автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Прикладные задачи проектирования радиосетей

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи Экз.№ £

КОВАЛЬ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ

(ПРОГРАММНЫЙ АСПЕКТ)

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Соколов А.Г.

[Гшгт^щщ^ I,......................' I

МОСКВА 1998

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................5

ГЛАВА 1: АНАЛИЗ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ................10

1.1. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ........................................................11

1.2 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ...........................................................................................................12

1.3. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ..............................................................................................................15

1.4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ.........................................................................15

1.4.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ......................................................................15

1.4.2.ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАТЕМЕТИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ......................23

1.4.2.1. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ.............................................23

1.4.2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ И ПРЕДСКАЗАНИЕ УРОВНЯ ПРИНИМАЕМОГО СИГНАЛА В ОКРЕСТНОСТИ РАДИОСТАНЦИИ.................................................................................................. 24

1.4.2.3.РАСЧЕТ БЛИЖНИХ И ДАЛЬНИХ ПОМЕХ............................................25

1.4.2.4.0ЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЛИНИИ.................25

1.4.3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АППАРАТНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ.....................................................26

1.4.4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОГРАММНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ...................27

1.4.4.1 ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОМУ ИНТЕРФЕЙСУ.................27

1.4.4.2 ТРЕБОВАНИЯ К РЕАЛИЗАЦИИ ИНТЕФЕЙСА С ИСХОДНЫМИ

ДАННЫМИ.............................................................................................................28

1.4.4.2 ТРЕБОВАНИЯ К РЕАЛИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ28 1.4.4.3.ТРЕБОВАНИЯ К РЕАЛИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЕМ..........................................................................................29

1.5. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ..........................................................29

ГЛАВА 2: РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ...............................................................................................................31

2.1. РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОСЕТЕЙ.....................32

2.2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПОДСИСТЕМ.......................................................33

2.2.1. СТРУКТУРА ПОДСИСТЕМЫ БАЗ ДАННЫХ..............................................33

2.2.1.1. СТРУКТУРА БАЗЫ ДАННЫХ О МЕСТНОСТИ....................................34

2.2.1.2. СТРУКТУРА БАЗ ДАННЫХ ОБОРУДОВАНИЯ....................................40

2.2.2. СТРУКТУРА ПОДСИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ....................................41

2.2.2.1.АЛГОРИТМЫ БЛОКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ.........................................................................................................43

2.2.2.2.АЛГОРИТМЫ БЛОКА ПОСТРОЕНИЯ ПРОФИЛЯ РАДИОЛИНИИ.....46

2.2.2.3.АЛГОРИТМЫ БЛОКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛА В

ЗАДАННОЙ ОКРЕСТНОСТИ...............................................................................52

2.2.2.4. АЛГОРИТМЫ БЛОКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ

РАДИОСТАНЦИИ..................................................................................................54

2.2.3. СТРУКТУРА ПОДСИСТЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ.......................................58

2.2.3.1. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЕМ....................59

2.2.3.2. ОБЪЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.............................................................60

2.3. ВЫБОР АППАРАТА ПРОГРАММИРОВАНИЯ.................................................60

2.4.ВЫВОД Ы................................................................................................................62

ГЛАВА 3: ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ...........................................................................63

3.1. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ КЛАССОВ ПОДСИСТЕМ....................................64

3.1.1 .РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ КЛАССОВ ПОДСИСТЕМЫ БАЗ ДАННЫХ.. 64

3.1.1.1. КЛАССЫ И ЛОГИКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БАЗ ДАННЫХ ОБОРУДОВАНИЯ..................................................................................................64

3.1.1.2. КЛАССЫ И ЛОГИКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ МЕСТНОСТИ..........................................................................................................65

3.1.2.РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ КЛАССОВ И ЛОГИКИ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ........................66

3.1.3. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ КЛАССОВ И ЛОГИКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ...........................67

3.2. ОПИСАНИЕ КЛАССОВ ПОДСИСТЕМЫ БАЗ ДАННЫХ.................................69

3.2.1. ОПИСАНИЕ БАЗ ДАННЫХ ОБОРУДОВАНИЯ...........................................69

3.2.1.1. КЛАСС ТОе\\Ы(файл Antview.li)............................................................70

3.2.1.2. КЛАСС ТЕ(ВДЪ(1(файл Antedit.li)..........................................................71

3.2.1.3. КЛАСС ТЕаШЭДфайл Editdlg.li)............................................................72

3.2.1.4. КЛАСС АхЕЙа1о§ (файл Antenna.li)...........................................................72

3.2.2. ОПИСАНИЕ КЛАССОВ БАЗЫ ДАННЫХ МЕСТНОСТИ............................74

3.2.2.1.КЛАСС ТАгеа(файл Area.li)........................................................................74

3.2.2.2.КЛАСС Моуе^^т(файл Моуе\ут.срр).......................................................75

3.2.2.3.КЛАСС ТМар\^ик1о\у(файл Rpsmap.li)......................................................77

3.3.ОПИСАНИЕ КЛАССОВ ПОДСИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ........................78

3.3.1.КЛАСС ТЬОБСфайл Ьоз.срр)............................................................................78

3.3.2.КЛАСС ТРай(файл Rpspath.li).........................................................................79

3.3.3.КЛАССЫ РБЬР и САЬС(файлы 81р2.срр, Б1р3.срр)........................................80

3.3.4.КЛАССЫ ТО^е, ТО^еССН^ ТО^е^ап^ Т01^еАОТ(файл О^и^ет.срр)...............................................................................................................82

3.4.0ПИСАНИЕ КЛАССОВ ПОДСИСТЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ...........................83

3.4.1. КЛАСС Т1та§е (файл Basic.li).........................................................................83

3.4.2. КЛАСС ТБ^(файл Basic.li)...........................................................................86

3.4.3. КЛАСС Т8гайоп (файл Зкез.Ь)........................................................................87

3.4.4. КЛАСС ТБке (файл Sites.li).............................................................................90

3.4.5. КЛАСС ТШе (файл Lines.li).........................................................................98

3.4.6. КЛАСС ТОЬ81ас1е (файл Obstacle.li)..............................................................104

3.4.7. КЛАСС ТЕхйаЬозе (файл Loses.li)................................................................107

3.4.8. КЛАСС Т8ш££Мапа§ег (файл Manager.li)......................................................112

3.5. ВЫВОДЫ.............................................................................................................135

ГЛАВА 4: ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ...................................................................136

4.1.АНАЛИЗ СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАДИОСВЯЗИ В САХАЛИНСКОМ РЕГИОНЕ....................................................................................................................137

4.1.1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ....................................................137

4.1.2.РАСЧЕТ УРОВНЯ СИГНАЛА РАДИОСТАНЦИИ НА ВХОДЕ ПРИЕМНИКА МОБИЛЬНОЙ ИЛИ НОСИМОЙ СТАНЦИИ...............................142

4.1.3.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН ОБСЛУЖИВАНИЯ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ...........................................................142

4.2.СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЕТА..........................146

4.3.ВЫВОД Ы..............................................................................................................154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................155

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................159

ПРИЛОЖЕНИЯ (брошюруются отдельно)

ВВЕДЕНИЕ

В начале 70-х годов микроэлектронная промышленность вступила в новую эру. Микропроцессоры и миникомпьютеры начинают использоваться для контроля сложных процессов и проведения объемных вычислений, потребляя при этом небольшую энергию, существенно уменьшившись в размерах. Все это не могло не отразиться на системах связи. Переход на сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) сделал возможным построение сравнительно недорогих систем телекоммуникаций. И несмотря на то, что теоретические основы подвижной связи были разработаны еще в начале 70-х годов, только с 1979 стало возможным построение систем подвижной связи (Illinois Bell Telephone Co.). Пройдя значительный путь развития, системы телекоммуникаций в настоящее время переживают стремительный подъем, ввиду того, что они соединились в своем развитии с информационными технологиями. Растет интерес к разработке и вводу в действие систем связи, представляющих пользователям повышенные информационные услуги. Одним из перспективных направлений развития способов связи является беспроводная связь. На сегодняшний день это: системы персонального радиовызова, транкинговые сети, сотовые сети, на основе разделения частот (FDMA), времени (TDMA) и кодового разделения каналов (CDMA) с мультидоступом. И в этой связи возникает потребность в средствах, с помощью которых возможно проектирование сетей такого рода. Помимо этих сравнительно новых отраслей связи потребность в автоматизированном проектировании испытывают сети радиовещательных и телепередающих станций.

Одной из программных задач систем проектирования телекоммуникационных сетей является проектирование радиолиний, включающее в себя расстановку станций на местности, учет препятствий, учет параметров местности, учет возможного изменения местоположения объектов. Радиолиния создается на основе расчетных данных об уровне принятого сигнала, потерях распространения в радиолинии, анализа надежности радиолинии и др. многочисленных факторов. В результате становится возможным получение эффективной расстановки станций на местности, с целью обеспечения максимального числа пользователей.

Рынок телекоммуникаций во всем мире и, в частности, в России бурно развивается. Основной тенденцией является переход к общим международным стандартам, построение глобальной системы международных коммуникаций. Решаются задачи унификации стандартов связи и объединения сетей связи в единую систему. В недалеком будущем в полной мере будет реализовано стремление пользователей связи к "глобальной подвижности" и к "мультимедийности" подвижной связи. Сегодня можно говорить о предпочтении, которое отдается сложным конфигурациям многокомпонентных соединений, при которых пользователь, подключив портативный компьютер к терминалу (подвижной станции) сможет участвовать в сеансах видеоконференций с несколькими абонентами, а также подключаться в сети через телефонные линии. Здесь необходимо отметить тенденцию к интеграции средств подвижной связи и интеллектуальной сети связи на уровне сетевых платформ (имеется в виду проект ETSI CAMEL). Предполагается наличие встроенной аппаратно-программной поддержки функциональных возможностей CAMEL(GSM2+).

До 1991 года в России системы подвижной связи создавались и развивались в интересах служебной деятельности государственных структур. При этом в отечественных системах использовались свои стандарты и разработанные на их основе системы связи. В связи с этим важным этапом развития беспроводной связи в России является ее интеграция в общеевропейскую систему. Министерством Связи и, впоследствии Госкомсвязи России, разработаны и отражены в принятых концепциях следующие принципы: принцип формирования дополнения и расширения систем подвижной связи, принцип планирования частотного спектра, требования по присоединению к телефонной сети общего пользования, принципы финансирования организации систем подвижной связи. Сейчас уже можно говорить о подвижной связи, как о самостоятельной подотрасли.

Поскольку Россия переживает в настоящий момент бум в области построении сетевых систем телекоммуникаций, актуальной является задача проектирования всевозможных сетевых систем беспроводной связи.

За рубежом в настоящий момент на рынке систем автоматизированного проектирования радиосетей действует достаточно много компаний: Mobile Systems International, EDX Engineering, Qualcomm, Comsearch и др.. Несмотря на это интерес к

подобным системам проектирования продолжает расти не только с точки зрения их использования, но и с точки зрения создания новых систем, реализующих новые возможности компьютерных систем, современные подходы к программированию, а также учитывающие тенденции развития систем проектирования телекоммуникаций.

Цены на иностранные средства проектирования радиосетей достаточно высоки. Разработанные, в основном под платформу UNIX, системы проектирования радиосетей достаточно дороги в эксплуатации и также требуют закупки рабочих станций, которые также стоят недешево. Средства проектирования радиосетей ориентированные на платформу PC на рынке представлены очень бедно. И в свете возрастающих ресурсов персональных компьютеров переход на новую платформу оказывается перспективным как в плане цены на продукт в целом, так и в плане аппаратного обеспечения.

Отечественные продукты на Российском рынке систем автоматизированного проектирования телекоммуникаций почти отсутствуют.

По этой причине актуальной является разработка системы проектирования радиосетей, ориентированной на платформу PC, обладающей достаточно высоким быстродействием, позволяющей конкурировать с аналогичными продуктами разработанными для рабочих станций, и способной удовлетворить как российского, так и зарубежного потребителя по качеству и по цене.

Цель диссертационной работы - создание системы проектирования радиосетей, ориентированной на платформу персонального компьютера и обеспечивающей программную реализацию алгоритмов расчета уровня предсказанного сигнала, обработки трехмерных картографических данных, и др. вычислений, сравнимых по быстроте с расчетами, производимыми алогичными системами на рабочих станциях.

Диссертационная работа содержит 135 страницы основного текста, 53 рисунка, 5 таблиц, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 57 названий и приложений.

В первой главе проведен анализ систем проектирования радиосетей, содержащий описание особенностей функционирования и области применения систем проектирования радиосетей. Рассмотрены основные требования, предъявляемые к системам проектирования радиосетей с точки зрения построения САПР: требования к математическому, программному и аппаратному обеспечению.

Дан обзор существующих систем проектирования радиосетей, проведен сравнительный анализ их возможностей, при этом показано, что создание системы способной конкурировать на сегодняшнем рынке, возможно при ориентации на платформу PC, используя пользовательский интерфейс Windows 95(NT). Сформулированы основные тенденции развития систем проектирования радиосетей. Обоснованы требования к системам проектирования радиосетей, связанные со спецификой развития России.

Вторая глава посвящена разработке структуры системы автоматизированного проектирования радиосетей, разработке расчетных алгоритмов и выбору аппарата программирования. Рассмотрена структура системы на верхнем уровне, как совокупность подсистемы планирования, подсистемы моделирования и подсистемы баз данных. Далее разработана структура подсистем системы до уровня функциональных блоков. Разработаны основные алгоритмы блоков подсистемы моделирования: блока определения зоны прямой видимости, блока построения профиля радиолинии, блока определения уровня принятого сигнала в заданной окрестности и блока определения надежности работы радиостанции.

Третья глава содержит описание системы автоматизированного проектирования радиосетей. Разработана иерархия классов. Дано полное описание свойств и методов основных классов подсистем баз данных, моделирования и планирования. Рассмотрено взаимодействие между классами этих подсистем.

В четвертой главе приводятся результаты применения системы при проектировании линий связи на реальных данных, и производится сравнение уровня сигнала, рассчитанного при помощи системы автоматизированного проектирования радиосетей с измеренным значением уровня принятого сигнала.

Научная новизна результатов, полученных в настоящей диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Подтверждена принципиальная возможность реализации системы автоматизированного проектирования радиосетей на базе операционной системы Windows 95(NT).

2. Разработана структура системы автоматизированного проектирования радиосетей.

3. Разработан эффективный внутренний формат и представление данных -эффективная и гибкая иерархия классов, которая соответствует разработанной структуре системы автоматизированного проектирования радиосетей

4. Разработаны эффективные алгоритмы блоков определения зоны прямой видимости, построения профиля радиолинии, определения уровня сигнала в заданной окрестности, обеспечивающие требуемую точность.

5. Разработаны эффективные алгоритмы отображения графической информации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная иерархия классов для системы автоматизированного проектирования радиосетей.

2. Разработанные алгоритмы блоков определения зоны прямой видимости, построения профиля радиолинии, определения уровня сигнала в заданной окрестности.

3. Разработанные алгоритмы отображения графической информации.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан компьютерный инструмент, позволяющий планировать радиосети, используя при этом недорогое аппаратное об