. Дан анализ нескольких алгоритмов передачи коротких сообщений в условиях работы по каналам с группированием ошибок.

3. Получено выражение для расчёта нумератора весов, что позволяет решать задачи по оценке качества декодирования кодовых комбинаций циклических кодов.

4. Получены уточнённые формулы для расчёта вероятностно-временных характеристик при передаче данных по каналам, описываемым моделью Гильберта с использованием на всех уровнях защиты циклических кодов и предварительной очистки кодовых комбинаций от ошибок.

5. Предложена интегральная модель на основе аппарата марковских процессов и сетей массового обслуживания системы множественного доступа, и на её основе выполнены расчёты вероятностно-временных характеристик для системы с кодовым разделением каналов.

6. Разработаны программы для расчёта вероятностно-временных характеристик, которые могут быть полезны при проектировании как систем мобильной радиосвязи, так и радиодоступа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке методик расчёта вероятностно-временных характеристик мобильных систем связи, функционирующих в режиме передачи данных.

1. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. -М.: МЦНТН, 1996 г., 242 с.

2. Величко В.В., Шувалов В.П. Сотовые сети подвижной радиосвязи. -Кемерово, 1998 г., 40 с.

3. Горностаев Ю.М. Мобильные системы 3-го поколения. МЦНТИ. М.: 1998 г., 164 с.

4. Дежурный И. Системы сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования. Некоторые особенности их применения в России // Connect №3,1999 г. с.80-84.

5. Величко В.В. Анализ сетей сотовой связи Кузбасса // Материалы международного семинара: Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций. -Новосибирск, 1999 г., с.33-37.

6. Райсеви П., Матиас К. Передача данных по сетям сотовой связи // Сети и системы связи, №5, 1996 г., с.54-57.

7. Райсеви П., Уитман А. Беспроводная передача данных: CDPD // Сети и системы связи, №8, 1996 г., с.74-81.

8. Сергеев С.И., Тамаркин В.М. Подвижные сети и средства связи // Технологии и средства связи. №4. с.66-74.

9. Битнер В.И., Величко В.В. Основы построения системы сигнализации №7. -Кемерово, 1999 г., 85 с.

10. Ю.Воробьёв C.B., Овчинников A.M., Сергеев С.И. Перспективные стандарты транкинговой радиосвязи, М.Л999 г., 112 с.

11. П.Шувалов В.П., Кожаспаев Н.К. Вероятностные методы обнаружения ошибок. Алма-Ата. Изд."Наука" Казахской ССР, 1993. 107 с.

12. Сединин В.И., Фалько А.И. Защита от помех в системах мобильной радиосвязи. Новосибирск: Наука. Сиб.предприятие РАН, 1978. - 174 с.

13. Буга H.H. Основы теории связи и передачи данных. Ч. I, II, ЛВИКА им. А. Ф .Можайского, 1968, 1970.

14. Коржик В.И., Финк Л.М., Щелкунов H.H. Расчёт помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений. Справочник. М.: Радио и связь, 1981. - 232 с.

15. Блох Э.Л., Попов О.В., Турин В.Я. Модели источника ошибок в каналах передачи цифровой информации. М.: Связь, 1971.- 312 с.

16. Пуртов Л.П. и др. Элементы теории передачи дискретной информации. М.: Связь, 1972.

17. Коричнев Л.П., Королёв В.Д. Статистический контроль каналов связи. М.: Радио и связь, 1989. - 240 с.

18. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищённости приёма сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь, 1975.

19. Макаров A.A., Шувалов В.П. Совместное описание потока ошибок и стираний в канале с переменными параметрами // VII Всесоюзная конференция по теории кодирования и передачи информации. М.: Вильнюс, 1978. 4.4, с. 6772.

20. Бухвинер Д.Е. Оценка качества радиосвязи. М.: Связь, 1974.

21. Мизин И.А., Уринсон Л.С., Храмешин Г.К. Передача информации в сетях с коммутацией сообщений. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Связь, 1977. - 327 с.

22. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962.

23. Величко В.В., Мелентьев О.Г., Шувалов В.П. Оценка качества декодирования при действии импульсных помех, поступающих через цепи электропитания. Деп. в ВИНИТИ №2967-В98 от 12.10.98. 62 с.

24. Шувалов В.П, Лившиц В.Р. Об одном алгоритме обработки информации в системе с РОС //Тр. учеб. ин-в связи. 1976. с.76-82.

25. Величко В.В., Шувалов В.П. Об одном методе уменьшения времени задержки сообщения. Материалы IV Международной научно-технической конференции АПЭП-98. Новосибирск -1998.

26. Советов Б.Я., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления .-Л.: Энергоатомиздат. 1982.

27. Гильберт Э.Н. Пропускная способность канала с пакетами ошибок. «Кибернетический сборник», №9, 1964.

28. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. М.: Наука, 1992,41,2.

29. Зайцев С.С., Кравцунов, М.И., Ротанов С.В. Сервис открытых информационно-вычислительных сетей: Справочник. Радио и Связь, 1990.

30. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. М.: Мир, 1990.

31. Кофман А., Крюон Р. Массовое обслуживание. Теория и приложения. М.: Мир, 1965.

32. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчёта. М.: Наука, 1989. - 336с.

33. Штойян Д. Качественные свойства и оценки стохастических моделей. М.: Мир, 1979.

34. Кениг Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания. М.: Радио и связь, 1981.

35. Митрофанов Ю.И., Беляков В.Г., Курбангулов В.Х. Методы и программные средства аналитического моделирования сетевых систем. Препринт, М.: -Научный совет по комплексной проблеме Кибернетика, 1982. 67с.

36. Карлин С. Основы теории случайных процессов. М.: Мир, 1971.

37. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. -М.: Машиностроение, 1979.

38. Степанов С.Н. Итерационные методы численного расчёта систем массового обслуживания. в сб.: Имитационные сети и их анализ. - Наука, М., 1978, с.51-57.

39. PHS (Personal Handyphone System) Guidebook (2nd Edition, July 1998).

40. Zorri Michele and Rao Ramesh R. On the statistics of block errors in bursty chan-nelsWIEEE Transaction on Communications, June 1997.

41. Zorri Michele, Rao Ramesh R. and Milstein Laurence B. On the accuracy of firstorder Markov model for data transmission on fading channelsWIn ICUPC, November 1995.

42. Zorri Michele, Rao Ramesh R. and Milstein Laurence B. A Markov model for block errors on fading channelsWIn PIMRC, 1996.

43. Yin M., Li V.O.K. Unslotted CDMA with fixed packet lengths, IEEE J. Sel. Areas Commun., vol.8, №4, pp.529-541, May 1990.

44. Fukuda A. Tasaka S. The equilibrium point analysis A unified analytic tool for packet broadcast networks. IEEE Globecom'83, pp.1133-40, 1983.

45. Rice M., Wicker S.B. A sequential scheme for adaptive error control over slowly varying channels. IEEE Trans. Commun., February-April 1994, pp. 1533-1543.

46. Martins A.C., Alves J.C. ARQ protocols with adaptive block size perform better over wide range of bit error rates. IEEE Trans. Commun., June 1990, pp.737-739.

47. Johannes V.I. Improving on bit error rate. IEEE Trans. Communication Mag., Vol.22, December 1984, pp.18-20.

48. HaraS., Ogino S.B., ArakiM., OkadaM., MorinagaN. Throughput performance of SAW-ARQ protocol with adaptive length in mobile packet data transmission. IEEE Trans. Vehic. Tech., August 1996, pp.561-569.

49. Mahmoud S.A., DaSilva J.S., Hafez M. Optimal packet length for fading land mobile data channels. Proc ICC'80, June 1980, pp.61.63.

50. Comroe R.A., CostelloD.J. ARQ schemes for data transmission in mobile radio systems. IEEE J. Select. Areas Commun., vol.2, July 1984, pp.472-481.

51. Yao Y-.D. An effective go-back-N ARQ scheme for variable-error-rate channels. IEEE Trans. Commun., vol.43, January 1995, pp.20-23.

52. Takanashi H., Tanaka Т., Hattori T. High-quality and high-speed wireless multimedia technology for personal handy phone system. Proc. ITU Telecom'95, Technology Summit 7-2,1995.

53. Lin S., Costello D.J., Miller M.J. Automatic repeat request error control schemes. IEEE Communications Magazine., vol.22, №12, December 1984, pp.5-17.

54. Nakamura O., Matsuki H., Oono T., Tanaka T. Pre-repeat selective-repeat ARQ in fading Channel. Proceedings IEEE 1998 International Conference on Universal Personal Communications, 5-9 October 1998, Florence, Italy, IEEE, v.2, pp. 12531257.

55. Kamal S.S. Mahmoud S.A. A study of users' buffer variations in random access satellite channels. IEEE Trans. Commun., vol.COM-27, №6, pp.857-868, June 1979.

56. Sykas E.D., Karvelas D.E., Protonotarios E.N. Queueing analysis of some buffered random multiple access schemes. IEEE Trans. Commun., vol.COM-34, №8, pp.790-798, Aug. 1986.

57. Ganz A. Chlamtac I. A linear solution to queueing analysis of synchronous finite buffer networks. IEEE Trans. Commun., vol.38, №4, pp.440-446, Apr. 1990.

58. Yao X.X., Yang O.W.W. A queueing analysis of slotted ALOHA systems. IEEE CCECE'93, pp. 1234-38,1993.

59. Tanaka T., FujiiT., HattoriT. PHS multimedia transmission system. NTT Review, vol.9, №3, May 1997, pp.76-82.

60. Matsuki H., Oono T., Takanashi H., Tanaka T. An error control scheme for high-quality, high-speed PHS data communications. NTT Review, vol.9, №3, May 1997, pp.83-93.

61. NakamuraO., MatskiH., Takanashi H. Pre-repeat Go-Back-n ARQ with error prediction in fading channel. Conf. Rec. IEEE Glob Telecommun. Conf.'96, 25-5 1996.

62. ISO/IS 7498 Information Processing Systems Open System Interconnection -Basic Reference Model. - International Organization for Standardization, Geneva, 1984.

63. ISO/IS 8509 Information Processing Systems Open System Interconnection -Basic Reference Model. - International Organization for Standardization, Geneva, 1984.

64. Data Communication Networks Interfaces, Volume VIII, Fascicle VIII.2, CCITTZ Red Book, CCITT Plenary Assembly, October 8-19,1984.

65. Holtzman J.M. A simple, accurate method to calculate spread-spectrum multiple-access error probability. IEEE Trans. Commun., 1992, vol.40, №3, pp.461-464.

66. Jackson J.R. Networks of waiting lines. Operation Research, 1957, №5, pp.518-521.

67. Gordon W.G., Newell G.F., Closed queueing systems with exponential servers. -Operation Research, vol.15, №2, 1967, pp.254-265.