автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Оптимизация параметров фиксированных сетей широкополосного радиодоступа с учётом внутрисистемных помех

На правах рукописи

ПЕТРОВА Екатерина Александровна

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИКСИРОВАННЫХ СЕТЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО РАДИОДОСТУПА С УЧЁТОМ ВНУТРИСИСТЕМНЫХ ПОМЕХ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степеии кандидата технических наук

11 ДЕК 2014

005556638

Казань-2014

005556638

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

КОЗЛОВ Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ТЯЖЕВ Анатолий Иванович, ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», г. Самара, профессор кафедры радиосвязи, радиовещания и телевидения

доктор физико-математических наук, профессор РЯБОВА Наталья Владимировна, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технический университет», г. Йошкар-Ола, зав. каф. радиотехники и связи

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный

технический университет им. М.Т. Калашникова», г. Ижевск.

Защита диссертации состоится «30» января 2015 г. в 10 часов на

заседании диссертационного совета Д-212.288.07 на базе ФГБОУ ВПО

«Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу:

450000, г. Уфа, ул. К. Маркса,-12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» и на сайте нчеи'. upatu.su.

Автореферат разослан «28» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф. (¡Щ И.л. Виноградова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В последние годы развитие сетей широкополосного доступа получило новое ускорение. Основной причиной тому стали быстро развивающиеся рынки IP услуг, доступа к разнообразным мультимедийным услугам и т.д. Доступ к широкополосным мультимедийным услугам включён в перечень критических технологий Российской Федерации.

Одним самых динамичных сегментов этого направления являются сети широкополосного радиодоступа (ШПРД), позволяющие без больших капитальных вложений оперативно обеспечивать абонентов всем спектром имеющихся в настоящее время интернет услуг.

Эти сети базируются на ряде перспективных технологий широкополосной передачи данных, основанных на применении ортогонально-частотной модуляции (OFDM). Среди основных стандартов, используемых в сетях ШПРД, следует отметить различные версии стандарта IEEE 802.11, IEEE 802.16 и LTE. Все они используют для модуляции сигналов OFDM, а отличаются способом разделения каналов.

Применительно к фиксированным сетям связи наибольшее распространение в Российской федерации получил стандарт 802.1 In, обеспечивающий большую скорость передачи данных (теоретически до 260 Мб/с) при полосе в 20 МГц и невысокой стоимости оборудования.

Постоянно растущий спрос на услуги ШПРД в сочетании с указанными выше факторами приводит к резкому увеличению количества, как пользователей, так и операторов, что в условиях ограниченности выделенного частотного диапазона приводит к росту уровня взаимных помех.

Это обстоятельство усугубляется тем, что первоначально стандарты семейства 802.11, известные больше под названием Wi-Fi, разрабатывались для передачи данных в ограниченных областях внутри помещения и методы их планирования для задач ШПРД не рассматривались.

Анализ сети широкополосного радиодоступа стандарта 802.1 In, развернутой в г. Казани на базе оборудования российского производителя ООО «Инфинет», показал сильное влияние внутрисистемных помех на её потенциальные характеристики. Следовательно, повышение эффективности такой сети невозможно без учёта влияния вышеуказанного фактора.

Для корректного учёта влияния внутрисистемных помех необходимы реальные оценки уровней сигналов и помех, создаваемых другими каналами сетей ШПРД, для каждой из точек приёма, которые могут быть получены с использованием геоинформационных технологий.

Поэтому разработка методов, алгоритмов и реализующих их программных средств оптимизации параметров сетей широкополосного радиодоступа с учётом влияния внутрисистемных помех на базе геоинформационных систем, является актуальной задачей, имеющей существенное практическое значение.

Степень разработанности темы исследования. Анализу сетей ШПРД, обзору технологий OFDM, MIMO посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов. Среди них можно выделить труды Султанова А.Х.,

Савинкова А.Ю., Карташевского В.Г., Ворошилина Е.П., Крейнделина В.Б., Быховского М.А., Вишневского В.М., Громакова Ю.А., Шахновича И.В., к' Fazel, S. Kaiser, Н. Schulze, Y. Li, H. Rohling, A. Sibille, A.Zanella и др.

Вопросы распространения радиоволн (в том числе многолучевого распространения), частотно-территориального планирования и оптимизации сетей связи, телевидения, радиовещания нашли отражение в работах Бардина Н.И., Гуткина Л.С., Дымовича Н.Д., Быховского М.А., Одоевского С., Трифонова П.И., Хализова A.B., Сухова В.А., Галкина В.А., Камалова А.Э., Кириченко М.А., S.R. Saunders и др.

Геоинформационным системам (ГИС) и их применению для решения задач оптимизации и планирования сетей связи (как мобильных, так и фиксированных) посвящены работы Бугаевского JI.M., Бактеева В.Н., Винтера И.А., Выборнова О.В., Лурье И.К. и др.

Указанное направление также получило свое развитие на кафедре «Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем» КНИТУ-КАИ под руководством Линдваля В.Р. и Щербакова Г.И..

Следует отметить, что работы приведенных авторов направлены в основном на оптимизацию сетей мобильной связи, и предлагаемые ими решения не в полной мере учитывают специфику фиксированных сетей, рассматриваемых в этой работе.

Целью работы является повышение пропускной способности фиксированных сетей широкополосного радиодоступа путем снижения влияния внутрисистемных помех за счёт оптимизации параметров сети.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи, заключающиеся в разработке:

• модели описания реальной сигнально-помеховой обстановки (СПО) фиксированных сетей широкополосного радиодоступа, базирующихся на ортогонально-частотной модуляции, и метода определения ее параметров на основе анализа, выбора, коррекции и верификации модели прогнозирования потерь при распространении радиоволн;

• метода повышения пропускной способности реальных фиксированных сетей широкополосного радиодоступа с учетом внутрисистемных помех;

• критерия качества, обеспечивающего максимизацию пропускной способности сети и алгоритма оптимизации параметров сети;

• программного комплекса анализа нагрузки и оптимизации сетей широкополосного радиодоступа, реализующего предложенный алгоритм, и его апробации.

Объектом исследования являются фиксированные сети широкополосного радиодоступа.

Предмет исследования - методы и алгоритмы анализа, планирования и параметрической оптимизации фиксированных сетей широкополосного радиодоступа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• разработаны модель описания реальной сигнально-помеховой ( обстановки фиксированных сетей широкополосного радиодоступа,

базирующихся на ортогонально-частотной модуляции, отличающаяся тем, что единообразно учитывает поток внутрисистемных помех от всех базовых (БС) станций сети, и метод определения ее параметров на основе скорректированной и верифицированной модели прогнозирования потерь при распространении радиоволн;

• разработан метод повышения пропускной способности реальных фиксированных сетей широкополосного радиодоступа путем минимизации максимальной нагрузки на БС сети отличающийся тем, что повышение пропускной способности достигается с учётом требуемой абонентам скорости передачи данных;

• разработан метод оценки информационных скоростей передачи данных между БС и абонентскими комплектами (АК), отличающийся совместным учетом доли информационной составляющей в канальной скорости, и запаса по отношению к уровню сигнал/помеха;

• разработан критерий качества минимизирующий максимальную нагрузку на БС с использованием ГИС технологий и реализующий его алгоритм, отличающиеся тем, что они учитывают требуемую абонентам скорость и влияние внутрисистемных помех.

Теоретическая и практическая ценность работы. Разработанный метод повышения пропускной способности реальных фиксированных сетей широкополосного радиодоступа может быть применен для фиксированных сетей радиосвязи различного назначения. Разработанные модель описания сигнально-помеховой обстановки сетей широкополосного радиодоступа, базирующихся на ортогонально-частотной модуляции, и метод оценки информационной скорости позволяют учесть реальное влияние потока внутрисистемных помех на скорости передачи данных по сети.

Разработанные методика, алгоритм оптимизации сети широкополосного радиодоступа и реализующий его программный комплекс «NT_21Vek» позволяют снизить максимальную нагрузку на БС исследованного сегмента сети широкополосного радиодоступа стандарта 802.1 In более чем в 1,8 раза при росте пропускной способности на 20%. Этот выигрыш достигнут за счет снижения уровня внутрисистемных помех после оптимизации технических параметров базовых и абонентских станций с использованием геоинформационных технологий.

Методолопш и методы исследования. В работе используются: аппарат вычислительной математики, методы математического моделирования, методы расчета уровня потерь при распространении радиоволн, принципы объектно-ориентированного проектирования и программирования на языке Delphi.

Положения, выносимые на защиту.

1. Модель описания сигнально-помеховой обстановки фиксированных сетей широкополосного радиодоступа, базирующихся на ортогонально-частотной модуляции, позволяющая учитывать поток внутрисистемных помех от всех БС сети и метод определения ее параметров на основе анализа, выбора, коррекции и верификации модели прогнозирования потерь при распространении радиоволн.

2. Метод повышения пропускной способности реальных фиксированных сетей широкополосного радиодоступа, обеспечивающий учет требуемых абонентам скоростей передачи данных, путем минимизации максимальной нагрузки на БС сети.

3. Метод оценки информационной скорости и нагрузки на базовые станции сети широкополосного радиодоступа, реализующий их аналитическое вычисление с минимальным СКО и учетом сигналов и помех всех базовых станций.

4. Критерий качества, осуществляющий учет требуемых абонентам скоростей передачи данных и влияние внутрисистемных помех путем минимизации максимальной нагрузки на БС с использованием ГИС технологий, и реализующий его алгоритм.

5. Программный комплекс «МТ_21Уек» оптимизации сетей широкополосного радиодоступа, реализующий предложенный алгоритм и результаты его применения.

Степень достоверности результатов основана на построении адекватных математических моделей, корректном использовании существующего и разработанного математического аппарата, на проведении математического моделирования, разработанных алгоритмов с использованием экспериментально полученных реальных исходных данных, согласованности результатов моделирования и экспериментальных исследований, а также на фактах внедрения и использования полученных научно-технических результатов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

VII ежегодная международная научно-практическая конференция «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань, 2009);

XII Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТиТТ- 2011 (Казань, 2011);

XIV Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТиТТ- 2013 (Самара, 2013).

Основные результаты работы использованы при планировании сети широкополосного радиодоступа оператора связи ООО «Новые технологии XXI века» и в учебном процессе КНИТУ-КАИ, что подтверждается актами об использовании результатов диссертационной работы.

Личный вклад автора. Основные научные положения, результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, получены автором впервые и лично.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ:

- 5 статей в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК;

- статьи и тезисы докладов в трудах 6 международных конференций.

Структура работы. Диссертация включает в себя: введение, четыре

главы, заключение, список использованной литературы, приложения. Работа изложена на 98 страницах, содержит 41 рисунок и 11 таблиц. Список литературы включает 103 пункта.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель работы и задача исследований, научная новизна и практическая ценность. Проведен обзор существующих работ по теме исследования. Также приведены сведения о структуре диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ и синтез методов и алгоритмов описания сигнально-помеховой обстановки в сетях широкополосного радиодоступа» рассматриваются модель сигнала и модель помех OFDM систем, методы описания сигнально-помеховой обстановки и определения ее параметров, на основе анализа, выбора, коррекции и верификации модели прогнозирования потерь при распространении радиоволн.

Существующие модели широкополосных OFDM сигналов рассматривают их как совокупность большого количества узкополосных ортогональных сигналов. Однако в реальных условиях даже для фиксированных сетей связи, имеющих более чем одно передающее устройство, условия ортогональности сигналов часто нарушаются, что приводит к росту внутрисистемных помех. Поэтому необходимо разработать модель, обеспечивающую единообразное корректное описание СПО в каналах с OFDM.

Представленная в первой главе модель описания сигнально-помеховой обстановки принципиально отличается от представленных в литературе тем, что в ней учитываются помехи не только от элементов системы работающих в том же частотном канале, но и других элементов системы, входящими в рассматриваемую сеть.

В работе рассматривается сеть, состоящая из / = \,L - приемных устройств и т = 1,М передающих. Для неё сигнал на входе 1-го приемника представляется как:

z'o)=zitRekt<* „('"$)) m

к I=1jb=1 9=1 > V1'

■u{t-t%,-Tp,TD)}+n(t)

где I" - количество используемых для передачи поднесущих;

A'iqm - комплексная амплитуда q-то луча q = l,Q сигнала от-го передатчика на входе / -го приёмника на i-ой поднесущей;

хЦ - модулированный к -ый кодовый символ m -го передатчика, соответствующий /-ой поднесущей;

t^ - время прихода q-го луча к -го кодового символа от m -го передатчика на вход /-го приёмника;

v(tT T)4

[О, (/ <-7l)U(< > T+) ' ПрЯМ0уг0льньш импульс с временем начала Т_ и конца Т+

TD - длительность OFDM символа;

Тр - длительность циклического префикса;

n(t) - реализация белого гауссова шума.

При работе одного передающего устройства и задержке отдельных лучей не превышающей длительности циклического префикса, все сиг™ существуют в пределах одного символа. В этом случае не воз™ межсимвольнои интерференции, и все искажения сигнала описываются толь™ множителем канала, который может быть оценен при передаче преамбулы и затем учтен при приеме полезного сигнала. н^моулы и

В связи с^синхронностью работы различных передающих устройств при

™ТгИИ °FDM СИМВ°Ла ОТ т"Г° пеРеда[°Щего устройства ^интервале

анализа TD могут присутствовать сигналы двух соседних кодовых символов:

Iй

' M о , .

z?«)=z -схрОЧЛ'-^))-

M m'<=lq=l

4 - , TD )+i(T;+1). exp(jam, (, _ (2)

4 -)>-T„, TD )}• u{t - tjr ,0, TD )+ „(,)

В работе получено выражение для определения помехового сигнала у1.кЕ

ГиЫХ0Де '"0Г0 КаНЗЛа Приёмного Устройства при воздействии внутрисистемных помех: м щ"

/ М Q Г У*Е= I -S-сопп,0,TD -А/'Г')+

m =l ,=lî=l /

m*m , (J )

*'"(M)-S°{a}im,-a)rmJD -Д^фГд)]

где Su(a,T_,T+) . спектр прямоугольного импульса v(t T T ) a /" количество поднесущих используемых m' -ым передающим у стройном

Для гауссовой модели помех и при одновременной работе всех передающих устройств с одинаковым количеством поднесущих определена дисперсия помехи r-ого канала: определена

М — 2 = M -fm),

у'гкв ~ (4)

м'=1 m'f-m

где А'т. - средняя мощность сигнала от /«'-го передатчика на входе 1-го приемника, /т. - частота передатчика помехи, /„„ - частта поднесущей, на

которой осуществляется передача, К{/) - функция учитывающая влияние помехи, рассчитываемая по следующей формуле:

Г(2-/-1)

/То+Г

Kifh z

<=/.rD+i

3-/

-,при/' = 0

i-i I

Л4=1

1-COS

2-я-i-Arl^

,(5)

при (' * О

/V

где I - общее количество поднесущих, используемых в OFDM сигнале, At'k -возможная задержка передачи OFDM символа, от момента его приёма.

На основе полученного выражения определено отношение сигнал/помеха на входе канального демодулятора:

Ksl-JL1

У пп

М

(6)

2Х ■K{/m.-fml)+CT2n

т'=1 т'Фт

-I 2

где Ksr = ™ - коэффициент, учитывающий вызванное многолучевым

распространением отличие мощности полезного сигнала на г -ой поднесущей, от средней мощности.

—¡2

Параметры Ат , входящие в выражение (б), для фиксированных систем широкополосного радиодоступа могут быть оценены с использованием моделей распространения радиоволн.

В соответствии с заданной областью применения был проведен анализ рекомендованных для данного частотного диапазона моделей распространения, таких как:

-модель «свободного пространства»; -рекомендация МСЭ-Я Р.1410-5; -рекомендация МСЭ-11 Р.1411-5.

Для верификации моделей в точках расположения АК были проведены замеры уровня сигнала с помощью тестового программного обеспечения оборудования БкуМал от отечественного производителя 1пА№1. В тех же точках был проведен расчет мощности полезного сигнала с помощью выбранных моделей.

Наилучшее совпадение с экспериментальными данными продемонстрировали модель «свободного пространства» и рекомендация МСЭ-Я Р.1411-5. Рекомендация МСЭ-11 Р.1410-5, предназначенная для проектирования наземных широкополосных систем радиодоступа, работающих в полосе частот от* 3 до 60 ГГц, в ряде точек дает сильное превышение уровня потерь и далее не рассматривалась.

В рекомендации МСЭ-11 Р. 1411-5 существует ограничение на высоту подвеса антенны АК Ит < 1гг, где 1гг - средняя высота зданий. В анализируемой

реальной сети широкополосного радиодоступа это условие часто не выполняется. Поэтому было предложено откорректировать выражение для расчета потерь Ьт:

Ьга = -8.2 ~Ю1о810(и')+101о§10(/)+ /с{1оё|0(Л,.)-1оё10(/г,„))+ ¿0„.. (7) Неизвестный коэффициент к был оценен с использованием метода минимума СКО на основе экспериментальных данных, к = 40.

Результат сравнения расчетных значений, полученных с помощью модели «свободного пространства», скорректированной и двумя вариантами классической рекомендации МСЭ-Я Р.1411-5, с экспериментальными данными представлен на Рис.1 и Рис.2.

^ ->ь, ^ Ъь 4> (0- ^ о"5 о* ^

Название АК

I Ксс.ГШ-К Р. 1411_Ме%у-Кеа1__Ю>М В Rix.lTl.i-K Р.526-кса1_КЧ.Ч1 ■ Ргее 8расе-Кеа1.

Рисунок 1 - Отношения мощности сигнала, рассчитанной по моделям к уровню сигнала, полученному экспериментально, в точках расположения АК

15

« 10 5

1-5 |-10 £-15

-20

ЕЖ... . I.______ ______ _ П Гк

1 ■1 1 Щ - 1 Г ' 11 ■ ■

£ Я , *, £ Ж «? ¿Ь Ь\ * ф $ Л Ь л Л Л Л, Л

г ¿у' '

Название АК 1

0 Яес.1"П1-Я Р.1411-5-Яеа1 РЭЭ!

1Нес.1Ти-Р Р.1411-5 №\«-Р?еа1 РЭв!

Рисунок 2 - Отношения мощности сигнала, рассчитанной по моделям к уровню сигнала, полученному экспериментально, в точках расположения АК Анализ среднеквадратического отклонения экспериментальных и расчетных данных показал, что наилучшее соответствие с реальными

значениями, обеспечивает скорректированная рекомендация МСЭ-Я Р. 1411-5 с сг = 4.65 дБ (для исходной рекомендации МСЭ-И. Р.1411-5 с использованием модели дифракции на большом количестве экранов сг = 5.99 дБ, с использованием модели дифракции у острого края (МСЭ-Я Р.526-12) сг = 6.97 дБ, для модели «свободного пространства» сг = 6.37 дБ).

Таким образом, из всех рассмотренных моделей распространения, скорректированная модель даёт наилучшее приближение к реально измеренным значениям, и дальнейшие расчеты проводились на её основе.

Во второй главе «Определение метода повышения пропускной способности фиксированных сетей ШПРД» обосновано, что повышение пропускной способности реальных сетей обеспечивается минимизацией максимальной нагрузки на БС, а также предлагается метод определения информационной скорости.

Для сети связи её пропускную способность в единицу времени можно определить как максимальное значение суммарной информационной скорости по всем элементам сети. Пропускная способность определяется стандартом сети, её организацией и сигнально-помеховой обстановкой в канале связи.

Тогда, в предположении о доминировании нисходящего трафика, указанная пропускная способность будет определяться как максимум суммы информационных скоростей передачи данных всеми БС на все АК.

{м I 1

к (8) т=1 /=1 )

где V - вектор управляемых переменных.

Однако в реальных сетях требуемые информационные скорости для разных АК могут быть различны и никак не соотносятся с достижением максимума пропускной способности в смысле (8).

В этом случае может получиться, что для некоторых БС требуемая информационная скорость будет больше максимальной, т.е. они будут «перегружены», а для некоторых существенно меньше и они окажутся «недогруженными».

Для учёта реальных скоростей необходимых абонентам, рассмотрим нагрузку, оказываемую АК на БС, в смысле процента времени занятия им канала связи, создаваемого БС. Такую нагрузку можно выразить в Эрлангах и вычислить как:

утао V 1т

где УЦЦ0 - заданная (требуемая) скорость передачи данных с т -ой БС на / -ый АК, а - информационная скорость передачи между «-ой БС и /-ым АК.

Тогда логично предположить, что общая нагрузка на БС , определяемая суммой нагрузок, оказываемых всеми подключенными АК, должна быть меньше некоторого максимального значения СМах < 1, где

величина 1 - СМах определяет запас по нагрузке на передачу данных в обратном канале:

= < СМах < 1, т = йм (10),

/=1

Минимизация обеспечивается максимизацией информационных

скоростей передачи данных, входящих в (9), и тем самым обеспечивает максимизацию пропускной способности (8).

В отличие от (8), минимизация нагрузки:

обеспечивает максимизацию запаса ресурсов сети, т.е. максимизацию её пропускной способности с учётом реального распределения нагрузки.

Таким образом, для максимизации пропускной способности реальной сети с использованием выражения (11), нам необходимо найти метод вычисления информационной скорости передачи данных между т-ой БС и /-ым АК .

На величину V^ влияет большое количество параметров, точное определение которых в реальных условиях невозможно. В работе предложен метод оценки информационных скоростей передачи данных между БС и АК на основе расчета канальной скорости передачи Vlm, предполагающий линейную зависимость между указанными скоростями.

(12)

где кх - коэффициент, учитывающий долю информационной составляющей в канальной скорости передачи.

Рассмотрены способы оценки канальной скорости передачи с использованием схем модуляции и кодирования MCS и формулы Шеннона для пропускной способности канала связи с АБГШ. Анализ среднеквадратического отклонения экспериментальных и расчетных данных показал, что расчет информационной скорости на основе формулы Шеннона имеет небольшое преимущество перед способом с использованием схем MCS.

Еще одним фактором, влияющим на информационную скорость передачи, является многолучевое распространение радиоволн, которое приводит к различному уровню отношения сигнал/помеха на различных поднесущих OFDM сигнала.

Для дополнительного уменьшения СКО оценок на основе формулы Шеннона предложен метод, учитывающий совместное влияние кл и коэффициента запаса по отношению к уровню сигнал/помеха Г.

В этом случае выражение для оценки реальной информационной скорости передачи V.fJ^ можем записать:

Уы « кх ■ £ log2 (rL у~ кх ■^ • / " • log2 (Г) (13),

Неизвестные параметры кл и Г для сети определённого стандарта,

развернутой в определённых условиях, можно считать постоянными и оценить при помощи критерия минимума СКо.

Результат сравнения информационной скорости передачи, рассчитанной по формуле (13), с учетом кх и Г и экспериментальных данных представлен на эисунке 3.

0,00

Название АК oVreai вУ1шшсГ

Рисунок 3 - Сравнение информационной скорости передачи, рассчитанной но формуле (13), с учетом кл и Г и экспериментальных данных.

10,00

60,00

й

jf 50,00

5

ф*

2 ЭД.оо ^ 30,00

«3

I

«2 20.00 5

Анализ среднеквадратического отклонения экспериментальных и

расчетных данных показал, что минимальное его значение a = 7.4 Мб/с

достигается для модели расчета информационной скорости v£K по формуле

(13), с учетом величины SNR Gap, поэтому дальнейшие расчеты проводились на ее основе.

В третьей главе «Разработка критерия качества минимизирующего максимальную нагрузку на БС и реализующего его алгоритма» определяется критерии оптимизации, ограничения на управляемые переменные и производится разработка алгоритма оптимизации.

Как уже говорилось в главе 2, максимизация пропускной способности реальных сетей широкополосного радиодоступа обеспечивается при минимизации нагрузки .

Фиксированными параметрами при решении задачи оптимизации являются указанные в частотно-территориальном плане координаты размещения АК (xhyt) и БС (хп,ут), высоты их подвеса, номиналы рабочих частот и определенные договорами с клиентами заданные скорости передачи данных V™ от каждой БС до каждого АК.

Управляемыми переменными при оптимизации являются мощности излучения БС Р£с и азимуты антенн , afK.

В этом случае критерий оптимизации может быть записан следующим образом:

Р'

Э'л .А (14)

где Ртш < Р,ЦС < Ртах, а^ < аБС < а?„с ,а?к < а?к < а?к .

¡тип г/1 тш. "'тт т '"щах 1 тт 1 1тах

Ограничения по мощности выбирались на основе технических характеристик оборудования. Направления азимутов АК и БС условиям обеспечения связи с использованием только главных лепестков диаграмм направленности антенн.

Значения С О? может быть вычислено:

/=1

(15)

/и'=1

где V = (р,лг,...,Рм',...,а*к,а"',...,а^ ) - вектор управляемых переменных, К'{т - потери при распространении сигнала от т-ой БС до /-го АК, Г,(а) - диаграммы направленности антенны 1-го АК; Рт(а) - диаграммы направленности антенны т -ой БС.

Анализ целевой функции показал, что она является многоэкстремальной и гладкой. Поэтому для нахождения каждого локального минимума был применен метод градиентного спуска. Окончательное решение определялось путем перебора полученных локальных минимумов.

Для решения поставленной задачи был разработан алгоритм оптимизации параметров сети. Разработанный алгоритм определяет для каждой базовой станции перечень работающих с ней абонентских комплектов, информационные скорости передачи данных с учетом внутрисистемных помех на основе выражения (13), рассчитывается нагрузка, оказываемая каждым АК на выбранную БС С^ (9) и общая нагрузка на БС С„с (10).

Далее осуществляется поиск локального минимума методом градиентного спуска до тех пор, пока не выполняется условие |УС| < е.

Также был разработан упрощённый алгоритм исключения перегрузок БС, в котором производится минимизация только БС с нагрузкой больше СМах

(перегруженных БС) и добавлено условия окончания < СМах для всех т = \,М.

В четвертой главе «Программный комплекс «МТ_21 Уек» для решения задач оптимизации параметров сети широкополосного радиодоступа» приводятся описание разработанного программного комплекса, предназначенного для планирования и оптимизации параметров сетей

i'ffib'm" мааз

■isiiiT«......7dsi3

■¡'ieb'sn ' Ж121

■Ш96 191998

широкополосного радиодоступа, на базе предложенных алгоритмов, и результаты его апробации.

Для планирования и оптимизации сетей широкополосного радиодоступа была разработана в среде программирования Delphi, с использованием API интерфейса ГИС «Карта-2011» DLL «NT_21Vek».

В процессе работы в программном комплексе заполняются базы данных

(БД), содержащие параметры сети ШПРД (рис.4).

- ~ ................

Рисунок 4 - Базы данных по базовым станциям и абонентским комплектам.

С помощью программного комплекса приведено решение задачи оптимизации технических параметров секторов базовых станций и абонентских комплектов фрагмента сети связи ООО "Новые технологии XXI века", работающего в диапазоне частот б ГГц по критерию минимума максимальной нагрузки БС.

По результатам анализа максимальная нагрузка на БС в сети равна 1,65, а пропускная способность сети Я8 = 767 Мб/с. После проведенной оптимизации, реализованной по разработанному алгоритму, максимальная нагрузка снизилась до 0,89, а пропускная способность сети увеличилась до Я5 = 926 Мб/с. Сравнение параметров БС исходной и оптимизированной сети - в таблице 4.

Таблица 4. Параметры БС до и после оптимизации.

БС Параметры до оптимизации Параметры после оптимизации

Р%с,дБм БС ат , градусы Рт5С,дБм а£С, градусы

БС-2 20 216 20 192

БС-2 20 290 22 280

РРС-2 20 304 23 304

РРС-2 20 108 18 108

БС-2 20 345 15 13

РРС-2 20 209 18 209

Предложенная методика, разработанный алгоритм и реализующий его программный комплекс позволяют снизить максимальную нагрузку на БС исследованного сегмента сети широкополосного радиодоступа стандарта 802.1 In более чем в 1,8 раза при росте пропускной способности на 20%. Этот выигрыш достигнут за счет снижения уровня внутрисистемных помех после оптимизации технических параметров базовых и абонентских станций с использованием геоинформационных технологий. Полученный результат достигнут за 1486 итераций.

При использовании алгоритма исключения перегрузок БС сети широкополосного радиодоступа для СШх =0.98. Число необходимых итераций составило 419.

Программный комплекс «NT_21Vek» используется в ООО «Новые технологии XXI век», а также в учебном процессе Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева на кафедре радиоэлектронных и телекоммуникационных систем при подготовке студентов направления «Телекоммуникации» специальностей «Многоканальные телекоммуникационные системы» и «Средства связи с подвижными объектами».

В заключении обобщены основные теоретические и практические результаты диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационного исследования были решены поставленные задачи и получены следующие результаты:

1. Разработаны модель описания сигнально-помеховой обстановки реальных сетей широкополосного радиодоступа, базирующихся на ортогонально частотной модуляции, позволяющая определить отношение сигнал/помеха для каждой поднесущей и метод определения ее параметров на основе анализа, выбора, коррекции и верификации модели прогнозирования потерь при распространении радиоволн. Проведен анализ среднеквадратического отклонения результатов расчета уровня сигнала, полученных с помощью программного комплекса «NT_21 Vek», с измеренными значениями в тех же точках, которое составило а = 4.65 дБ.

2. Разработан метод повышения пропускной способности реальных фиксированных сетей широкополосного радиодоступа путем минимизации максимальной нагрузки на базовые станции сети, позволяющий учесть требуемые абонентам скорости передачи данных.

3. Разработан метод оценки информационных скоростей передачи данных между БС и АК на основе расчета канальной скорости передачи с использованием формулы Шеннона для пропускной способности канала связи с АБГШ, предполагающий линейную зависимость между указанными скоростями и оценку влияния многолучевого распространения на основе SNR Gap. Проведено сравнение полученных результатов с реальными значениями, показавшее среднеквадратическое отклонение оценки в 7.4 Мб/с.

4. Разработан критерий минимизации максимальной нагрузки на БС обеспечивающий повышение пропускной способности фиксированных сетей широкополосного радиодоступа путем изменения мощностей БС и направлений азимутов антенн БС и АК. Показано, что целевая функция в области оптимизации является многоэкстремальной и гладкой. Разработаны алгоритмы оптимизации и исключения перегрузок БС сети широкополосного радиодоступа на основе метода градиентного спуска.

5. Разработан программный комплекс для анализа и оптимизации сетей широкополосного радиодоступа, реализующий предложенный алгоритм. Программный комплекс «NT_21Vek» применен при оптимизации сети широкополосного радиодоступа оператора связи ООО «Новые технологии XXI века» и позволил снизить максимальную нагрузку на БС сети более чем в 1,8 раза при 20% росте пропускной способности сети.

Перспективы дальнейшей разработки темы. В рамках дальнейших исследований планируется учесть вероятностный характер наложения внутрисистемных помех, приводящий к не гауссовскому распределению отсчётов сигналов на входе приёмного устройства, дополнить модель учётом межсистемных помех, а также учесть влияние маршрутизации на уровень внутрисистемных помех.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Прогнозирование уровня сигнала в городе с неравномерной и разновысотной застройкой для сетей сотовой связи стандарта CDMA/ O.B. Выборное, C.B. Козлов, Е.А. Спирина, Е.А. Петрова, Е.В. Ларин //Нелинейный мир. - 2013.-Т. 11.№3.-С.180-185.

2. Планирование и оптимизация сетей широкополосного радиодоступа/ C.B. Козлов, Е.А. Петрова //Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2013. - №4. - С.147-151.

3. Оценка гарантированной информационной скорости передачи в сетях широкополосного радиодоступа с учетом внутрисистемных помех/ Е.А. Петрова//Нелинейный мир. - 2014. - Т. 12. № 10. - С.14-17.

4. Уменьшение влияния внутрисистемных помех в сетях широкополосного радиодоступа с использованием программного комплекса «NT_21Vek»/ Е.А. Спирина, Г.И. Щербаков, Е.А. Петрова //Нелинейный мир. -2014.-Т. 12. № 10. - С.18-21.

5. Оценка гарантированной информационной скорости передачи в сетях широкополосного радиодоступа с учетом внутрисистемных помех/Е.А. Петрова //Журнал радиоэлектроники.-2014,- №10. - http://jre.cplire.rU/jre/octl4/7/text.html (дата обращения: 24.10.2014)

Статьи и материалы конференций

6. Определение расположения базовых станций инфокоммуникационных систем по трассовым измерениям с использованием геоинформационных технологий./ Г.И. Щербаков, В.Р. Линдваль, C.B. Козлов, Е.А. Спирина, Е.А. Петрова, Е.В. Ларин //Высокие технологии, образование, промышленность: сборник статей одиннадцатой международной научно-

практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург, - 2011 .-Т.З.-С.224-226.

7. Восстановление уровня поля на контролируемой территории по трассовым измерениям с использованием геоинформационных технологий./ Г.И. Щербаков, В.Р. Линдваль, C.B. Козлов, Е.А. Спирина, Е.А. Петрова //Физика и технические приложения волновых процессов: материалы IX международной научно-технической конференции. - Челябинск, - 2010.-С.154-155.

8. Планирование и оптимизация сетей широкополосного радиодоступа на базе протокола 802.11п./ C.B. Козлов, Е.А. Спирина, Е.А. Петрова //Проблемы техники и технологий телекоммуникаций (ПТиТТ-2013): материалы XIV международной научно-технической конференции. - Самара, 2013.-С.421-423.

9. Территориальное планирование и оптимизация сетей связи и вещания с использованием геоинформационных технологий по фактору электромагнитной безопасности./ Г.И. Щербаков, В.Р. Линдваль, Е.А. Спирина, А.Е. Едельсков, Е.В. Нуждин, Е.А. Горячева (Петрова)// Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества: материалы VII ежегодной международной научно-практической конференции. -КГУ, Казань. - 2009.-С.146-149.

10. Анализ сетей широкополосного радиодоступа на базе протокола 802.11 п./ О.В. Выборное, М.А. Гаптрахманов, Е.А. Петрова, Е.А. Спирина //Проблемы техники и технологий телекоммуникаций (ПТиТТ-2013): материалы XIV международной научно-технической конференции. - Самара.-2013.-С.424-426.

11. Предсказание параметров лучей при многолучевом распространении сигналов систем с кодовым разделением каналов в городских условиях./ Е.В. Ларин, Е.А. Петрова/,'Проблемы техники и технологий телекоммуникаций (ПТиТТ-2011 ): материалы XII международной научно-технической конференции. - Казань. - 2011.-С.405-406.

Диссертант

ПЕТРОВА Екатерина Александровна

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИКСИРОВАННЫХ СЕТЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО РАДИОДОСТУПА С УЧЁТОМ ВНУТРИСИСТЕМНЫХ ПОМЕХ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.11.2014. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Формат 90x64 1Л6. Усл.печ.л. 1,3. Уч.-издл. 1,25. Печать ризографическая. Тираж 100 экз. Заказ 11/22. Издательство ООО «Новое знание» 420029, г.Казань, ул.Сибирский тракт, 34, корпус 10, помещение 6.

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфическом участке ООО "Новое знание". 420029, г.Казань, ул.Сибирский тракт, 34, корпус 10.