автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование вопроса повышения эффективности систем сухопутной подвижной связи в условиях многолучевого распространения радиоволн

Введение.

Глава 1. Влияние многолучевого распространения радиоволн на характеристики канала связи.

1.1. Математические модели распространения радиоволн и селективных замираний, использующиеся при анализе работы систем сухопутной подвижной связи.

1.2. Анализ влияния селективных замираний на характеристики систем связи и методы, использующиеся для улучшения этих характеристик.

1.3. Анализ работы существующих систем связи в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Глава 2. Экспериментальное исследование параметров корреляции селективных замираний.

2.1. Структурная схема и технические характеристики измерительной установки, использованной для проведения экспериментального исследования.

2.2. Условия проведения, методика и результаты экспериментального исследования.

Глава 3. Адаптивные алгоритмы работы системы связи в условиях многолучевого распространения волн.

3.1. Алгоритмы адаптации при связи с неподвижным объектом.

3.2. Алгоритмы адаптации при связи с подвижным объектом, основанные на коррелированности селективных замираний в системах с временным разделением каналов.

Глава 4. Пути реализации алгоритмов адаптации в существующих и перспективных системах связи.

4.1. Алгоритм адаптивного распределения ресурсов системы исследования.

4.2. Вопросы аппаратурной реализации алгоритмов адаптации в существующих и перспективных системах связи.

4.3. Вопросы применения адаптивных алгоритмов.

Системы сухопутной подвижной связи (системы сотовой связи, бесшнуровой телефонии, беспроводного доступа, радиотелефонные удлинители и т.п.) в настоящее время получили широкое распространение. Все они работают в условиях многолучевого распространения волн и подвержены влиянию селективных замираний, что снижает их пропускную способность, уменьшает зону обслуживания и требует увеличения затрат на создание инфраструктуры. В настоящее время широкое применение нашли системы, использующие различные методы разнесения для уменьшения отрицательного влияния селективных замираний. К таким методам относятся временное, частотное и пространственное разнесение [10, 16, 51]. С развитием технологии обработки сигналов и вычислительной техники появилась возможность дальнейшего совершенствования этих методов за счет использования адаптивных алгоритмов [10]. Необходимость совершенствования систем связи, работающих в условиях многолучевого распространения волн, и появившиеся для этого возможности определяют актуальность темы работы.

Целью данной работы является разработка и исследование методик и адаптивных алгоритмов, улучшающих энергетические характеристики канала связи за счет учета коррелированности замираний сигнала в частотной и временной областях.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Исследование влияния селективных замираний на системы сухопутной подвижной связи. Анализ применимости методов временного, частотного и пространственного разнесения.

2. Разработка и изготовление измерительного оборудования, предназначенного для построения математической модели пространственной картины поля, создаваемого неподвижным радиомаяком, имитирующим базовую станцию системы связи. Экспериментальное исследование влияния подвижности окружающей среды на характеристики канала связи.

3. Разработка алгоритмов адаптивного распределения ресурсов системы, основанных на учете коррелированности замираний сигнала.

4. Тестирование алгоритмов на математической модели пространственной картины поля, создаваемого неподвижным радиомаяком, построенной на основе полученных экспериментальных данных.

5. Исследование возможностей реализации алгоритмов адаптации в существующих и перспективных системах связи.

Метод исследования.

Схематично метод исследования представлен на Рис.1.

Алгоритмы адаптации строились исходя из следующих теоретических и эмпирических предпосылок:

• амплитуда огибающей замирающего сигнала распределена по закону Релея или по логнормальному закону с известными из других исследований параметрами [29];

• процесс флуктуаций амплитуды огибающей замирающего сигнала стационарен и коррелирован на интервале адаптации;

• характерная полоса когерентности селективных замираний в зависимости от условий распространения радиоволн известна из результатов других исследований [10, 16, 51].

Оценка влияния подвижности среды проводилась на основе экспериментальных данных, полученных путем наблюдения уровня принимаемого от неподвижного радиомаяка сигнала неподвижным приемником. Оценка эффективности рассматриваемых алгоритмов производилась путем их тестирования на математической модели пространственной картины поля неподвижного радиомаяка, имитирующего базовую станцию системы связи, построенной на основании экспериментальных данных.

В работе использовались математический аппарат теории вероятности, теории помехоустойчивости и математическое моделирование. Справедливость исходных теоретических предположений подтверждается экспериментальными данными и результатами тестирования алгоритмов. Обоснованность научных положений и достоверность результатов.

Справедливость полученных результатов подтверждается совпадением с теоретическими в предельных случаях и результатами тестирования разработанных алгоритмов. Научная новизна работы.

1. Предложены и исследованы, как теоретически, так и экспериментально, алгоритмы адаптивного распределения ресурсов в системе сухопутной подвижной связи с временным и частотным разделением каналов, учитывающие коррелированность замираний принимаемого радиосигнала.

2. Экспериментально исследовано влияние подвижности окружающей среды на характеристики канала связи и на работу предложенных алгоритмов.

Практическая значимость.

Получены результаты, позволяющие увеличить пропускную способность сотовых систем связи на величину порядка 25-50%, а также увеличить площадь зоны обслуживания систем беспроводного доступа на 60-70%.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе рассматриваются основные характеристики селективных замираний и влияние многолучевого распространения радиоволн на характеристики систем связи. Во второй главе приведено техническое описание измерительного оборудования, которое применялось в проводимом в рамках данной работы экспериментальном исследовании, условия проведения, методика и результаты экспериментального исследования. В третьей главе предлагаются и анализируются алгоритмы адаптации для случаев связи с неподвижным и подвижным объектами. В четвертой главе рассматривается алгоритм адаптивного распределения ресурсов в системе связи, базирующийся на рассмотренных ранее алгоритмах адаптации, возможности и предполагаемые результаты его использования в современных системах связи.

Заключение

В диссертационной работе были получены следующие результаты:

1. Сформулирована совокупность технических признаков систем сухопутной подвижной связи, на основании которой можно судить о возможности использования методов разнесения: частотного, временного и пространственного.

2. На основе экспериментальных данных построена математическая модель пространственной картины поля неподвижного радиомаяка, имитирующего базовую станцию системы связи. В этой модели учитываются флуктуации уровня принимаемого абонентской станцией радиосигнала, вызванные многолучевым распространением волн.

3. Разработаны алгоритмы адаптивного распределения ресурсов системы сухопутной подвижной связи с временным и частотным разделением каналов, учитывающие коррелированность замираний принимаемого абонентской станцией сигнала. Использование этих алгоритмов позволит улучшить энергетические характеристики канала связи на величину порядка 6дБ при связи с неподвижными объектами и на величину порядка 2дБ при связи с движущимися объектами с учетом подвижности окружающей среды. Исходные предпосылки подтверждены результатами экспериментального исследования. Работоспособность алгоритмов проверена путем тестирования их на построенной математической модели пространственной картины поля.

4. Показана возможность реализации разработанных алгоритмов в системах сухопутной подвижной связи, использующих комбинацию временного и частотного разделения каналов, обладающих достаточно большим частотным ресурсом (1-20 МГц в зависимости от условий применения), и допускающих временную задержку при передаче информации на величину порядка 50-100 мс при соответствующем выборе канальной скорости и кадровой структуры.

Полученные в работе результаты позволяют увеличить пропускную способность систем сотовой связи на величину порядка 25-50% и увеличить площадь зоны обслуживания систем беспроводного доступа на 60-70% при приемлемых дополнительных вычислительных и аппаратурных затратах.

Предметом дальнейших исследований автора является исследование возможностей дополнительного снижения вычислительных затрат на реализацию алгоритмов за счет использования градиентных методов адаптации, а также проработка теоретических и практических положений, касающихся внедрения алгоритмов в существующие и перспективные системы связи.

1. ADSP-2100 Family User's Manual. // (с) Analog Devices, Inc.

2. An Inroduction to Radio Frequency Design. // The American Radio Relay League, 1994.

3. CDMA Products Data Book. // (c) 1997 Qualcomm Inc.

4. DECT: особенности развития. // «Сети», N8, 1997. Http://www.opensystems.ru/nets/1997/08/36.htm.

5. Honcharenko W., Bertony H.L., Dailing J. Mechanisms Governing Wireless Propagation Between Different Floors in Buildings. // Microwave Journal, February 1994, VOL.37, N0.2.

6. HP8921. Operation Manual. // (c) Hewlett Paccard, Inc., 1994.

7. IFR COM 120A, Operation Manual. // (c) IFR Systems, Inc., 1993.

8. Kesteloot A., Charles L. Hutchinson. Spread Spectrum Soursebook. // The American Radio Relay League, 1993.

9. Laurence E. Larson. RF and Microwave Circut Design for Wireless Communication.//Artech House, 1996.

10. Ramjee Prasad, CDMA for Wireless Personal Communications, Artech House, Boston-London, 1996.ll.SmarTtrunkll Digital Trunking System, (c) SmatTrunk Systems, Inc., 1997. Http .//www. smart runk. com/ Smrtrnk2/trunking. htm.

11. The Official ETSI Deliverable CD-ROMs. CD-ROM A Latest Edition & Drafts. January 1998.

12. The Official ETSI Deliverable CD-ROMs. CD-ROM В GSM TSs, Previous Edition & CEPT Rec. January 1998.

13. H.Walter C. Scales, Potential Use of Spread Spectrum in Non-Government Applications, (c) 1980 MITRE Corp.

14. Watcom Execution Profiler Version 11.0. User's Guide. // (c) Sybase, Inc., 1987, 1998.

15. William C.Y. Lee, «Mobile Communications Design Fundamentals» Second Edition // John Wiley & Sons, Inc., 1993.

16. Белянко Е.А., Голубкин А.А. Перспективы развития пейджинговой связи в России. // «Вестник связи», N9, 1997.

17. Бизяев А.Е. Некоторые аспекты повышения эффективности использования частотного ресурса в цифровых системах сотовой связи на физическом уровне. Дипломная работа, МФТИ, Кафедра прикладной электродинамики, 1997.

18. Бизяев А.Е. Особенности влияния многолучевого распространения на параметры систем подвижной связи общего пользования с кодовым разделением с ортогональными сигналами. Тезисы докладов XL научной конференции МФТИ, Москва, 1997.

19. Бизяев А.Е. Особенности влияния многолучевого распространения волн на характеристики канала связи с высокой скоростью передачи информации. Тезисы докладов XLI научной конференции МФТИ, Москва, 1998.

20. Блейхут P. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. // Москва «Мир», 1989г.

21. Болезнь роста. Интервью первого заместителя министра связи РФ А.Е.Крупного. // Connect, N1-2, 1997г.

22. Борисов К., Бизяев А., Проховник Б. Оборудование СОРМ для систем SmarTrunkll. // «Мобильные системы», N2, 2000.

23. Бочков С.О., Субботин Д.М. Язык программирования Си для персонального компьютера. // Москва, СП «Диалог», «Радио и связь», 1990,

24. Бузов АЛ., Казанский Л С., Романов В.А., Сподобаев ЮМ. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной радиосвязи. // Москва, «Радио и связь», 1997.

25. Быховский М.А. Методика анализа ЭМС сотовых систем подвижной радиосвязи, развернутых в городах, с радиостанциями других служб. // "Электросвязь", 1993, N8.

26. Быховский М.А. "Частотное планирование сотовых сетей подвижной радиосвязи." // Электросвязь,N8, 1993.

27. Васильев B.C. Райнер М.М. Соперничество технологий на рынке телекоммуникаций. // «Мобильные системы», N2, март-апрель 1997.

28. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. // Москва, «Высшая школа», 1999.

29. Гоноровский И.С, Демин М.П. "Радиотехнические цепи и сигналы." // Радио и связь, 1994г.

30. ГОСТ 12252-86. Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы.

31. Громаков Ю.Л. Стандарты и системы подвижной связи. // Радио и связь, 1995.

32. Громаков Ю.Л. Стандарты систем сухопутной подвижной связи. // 1996г, 1997г.

33. Денисенко А.Н., Стеценко О.А. Теоретическая радиотехника. Детерминированные сигналы (методы анализа). // Москва, Издательство стандартов, 1993.

34. Калмыков В., Подвижная связь, эволюция к персональной связи. «Мобильные системы», N2, март-апрель 1997.

35. Крохин В.В. Информационно-управляющие космические радиолинии. Часть 1. //Москва, 1993.41 .Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. // Москва, «Радио и связь», 1989.

36. Лилеин А.Л., Романюк Ю.А. Быстрое вычисление свертки и ДПФ. // МФТИ, 1988.

37. Пестряков В.Б., Белоцкий А.К. Журавлев В.И., Сердюков П.Н. Дискретные сигналы с непрерывной фазой: теория и практика. // «Зарубежная радиоэлектроника», N4, 1988г.

38. Пучкин В. Системы мобильной связи стандарта DECT. // «Сети», N5, 1997. Http://www.opensystems.ru/nets/1997/05/l 13.htm.

39. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. //Москва, «Мир», 1978.

40. Радиоприемные устройства. (Под редакцией проф. А.П.Жуковского.) // Москва, Высшая школа, 1989.

41. Радиотехнические системы передачи информации, (под ред. В.В. Калмыкова). // Радио и Связь, 1990.

42. Ратынский МБ. Сотовая связь как система массового обслуживания. // «Мобильные системы», N2, март-апрель 1997.

43. Рекомендации МККР (Голубая Книга, серия RM, раздел 8). // МККР, 1993 г. Женева.

44. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. // Мир, 1990.

45. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. (под редакцией У.К.Джейкса) // Москва «Связь», 1979.