автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка субоптимальных алгоритмов повышения эффективности систем подвижной радиосвязи

/

На правах рукописи

Андрианов Михаил Николаевич

Разработка субоптимальных алгоритмов повышения эффективности систем подвижной радиосвязи

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степспи кандидата технических наук

Москва 2009

003473535

Работа выполнена в институте радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Научный руководитель; доктор технических наук, профессор

Г. А. Андреев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

В.В. Сизых;

кандидат технических наук, профессор A.C. Сорокин

Ведущая организация : ОАО "Московский научно-

исследовательский институт радиосвязи" (ОАО "МНИИРС")

Защита диссертации состоится «3» сентября 2009г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.01 при ГОУ ВПО Московский технический университет связи и информатики по адресу: Москва, ул. Авиамоторная, д.8А, ауд. А-455.

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

Автореферат разослан « ^ » М^ИЯ 2009г.

Ученый секретарь совета по заште докторских и кандидатских А J диссертацийД219.001.01 L \ С)

P.IO. Иванюшкин

Общая характеристика работы Актуальность проблемы

Бурное развитие мобильных коммуникаций вызвало острую необходимость увеличения ресурса систем подвижной радиосвязи (СПРС). В общем случае ресурс обусловлен многими компонентами, из которых можно выделить три, наиболее значимые:

- во-первых, экспоненциальный рост количества радиостанций в электромагнитном спектре метрового и дециметрового диапазонов предопределил потребность в увеличении для них спектральной эффективности, определяющей возможность передачи данных в заданной полосе частот. Для решения этой задачи применяют многопозиционные сигналы и спектрально эффективные методы модуляции (фазоманипулированные сигналы с высокой кратностью, квадратурные амплитудно-манипулированные сигналы). При формировании компактного спектра используют модуляцию с непрерывной фазой, в которой при изменении информационного сигнала модулируемый параметр изменяется не дискретно, а линейно (MSK) или плавно, например по гауссовому закону (GMSK, GFSK). Повышение спектральной эффективности, как правило, достигается снижением помехоустойчивости. Применение помехоустойчивого кодирования препятствует этому снижению.

Перспективным направлением является освоение сантиметрового и особенно миллиметрового диапазонов. Использование миллиметрового диапазона длин волн (ЗО-ЗООГГц), значительно увеличивает частотный ресурс средств связи. В этом диапазоне узкие диаграммы направленности антенн передатчика (приемника) формируются малыми размерами апертуры антенн (технология VS AT - Very Small Aperture Terminal), обеспечивая возможность пространственного разделения сигналов. Smarl-антенны изготавливаются небольших размеров с минимальными издержками;

- во-вторых, для СПРС актуальным является повышение помехоустойчивости. Особенностью этих систем связи является прием сигналов в условиях замираний, как правило, релеевского и логнормального характеров, варьирующих уровень амплитуд сигналов. Повышение помехоустойчивости систем связи вступает в противоречие с задачами по увеличению их спектральной эффективности. Проблему увеличения помехоустойчивости необходимо решать комплексно, минимизируя при этом потери спектральной эффективности;

- в-третьих, для абонентов подвижной радиосвязи актуальной является проблема снижения энергопотребления передающих устройств, поскольку мобильные терминалы снабжены автономными, как правило, аккумуляторными источниками питания, время функционирования которых ограничено.

Эти три компонента (спектральная эффективность, помехоустойчивость и энергопотребление мобильных терминалов) взаимозависимы и составляют основной ресурс систем подвижной радиосвязи.

Необходимость исследования этих компонентов, их взаимосвязи, определяет актуальность диссертационной работы, посвященной анализу путей повышения эффективности использования ресурса систем подвижной радиосвязи.

Делыо работы является разработка методов повышения эффективности использования ресурса систем подвижной радиосвязи.

В соответствии с цслыо диссертационной работы были сформулированы и решены следующие задачи:

• проведен анализ надежности радиосвязи в мобильных системах в условиях релеевских и логнормальных замираний; показаны особенности расчета надежности энергетически асимметричных линий радиосвязи, соединенных последовательно, параллельно и последовательно - параллельно;

• осуществлена разработка методов повышения помехоустойчивости СПРС в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями применением прерывистой связи и комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом, проведен сравнительный анализ этих методов с методами, применяемыми в СПРС в настоящее время;

• установлены зависимости энергопотребления СПРС от высоты подвеса и коэффициентов усиления антенн базовых станций (БС); показана оптимизация, по критерию минимального энергопотребления абонентскими станциями (АС), высоты подвеса антенн БС.

Методы исследования

Исследования выполнялись с использованием методов теорий: случайных процессов, сигналов, оптимального приема, численного моделирования.

Математические расчеты выполнены в среде МаШСАО 14Рго.

Научная новизна работы заключается в том, что в пей:

• для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных интервалов, замирания уровней в которых коррелированны, определены: аналитическая зависимость плотности вероятности распределения уровня сигнала и плотности вероятности отношения сигнал/шум (ОСШ), надежность линии связи, вероятность ошибки, дисперсия, среднее значение и средний квадрат уровня сигнала;

• исследована помехоустойчивость когерентного и некогерентного приема фазоманипулированиых (ФМ) сигналов в релеевском и логнор-мальном каналах при прерывистой передаче. Получены аналитические

зависимости: вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ; энергетического выигрыша прерывистого способа передачи относительно разнесенного приема при различных алгоритмах объединения ветвей разнесения. Проведено сравнение помехоустойчивостей приема прерывистого сигнала и сигнала кодированного избыточным кодом;

• осуществлен сравнительный анализ помехоустойчивостей прерывистого способа передачи и комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом в релесвском и логнормальном каналах. Представлены аналитические зависимости: вероятностей ошибок приема ФМ сигналов от среднего ОСШ; энергетического выигрыша от среднего отношения сигнал/шум при комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом в сравнении с разнесенным приемом при оптимальном объединении ветвей разнесения с некогерентной демодуляцией;

• выполнено сопоставление помехоустойчивостей прерывистой связи при комплексировании с разнесенным прием ом, объединением ветвей разнесения по алгоритму автовыбора и разнесенного приема при различных алгоритмах объединения ветвей разнесения;

• предложена методика анализа интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС. Получена аналитическая зависимость этого потребления от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС, определена оптимальная высота подвеса антенн по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов.

Основные положения, выносимые на защиту:

• установлено, что для последовательно соединенной двухинтервальной линии связи с коррелированными замираниями уровней сигналов вероятность ошибочного приема при возрастании коэффициента корреляции, несмотря на увеличение среднего уровня сигнала, возрастает. В отличие от релеевского канала, при котором с ростом дисперсии, среднего уровня увеличивается мода плотности распределения, в указанном канале с ростом дисперсии и среднего уровня сигнала она снижается, замирания сигнала в канале становятся более глубокими;

• выведены аналитические зависимости: вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ при прерывистом способе передачи в каналах релеевскими и логнормаль-ными замираниями; энергетического выигрыша прерывистого способа передачи относительно разнесенного приема при оптимальном объединении ветвей разнесения. Установлено, что применение прерывистого способа передачи, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении со связью без прерываний;

• выведены аналитические зависимости: вероятности ошибок некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ при комплексирова-нии прерывистой связи с разнесенным приемом в каналах релеевскими и логнормальными замираниями; энергетического выигрыша при ком-плексировании прерывистой связи с разнесенным приемом относительно разнесенного приема при оптимальном объединении ветвей разнесения. Установлено, что применение комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении с одиночной прерывистой связью и относительно разнесенного приема сигналов при оптимальном объединении ветвей разнесения;

• выведены аналитические зависимости интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС, показаны оптимальные высоты подвеса антенн БС по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов.

Личный вклад. Основные результаты, выводы и рекомендации, приведенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволяют:

• используя способ прерывистой связи, повысить помехоустойчивость передачи данных, увеличить зону покрытия беспроводной сети, снизить мощность передатчиков мобильных абонентов в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями более эффективно, чем при использовании помехоустойчивого кодирования;

• используя комплексирование прерывистой связи с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора, увеличить помехоустойчивость передачи данных по сравнению с помехоустойчивостью передачи данных при одиночной прерывистой связи и разнесенным приемов сигналов без прерывистой связи в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями;

• снизить энергопотребление мобильных абонентов в зоне обслуживания выбором соответствующей высоты подвеса антенны и диаграммы направленности антенной решетки.

Апробации работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

» 4-я Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение". - 27 февраля -1 марта 2002г., - г. Москва - Т.1, -С.117.

• 5-я 'Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение". - 12- 14 марта 2003г., - г. Москва -Т. 1, -С. 130.

• 10-я Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение." -29- 31 марта 2008г., - г. Москва т.1, - С.305. Результаты, полученные в ходе исследовательской работы, были использованы при проведении ОКР "Разработка бортовой части системы управления РПМ-Т " (управление мобильного робота) (2008 год); НИР " Разработка макета системы на кристалле декодера цифрового телевизионного сигнала на основе комплекта нормативно-технической документации, регламентирующего проектирование систем на кристалле и сложно функционирующих блоков" (2007-2008 годы).

При проведении ОКР по управлению мобильного робота был применен алгоритм прерывистой связи в многолучевом канале, использовался сигнал ФМ-2 с когерентным приемом. В декодере цифрового телевизионного сигнала стандарта БУВ-Т применен алгоритм прерывистой связи, при модуляции информационных поднесущих использовался сигнал ФМ-4 с когерентным приемом, имеющим вероятность ошибочного приема, как и у сигнала ФМ-2, но удвоенную спектральную эффективность.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дано краткое описание основных рассматриваемых вопросов по главам.

В первой главе показаны особенности СПРС, которые необходимо учитывать при расчете надежности связи.

В мобильных системах связи канал передачи информации, как правило, является многолучевым, дисперсионным. В многолучевом канале при движении объекта огибающая сигнала на входе приемника абонента вследствие интерференции сигналов, отраженных от различных предметов (Рис. 1), подвержена замираниям по релеевскому закону. При увеличении скорости движения абонента длительность замираний снижается, интервал корреляции случайного флуктуирующего сигнала уменьшается. В современных сотовых системах связи для снижеиия воздействия флуктуации огибающей сигнала применяют ряд методов, среди которых: технология SFH (Slowly'Frequency Hopping) - медленная перестройка частоты; перемежение; разнесение сигналов. Применение технологии SFH позволяет минимизировать время присутствия сигнала в интерференционном минимуме. В этом случае даже при временном положении абонента на одном месте он практически не попадает в интервал длительного замирания сигнала. В известном стандарте GSM частота изменяет свое значение 217 раз за секунду, увеличивая свое значение на фиксированную величину за один скачок, а в новейших модернизациях предполагается применить псевдослучайную перестройку частоты.

н

а

I,

Рис.1. Схема положения мобильного абонента в многолучевом канале связи

В мобильных системах линия транзакции сообщений компонуется из нескольких интервалов радиосвязи, соединения которых могут быть представлены в последовательном, а при разнесении сигналов параллельном и последовательно-параллельным виде. Для повышения достоверности при передаче данных применяют различные способы разнесения сигналов. Как правило, в СПРС сотовой архитектуры, передача данных в которой осуществляется через ЕС, возникает необходимость анализа надежности двухсторонней линии связи, состоящей из энергетически асимметричных интервалов. Так, например, энергетический потенциал на интервале от БС к АС значительно выше потенциала обратного направления. Эти ин тервалы могут быть представлены последовательными и последовательно-параллельными соединениями. Разнесенный прием моделирует параллельно соединенные интервалы. Повышение актуальности анализа особенностей СПРС продиктовано современным уровнем развития радиосвязи и появлением новых технологий. Это системы сотовой связи, в которых обмен данными проходит через последовательные или последовательно-параллельные интервалы между АС и БС, технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) с разнесенной передачей и приемом данных (предложена компанией Bell Laboratories).

Компания Intel предлагает иной способ организации связи: доставка информации не сразу адресату, а путем "эстафетной передачи" от "соседа" к "соседу", что резко повышает пропускную способность беспроводной сети. Все эти новации требуют тщательного анализа надежности линий радиосвязи различной конфигурации.

Одно из главных отличий систем подвижной радиосвязи от связи фиксированной состоит в том, что если при второй энергетические потенциалы в обе стороны одинаковы, то в СПРС по технологическим и экономическим соображениям это делать невыгодно, энергетический потенциал линии вниз больше этого потенциала в обратную сторону. Например, в стандарте GSM эта асимметрия составляет 16 дБ, AMPS/D-AMPS -17 дБ, а в стандарте CDMA - 20 дБ. Поскольку абоненты АС соединены последовательно, через

БС, то для сохранения надежности связи необходимо низкий энергетический потенциал линии вверх частично компенсировать высоким потенциалом линии вниз.

Надежность радиосвязи, т.е. вероятность того, что текущее отношение сигнал/шум в релеевском канале превысит пороговый уровень уь описывается интегралыюй функцией распределения

(

.й.

\ Уо/

где /«- среднее ОСШ.

(1)

При последовательно-параллельном соединении интервалов надежность связи повышается относительно надежности последовательного соединения, при одинаковом количестве интервалов, и не может быть выше наименее надежного интервала последовательного соединения.

Установлено, что надежность линии связи, состоящей из последовательно соединенных некоррелированных интервалов, може т быть определена в предположении, что на всей линии имеются релсепские замирания. Характеристика надежности линии связи является экспоненциальной, как в каждом интервале, вследствие перемножения их надежности.

Аналогичные вычисления выполнены для подвижной связи при логмор-мальных замираниях (2), (3)

р{у) =

1 1

,ГГ.

24я У фпуо

... .

г,

1_1 7 2

ег/

1 Ь

2

= --еф 2

1 1пу,-\пу{

о _п}

2 ^\пу0 -1пу0_геу

(2)

(3)

В формулах (2), (3) у# отношение сигнал/шум на входе приемника в невозмущенной среде и у0 > уо_гф

Параллельно соединенные интервалы связи с различным коэффициентом корреляции достаточно подробно рассмотрены и описаны в литературе по

технологии разнесенног о приема. При проектировании СГТРС представляет практический интерес вариант последовательного соединения интервалов связи с коррелированными замираниями уровней сигналов ("эстафетная передача" данных, технология TDD (временной дуплекс), пакетная радиосвязь). Для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных интервалов, замирания уровней в которых коррелированны, определены аналитические зависимости: плотности вероятности распределения уровня сигнала, его дисперсии, среднего значения и среднего квадрата при различных значениях коэффициента корреляции. Для указанной двухинтервальной линии связи определены аналитические зависимости: плотности вероятности распределения OC11I, надежности, вероятности ошибок (4), рис.2, при различных значениях коэффициента корреляции. Вероятности ошибок определены для оптимального некогерентного приема сигнала ОФМ-2.

) = -1- Jcxp(-r) • /0ГТ-^- - • (« + «2)1 • ^of^-• * (1 + «)

Гц о 1-« .1-« \Гп . J"« \Уч

¿Г, (4)

где 1п(х), Кп(х) - модифицированные функции Бесселя соответственно первого и третьего рода нулевого порядка, у и уп ОСШ и среднее ОСШ линии связи соответственно, а - нормированный коэффициент корреляции.

10 -1 0 5 10 15 20 25 30 'V ДГ>

Рис.2. Вероятности ошибок в канале да двух коррелированных интервалов связи, соединенных последовательно при различных коэффициентах корреляции в сравнении с вероятностями ошибок релеевского канала

В второй главе представлен анализ помехоустойчивости приема сигналов в рэлеевских и логнормальных замираниях при использовании прерывистого способа передачи.

Известны разнообразные способы обработки замирающих сигналов. Наибольший эффект обычно достигается при использовании адаптивных алгоритмов в передающих устройствах. Использование таких алгоритмов целесообразно в том случае, если 2Т«т, где Т- время распространения сигнала по линии связи, т - интервал корреляции огибающей сигнала во времени. При использовании технологии с временным дуплексом (TDD) достаточно обеспечить Т«т. Среди известных способов обратим внимание на следующие три: использование автоматической регулировки мощности передатчика (АРМП); регулировка скорости передачи информации в зависимости от уровня сигналов на входах приемников; применение прерывистой передачи сигналов по аналогичному методу, применяемому в системах метеорной связи.

Недостатком этих способов можно считать то обстоятельство, что передатчики излучают высокочастотную энергию в моменты времени, когда затухание сигналов в среде распространения велико, а в случае АРМП мощность излучения еще и увеличивается в несколько раз. Это обстоятельство имеет особенно большое значение в СПРС, использующих АС, где энергоемкость источников питания существенно ограниченна. Очевидно, что с точки зрения уменьшения потребляемой энергии более выгодно включать передающие устройства только в моменты наименьшего затухания сигналов, а в моменты глубоких замираний их можно вообще выключать. Такая возможность отсутствует, например, в метеорной связи, где передатчик должен работать непрерывно (иначе нельзя будет определить моменты времени, когда возможна передача). Поэтому в метеорной связи сообщения передаются с повышенной скоростью при наилучшем прохождении радиоволн и совсем не передаются в моменты отсутствия метеорных следов, при этом передатчики не выключаются. По-видимому, наиболее эффективно можно применять выключение передатчиков в моменты глубоких замираний с применением технологии TDD в ассиметричных радиолиниях, когда в прямом и обратном направлениях энергетические потенциалы не одинаковы или же используются разные принципы передачи сигналов. В этих случаях выключаться может только передатчик одного направления, а именно передатчик АС. Причем передатчик БС не выключается, поскольку, во-первых, это необходимо для возможности постоянного мониторинга уровня сигнала от БС, и, во-вторых, проблема энергопотребления БС, ввиду наличия стационарного источника питания, не является актуальной. Поскольку при использовании TDD огибающие сигналов обоих направлений коррелированны, то по уровню принимаемых сигналов можно вычислять относительный уровень сигналов на противоположном конце радиолинии и благодаря этому определять моменты включения и выключения своего передатчика.

Определены средние зависимости вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема фазоманипулированных сигналов от среднего отношения сигнал/шум (уо) при прерывистом способе передачи в релеевском канале. Средняя вероятность ошибки в этом случае для сигнала ФМ-2 некогерентного (5) и когерентного (б) приемов определится выражениями (рис. 3);

^Мго)-

|ехр(-а/)---схр|

г, У«

ехр

-X. иу = __!---

г»; Мго)

-ау\ 1+

<*У о

1 + 07„

(5)

2г}(у0);, Уо к Уо)

(6)

при известном у0. В формулах (5) и (6) а - постоянный коэффициент, равный соответственно 0,5 и 1 для частотной и фазовой демодуляций, у, - уровень порога, Т](уо) - коэффициент использования радиолинии (отношение времени передачи данных к общему времени сеанса связи).

То:

-10 -8 -6 -А -2 0 2 1 6 8 10 12 14 16 18 20 Уо,дБ Рис.3. Вероятности ошибок когерентного и некогереитного приема сигнала ФМ-2 в каналах с релеевскими замираниями: при прерывистой связи для у, = у0, кривые 1,2; без прерывистой связи, кривые 3,4

Проведен сравнительный анализ вероятностей ошибок некогерентного приема при прерывистой связи и разнесенного приема при когерентном (оптимальном) сложении сигналов с некогерентной демодуляцией. Показано, что энергетический выигрыш при произвольном значении у, будет определяться выражением (7)

i/ = _L.J J(l + ay 0)-exp

«Го V

при у, = yQ он равен

"I , (7)

V = —•[*# + аУо)' 2хр(а/0) -1], (7а)

а7 о

здесь М-число ветвей разнесения.

При увеличении порога и, тем самым энергетического выигрыша, снижается спектральная эффективность, поскольку, несмотря на укороченное время сеанса связи, количество данных, передаваемых по каналу прерывистой связи, неизменно. Определим взаимозависимость энергетического выигрыша и спектральной эффективности при разных фиксированных значениях у0\

1

v = <*Уо

■ + аУо)' ехр[(1 - /?)+ «• О - /?)' Го1 ^ " j , (8)

а спектральная эффективность в зависимости от р оценивается как

ф) = ехР[-0-/?)], (9)

где параметр Р определяется из выражения

/г-^-i. (Ю)

Го

Будем считать, что Р изменяется от 0 до 1, уровень порога у,= (1-р)уоизменяется в пределах от у0 до 0, а спектральная эффективность -от 1/е до 1.

На рис.4 показана взаимосвязь энергетического выигрыша и спектральной эффективности при разных уо и М= 1.

Из анализа кривых (рис.4) следует, что энергетический выигрыш сопровождается снижением спектральной эффективности и возрастает с увеличением уо. Функционирование кода Рида-Соломоиа (РС) (256,224, 16) при скорости 7/8 обеспечивает исправление 16 байтовых ошибок, уменьшая спектральную эффективность до 0.875. При этом в канале с гауссовым шумом снижается вероятность ошибки с 3* 10"5 до 5*10"6 при некогерентном приеме кодированного сигнала ОФМ-2. Применением прерывистого способа в реле-евском канале с некогерентной демодуляцией при уп = 22 дБ, при котором вероятность ошибки равна 3*10°, снижением спектральной эффективности только до 0.935 достигается вероятность ошибки 10'7. Использование кода Рида-Соломона в релеевском канале без перемежения малоэффективно. Кро-

ме того, высокая сложность декодера Рида-Соломона, является причиной повышенного количества арифметических операций на бит данных в процессоре обработки.

Рис.4. График, иллюстрирующий взаимосвязь энергетического выигрыша и спектральной эффективности при различных значениях уо и М=\

Использование прерывистой связи уменьшает длительность передаваемых бит. Для сохранения фиксированной энергии передаваемого бита и энергии, затраченной на весь сеанс связи, необходимо мощность передатчика увеличивать обратно пропорционально снижению длительности бита.

В миллиметровом диапазоне радиоволн при передаче по атмосферному каналу, вследствие флуктуации диэлектрической проницаемости е, показателя преломления волны п , логнормальиые флуктуации амплитуды волны A(t) могут быть выражены через нормально распределенный уровень %

A{t)=A0exp[z(t)} , (11)

где Ао - амплитуда волны в невозмущенной среде.

Интервал корреляции флуктуации амплитуды в канале миллиметрового диапазона радиоволн составляет десятки секунд. Переданные сообщения вследствие этих длительных замираний пропадают значительными фрагментами, восстановить которые без длительной задержки сложно. Однако если мобильный терминал перемещается со значительной скоростью, то интервал корреляции существенно снизится. В этом случае появляется возможность применить прерывистый способ передачи.

Для логнормальных замираний в работе получены аналитические зависимости средних вероятностей ошибок, при прерывистом способе передачи, для некогерентного (12) и когерентного (13) приемов (рис. 5):

м= [

1 1

У ^пус-Ьу,

-ехр

О _ге/

1п-

Уо.ге/ , \пу0-]пу1

О.ге/

2';(/о)

е'"Чу

(12)

Р(У,)= |

1 1

'2у[л у фпу„ -1пхо_

-ехр

1п-

УО.ге/ ,

Ь^О -'"Го.,«/

2«7(Г.)

(13)

В формулах - отношение сигиал/шум в невозмущенной среде, причем у0> уогф

0.01

1 1 (и (!, Д| —- !> Ч

У}

;

\ ' ! !

1 1 •

\\ 1 Уп

: (

» 1 I 11 V. ,— ГЛЛР-.

лг /У т. " 4 1 ;

1 1

1!

1 11

ц

' ; \

1

Рис.5. Вероятности ошибок в каналах с логнормальными замираниями: когерентного и некогерентного приемов при прерывистой связи, у, = у0 и уо_п^ ЮдБ соответственно кривые 1,2; когерентного и некогерентного приемов без прерывистой связи для сигнала ФМ-2, соответственно кривые 3,4(а), указанные вероятности ошибок при больших значениях уо (б)

Аналитическое выражение, определяющее энергетический выигрыш прерывистого способа относительно передачи без прерываний, в явном виде получить сложно. Однако из графика вероятностей ошибок видно, что для случая логнормальных замираний он более значителен, чем в случае релеевских замираний. Вероятности ошибок приема сигналов без прерывистого способа увеличиваются с ростом уп, достигают локального максимума, затем медленно снижаются (Рис.5,б).

Третья глава посвящена сравнительному анализу помехоустойчивости приема фазоманипулированных сигналов при комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом по алгоритму автовыбора в каналах с ре-леевскими и логнормальными замираниями.

При комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом в ре-леевском канале определены коэффициенты использования радиолинии при различном числе ветвей разнесения (М) в зависимости от у>

Г)М= 1- 1-ехр а при у г Уо ^=1-[1-ехр(-1)]м,

(14)

(14а)

коэффициенты использования зависит только от числа ветвей разнесения, и при М=\, 2,4, 8 соответственно равны щ = 0,368; 0,6; 0,84; 0,975.

Мощность передатчика абонента зафиксирована неизменной от т}м. При этом длительность передаваемого бита, и его энергия станут прямо пропорциональны (14, 14а), коэффициенту использования радиолинии.

Средние значения вероятностей ошибок приема упомянутых сигналов найдены усреднением вероятностей ошибок некогерентного приема сигналов в гауссовом шуме по статистике релеевских замираний для моментов времени, когда ведется передача сигналов (у> у,), где у, -пороговое значение отношения сигнал/шум, при котором включается передатчик.

М-г I

1-ехр

Мы

с1у

•ех]

р {-агУг,

(15)

где М• число ветвей разнесения.

Преобразуя (15) с использованием бинома Ньютона получена аналитическая зависимость вероятностей ошибок иекогереитного приема ОФМ-сигналов при комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом от ул рис.6:

р(Го) =

2пм(Уо)

■ М ■ ехр[~ ау, • /7Д/ О'о)]1

ИГ-ехр!-

Го

<хГъ"Пм{Уъ)+к

(16)

а при у г уо

р(Уо)=~--А/-ехр(-ауа -г]^)

2т1,.<

'А Ан (-1)*'' -ехр(-^) ы аП'П м+к

(16а)

о Уо. дБ

М=1

М=2

М=4

II Л1 .1 . I ^ ^ ^ ^

Рис.б. Зависимости: вероятностей ошибок приема сигналов при комплексироваиии прерывистой связи с разнесенным приемом, объединением ветвей разнесения по алгоритму автовыбора при у," уо с некогерептной демодуляцией (сплошные кривые) и вероятностей ошибок некогерентиого разнесенного приема сигналов с оптимальным сложением при разных М в релеевском канале

Далее представлены вычисления для радиолинии, в условиях которой закон замирания является логнормальным. Для этого случая, при комплексироваиии прерывистой связи с разнесенным приемом определены коэффициенты использования радиолинии при различном числе ветвей разнесения (М) в зависимости от у0

1 1 , 2 2 7

' \ 1п/, -1пу0 ,.е/ Л

2 фпу0-\пу0_гг/ ^

(17)

а при у,= уо

Пи =1-

1 1 /1

- + --ег/\ -2 2 (2

(17а)

Среднее значение вероятности ошибок некогерештюго приема фазомани-пулированного сигнала определены, аналогично случаю с релеевским каналом, путем усреднения вероятности ошибок некогерентного приема в гауссовом шуме по статистике логнормальиых замираний (18) (рис.7):

р =

' 4/7 гл,ч'«'

1 1 у

2 2

I 1пу —

Л

ех[

4

■ех^-а^с//'

(18)

рывистой связи с разнесенным приемом и при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора для случая у, - уц, уо_ге/ = -1 ОдБ с иекогерентной демодуляцией (сплошные кривые) и вероятностей ошибок разнесенного некогерентного приема при объединении ветвей разнесения по такому же алгоритму без прерывистой связи для разных М в канале с логнормальными замираниями

Зная вероятность ошибки при приеме двоичного символа для системы с М-кратным разнесением можно довольно точно предсказать вероятность ошибки при приеме сигнала для других методов модуляции, в том числе для модуляции более высоких порядков.

В четвертой главе предложена методика анализа интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС.

Одной из важных задач совершенствования оборудования СПРС является увеличение времени работы источников питания (ИП) и снижения массога-баритных характеристик АС. В настоящее время существенной частью АС, определяющей их массы и размеры, является ИП. Поскольку радиопередатчики потребляют основную часть энергии от ИП, то снижение мощности высокочастотных колебаний, излучаемых передатчиком, существенно уменьшает потребление энергии.

Зона обслуживания абонентов, обозначенная на рис. 1 символом R3, состоит из зоны прямой видимости (£«.), в которой сигнал распространяется без препятствий, и закрытой зоны (¿,), в которой сигнал вследствие переотражений является многолучевым, дисперсионным. Зона прямой видимости увеличивается с высотой подвеса антенны. При использовании зон с малым радиусом часть обслуживаемых АС в зоне прямой видимости принимает ослабленный за счет диаграммы направленности сигнал. Другая часть АС - в закрытой зоне может в то же время принимает сигнал по главному лепестку диаграммы направленности. Таким образом, с увеличением иысоты подвеса антенн потребление энергии АС, находящихся в закрытой зоне, будет уменьшаться, а в зоне прямой видимости увеличиваться. В этой ситуации возможна оптимальная высота размещения антенны, при которой суммарное потребление всех АС минимально.

Точный расчет абсолютного значения суммарной мощности абонентов весьма затруднителен. Для этого необходимо задавать значения целого ряда параметров, от которых зависит величина суммарной потребляемой мощности. В качестве точек отсчета было выбрано значение потребляемой мощности при высоте установки антенн 25 м, максимальном расстоянии прямой видимости 200 м и радиусом зон обслуживания 1000,3000 и 5000 м. Плотность размещения АС в обслуживаемой зоне была принята обратно пропорциональной расстоянию от БС. С изменением высоты изменялось максимальное расстояние прямой видимости. Используя достаточно распространенные приближенные формулы, аппроксимирована зависимость максимального

расстояния прямой видимости от высоты выражением 404Н (при Я =25 м это расстояние равно 200 м). С учетом этого относительное значение суммарной потребляемой мощности определяется выражением (19), рис. 8.

7'Ji, .....

! .....,

Гл;_____// _________r{R2 + H'J

J» '4 2 Л' + HГJ'."//f(40■ V7/f +Н'1

_____________J 2 ■¡R' + H'

/?//?' + 253

25

'7j£_____25 ___

J +25TJsin(j:w

2 t[R2 +25*

-d/U

T/{ -- l5__]

i'l 2 v/i1 ■ 25VJ.

2

где „„,.(//) - относительное значение суммарной потребляемой мощности от высоты подвеса антенн, Я, - радиус зоны обслуживания, N - число элементов антенной решетки.

г-р —I с

. ♦ ....... /

..... ;

О 100 200 300 400 500 М О 50 100 150 200 М

II н

о о

Рис.8. Зависимость относительногб'значения суммарной потребляемой мощности мобильных терминалов от высоты подъема четырехэлсментной (а) и восьмиэлементной (б) антенных решеток для зон обслуживания (Л,), равных 1, 3 и 5 км (соответственно кривые

1,2, 3)

Поскольку время пребывания отдельного абонента в различных частях зоны обслуживания пропорционально установленной плотности АС, можно утверждать, что относительное среднее энергопотребление одного абонента также характеризуется формулой (19). Плотность распределения АС внутри зоны можно определять экспериментально, интерполируя и усредняя полученные результаты.

Из анализа графиков следует, что:

- во-первых, при заданных количествах элементов решетки и зоны обслуживания определяется оптимальное значение высоты подвеса антенн БС, при которой обеспечивается минимальное потребление энергии от источников питания АС;

- во-вторых, при определенных высотах подвеса увеличение числа вибраторов, ведущее к увеличению коэффициента усиления антенн, тем tie менее, приводит в ряде случаях к увеличению потребления энергии от источников питания АС. Например, при равных зонах обслуживания четырехэлементная

антенная решетка обеспечивает меньшее энергопотребление мобильных терминалов относительно восьмиэлементной, хотя и при большей высоте.

Заключение

В диссертационной работе предложены способы повышения эффективности использования ресурса СПРС с учетом особенностей распространения радиоволн врелеевском канале и канале с логнормальньши замираниями.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Показано, что радиолинии СПРС целесообразно и выгодно строить энергетически асимметричными, т.е. энергетический потенциал линии вниз обычно больше этого потенциала в обратную сторону. При примерно равной чувствительности приемников АС и БС мощность передатчика АС по технологическим и экологическим причинам всегда меньше мощности передатчика БС.

2. Установлено, что надежность линии связи, состоящей из последовательно соединенных интервалов с некоррелированными замираниями уровней сигналов, может быть определена в предположении, что на всей линии имеются релеевские замирания.

3. Для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных ре-леевских интервалов, замирания амплитуд сигналов в которых коррелированны, определены аналитические зависимости плотности вероятности распределения уровня сигнала, дисперсия, среднее значение и средний квадрат уровня сигнала при различных значениях коэффициента корреляции.

4. Для указанной двухинтервальной линии связи определены аналитические зависимости плотности вероятности распределения ОСШ, надежности, вероятности ошибок при различных значениях коэффициента корреляции.

5. Для релеевского канала и канала с логнормальньши замираниями предложен метод гибкого управления компонентами ресурса СПРС применением прерывистой связи. Указанное применение позволяет при незначительном снижении спектральной эффективности либо увеличить помехоустойчивость линии связи, либо уменьшить мощность излучения мобильного терминала, уменьшив тем самым воздействие электромагнитного излучения на организм человека. Например, при пороге у, =уо вероятность ошибочного приема прерывистой связи относительно вероятности ошибок в релевском канале без прерываний

снижается экспоненциально от среднего ОСШ, в ехро7„раз. Энергетический выигрыш (ОСШ в прерывистом канале относительно канала без прерываний при одинаковой вероятности ошибки) также возрастает экспоненциально от среднего ОСШ (уо).

6. Показано преимущество использования прерывистой связи относительно применения помехоустойчивых кодов. Например, сравнение применения прерывистой связи и использования кодов РС в релеев-ском канале показывает, что применение первого способа спектрально эффективнее относительно второго.

7. Предложен метод повышения помехоустойчивости СПРС в релеевском канале и канале с логнормальными замираниями применением ком-плексирования прерывистой связи с разнесенным приемом. Установлено, что применение комплексироваиия прерывистой связи с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора, снижает вероятность ошибки относительно одиночной прерывистой связи и относительно разнесенного приема без прерывистой связи.

8. Предложена методика анализа зависимости энергопотребления мобильного терминала СПРС от высоты подвеса антенны.

9. Определена оптимальная, по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов, высота подвеса антенн. Установлено, что при определенных высотах подвеса увеличение числа вибраторов, ведущее к увеличению коэффициента усиления антенн, тем не менее, приводи т в ряде случаях к увеличению потребления энергии от источников питания АС. Например, при равных И3 четырех-элемеи гная антенная решетка обеспечивает меньшее относительное потребление АС относительно восьмиэлементной, хотя и при большей высоте.

Публикации

По теме диссертационной работы автором опубликованы следующие печатные работы:

1. Андреев Г.А., Андрианов М.Н. Вероятности ошибок кодированных фазоманипулированных сигналов с логнормальными амплитудными флуктуациями в гауссовом шуме // Радиотехника и электроника. -2003.-Т. 42.-№12-С. 1466-1470.

2. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. Особенности расчета надежности радиосвязи в мобильных системах // Мобильные системы. - 2005. - №2. -С. 26-29.

3. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. О выборе видов разнесения сигналов и способов объединения ветвей приема в мобильных системах связи // Мобильные системы. - 2006. - №3. - С. 45-48.

4. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. Влияние параметров антенно-фидерного оборудования базовых станций на величины энергии, потребляемой носимыми терминалами // Мобильные системы. - 2007. -№2. - С. 57-60.

5. Андрианов М.Н., Киселев И.Г. О повышении помехозащищенности передачи дискретных сообщений в каналах с замираниями // Мобильные системы. - 2007. - №4. - С. 13-16.

6. Андрианов М.Н., Киселев И. Г. Вероятность ошибки в каналах со случайными параметрами при комплсксировании прерывистой передачи и разнесенного приема // Мобильные системы. - 2007. - №5. - С.44-47.

7. Киселёв И.Г., М.Андрианов М. Н., Устьянцев С.В. О повышении эффективности регулирования мощности передатчиков в адаптивных линиях радиосвязи // Первая миля. - 2008. - №6. - С.12-14.

8. Андрианов М.Н. Снижение вероятности ошибок приема кодированных ФМ сигналов в атмосферных каналах ММВ // Тезисы докладов 4-ой Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации». - Владимир, 2001. — С. 201-202.

9. Андреев Г.А., Андрианов М.Н., Соловьев A.B. Моделирование вероятности ошибок кодированных ФМ сигналов миллиметрового диапазона // Тезисы докладов 4-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - Москва, 2002. - Т. 1,-С. 117-120.

Ю.Андреев Г.А., Андрианов М.Н. Моделирование вероятности ошибок кодированных ФМ сигналов с логнормальными амплитудными флуктуациями в гауссовом шуме // Тезисы докладов 5-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - Москва, 2003. - Т. 1, - С. 130-133.

11. Андрианов М.Н., Киселев И.Г. О повышении помехоустойчивости передачи дискретных сообщений в каналах с замираниями // Тезисы докладов 10-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». - Москва, 2008. -Т. 1, - С.305-308.

12. Андрианов М.Н. Эффективность комплексирования прерывистой подвижной связи с разнесенным приемом сигналов в канале с логнормальньши замираниями // Известия института инженерной физики. -2009,-№2.-С. 67-71.

13. Андрианов М.Н. Эффективность передачи данных мультимедиа в беспроводных каналах со случайными параметрами // ТСС (Технологии и средства связи). - 2009. - №2. - С. 48-49.

14. Андрианов М.Н. Особенности прерывистой связи в канале с логнормальньши замираниями // Метрология. - 2009. - №5. - С. 35-43.

Подписано в печать 25.05.09. Формат 60x84/16. Объем 1,5 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ 88. ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

Введение.

Глава 1. Особенности расчета вероятности радиосвязи в мобильных системах.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Анализ надежности связи с некоррелированными замираниями уровней сигналов на интервалах линии.

1.3. Линии подвижной радиосвязи с коррелированными релеевскими замираниями уровней сигналов.

Выводы.

Глава 2. Повышение помехоустойчивости приема при прерывистой связи.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Анализ помехоустойчивости приема сигналов в канале с релеевскими замираниями.

2.2.1. Анализ помехоустойчивости приема сигналов в канале с обобщенными релеевскими замираниями.

2.3. Особенности прерывистой связи в канале с логнормальными замираниями

2.4. Выводы.

Глава 3. Комплексное использование прерывистой связи и разнесенного приема.

3.1.Обоснование целесообразности комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом сигналов.

3.2. Анализ помехоустойчивости комплексного приема сигналов в канале с релеевскими замираниями.

3.3. Эффективность комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом сигналов в канале с логнормальными замираниями.

3.4. Выводы.

Глава 4 Увеличение ресурса систем подвижной радиосвязи оптимизацией высоты подвеса антенн базовых станций.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Анализ зависимости суммарной потребляемой мощности абонентских радиотелефонов от высоты антенн.

4.3. Выводы.

Актуальность темы. В настоящее время системы беспроводной коммуникации используются для связи с подвижными (мобильными) объектами, находящимися в различных средах: на суше, воде, в атмосфере земли и космическом пространстве. Согласно принятой классификации системы связи с подвижными объектами делятся на сухопутные, морские и воздушные. С помощью радио на подвижные объекты и с них передаются телефонные и телевизионные сообщения, измерительные данные и сигналы управления.

Особенно быстрыми темпами в последние годы разрабатываются и внедряются в эксплуатацию сухопутные системы связи с подвижными объектами [1-3]. Можно отметить, что в настоящее время при построении сетей связи с сотовой структурой зон обслуживание проводная телефонная сеть используется как вспомогательная. Уже сейчас происходит стирание различий во внутренней структуре передаваемых сообщений: аудио, видео радиотелеметрическая, измерительная информация, сигналы командного управления часто передаются единым потоком данных, используя преимущества пакетной радиосвязи. Сети радиосвязи с подвижными объектами постепенно сливаются с проводными телефонными сетями в единую информационную сеть радиопроводной связи.

В настоящее время развитие сухопутных систем подвижной связи идет по двум направлениям: во-первых, создаются ведомственные системы, во-вторых, все большее развитие получают системы связи с подвижными объектами общего пользования. Ведомственные системы связи, используемые отдельными ведомствами и предприятиями, предназначены для оперативного участия в процессах управления и производства. Недостатком таких систем является их локализация, разобщенность и как следствие этого неэффективность использования спектра частот, отсутствие унификации аппаратуры, элементной базы, частые нарушения электромагнитной совместимости с другими системами.

Современные системы общего пользования позволяют устранить недостатки, присущие ведомственным системам. Важным преимуществом систем общего пользования, по сравнению с ведомственными, является высокая эффективность использования спектра частот, отведенного для работы системы. Большой круг абонентов в этой системе имеет свободный доступ ко всем частотным каналам системы. В ведомственных системах, где частоты жестко закрепляются за абонентами данного ведомства, даже,в тех случаях, когда эти частоты свободны, абоненты другого ведомства не могут их использовать. Системы общего пользования предоставляют абонентам большой комплекс услуг — от образования диспетчерских и технологических сетей отдельных ведомств, работающих на основе своего ведомственнрго диспетчера до автоматического выхода на абонентов городских телефонных сетей и по I междугородним и международным линиям на абонентов других городов и стран. В этом случае ведомственные системы становятся частью (подсистемой) системы общего пользования, но с более эффективным использованием частотного ресурса. Развитие систем общего пользования, в свою очередь, также идет по двум направлениям - создание систем с большими зонами обслуживания (радиальных систем) и систем с малыми зонами обслуживания (территориальных систем), как правило, с сотовой структурой.

Радиальные системы общего пользования работают по принципу телевизионного вещания. Они позволяют относительно простыми средствами обеспечить связью подвижных абонентов на большой территории, а за счет свободного доступа абонентов ко всем частотам белее эффективно использовать ресурс частотного спектра. В то же время, поскольку во время сеанса связи абонент занимает дуплексный частотный канал, другие абоненты системы, находящиеся от него даже на большом расстоянии, не имеют возможности использовать этот канал до окончания сеанса связи данного абонента. Кроме того, вследствие значительной зоны обслуживания радиальной системы (радиусом до 100 км), особенно в условиях плотной городской застройки, не удается создать равномерную напряженность электромагнитного поля от передатчика центральной станции на всей обсуживаемой территории и соответственно обеспечить одинаковое качество связи на всей территории.

Устранить недостатки радиальных систем общего пользования удается при создании территориальных систем с малыми зонами обслуживания с сотовой структурой. В этой структуре вся обслуживаемая территория разбивается на небольшие по площади зоны, описываемые окружностью радиусом 1.5-2 км. Зоны могут быть треугольными, четырехугольными, но чаще всего гексагональными, шестиугольными. В вершинах многоугольников зон устанавливаются центральные передатчики, обеспечивающие на всей территории зон более равномерную плотность электромагнитного поля. Благодаря повторному использованию частот в различных зонах территориальной, системы существенно повышается эффективность использования частотного спектра в сравнении с радиальной. Однако повышение качества и надежности связи, выигрыш в использовании частотного спектра достигаются усложнением аппаратуры и структуры самой системы.

Бурное развитие мобильных коммуникаций вызвало острую необходимость увеличения ресурса систем подвижной радиосвязи (СПРС). В. общем случае ресурс обусловлен многими компонентами, из которых можно выделить три, наиболее значимые:

- во-первых, экспоненциальный рост количества радиостанций в электромагнитном спектре метрового и дециметрового диапазонов предопределил потребность в увеличении для них спектральной эффективности, определяющей-возможность передачи данных в заданной полосе частот. Для решения этой задачи применяют многопозиционные сигналы и спектрально эффективные методы модуляции (фазоманипулированные сигналы с высокой кратностью, квадратурные амплитудно-манипулированные сигналы). При формировании компактного спектра используют модуляцию с непрерывной' фазой, в.которой при изменении информационного сигнала модулируемый параметр изменяется не дискретно, а линейно (MSK) или плавно, например по гауссовому закону (GMSK, GFSK). Повышение спектральной эффективности, как правило, достигается снижением помехоустойчивости. Применение помехоустойчивого кодирования препятствует этому снижению. Использование технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) [4], применяемой, например, в системах цифрового телевидения и радиодоступа, соответственно стандарты DVBT [5] и WiMAX [6], дает возможность плотно упаковывать информационные поднесущие и обеспечивает их спектрально эффективную квадратурную модуляцию.

Перспективным направлением является освоение сантиметрового и особенно миллиметрового диапазонов [7-13]. Использование миллиметрового диапазона длин^волн (ЗО-ЗООГГц), значительно увеличивает частотный ресурс средств связи: В этом диапазоне узкие диаграммы направленности антенн передатчика (приемника) формируются малыми размерами апертуры антенн (технология VSAT - Very Small Aperture Terminal), обеспечивая возможность пространственного разделения сигналов [14-16]. Smart-антенны изготавливаются небольших размеров с минимальными издержками;

- во-вторых, для СПРС актуальным является повышение помехоустойчивости. Особенностью этих систем связи является прием сигналов в условиях замираний, как правило, релеевского и логнормального характеров, варьирующих уровень амплитуд сигналов. Повышение помехоустойчивости систем связи вступает в противоречие с задачами по увеличению их спектральной эффективности. Проблему увеличения помехоустойчивости необходимо решать комплексно, минимизируя при этом потери спектральной эффективности;

- в-третьих, для абонентов подвижной радиосвязи актуальной является проблема снижения энергопотребления передающих устройств, поскольку мобильные терминалы снабжены автономными, как правило, аккумуляторными источниками питания, время функционирования которых ограничено.

Эти три компонента (спектральная эффективность, помехоустойчивость и энергопотребление мобильных терминалов) взаимозависимы и составляют основной ресурс систем подвижной радиосвязи.

Необходимость исследования этих компонентов, их взаимосвязи, определяет актуальность диссертационной работы, посвященной анализу путей повышения эффективности использования ресурса систем подвижной радиосвязи.

Целью работы является разработка методов повышения эффективности использования ресурса систем подвижной радиосвязи.

В соответствии с целью диссертационной работы были сформулированы и решены следующие задачи:

• проведен анализ надежности радиосвязи в мобильных системах в условиях релеевских и логнормальных замираний; показаны особенности расчета надежности энергетически асимметричных линий радиосвязи, соединенных последовательно, параллельно и последовательно - параллельно;

• осуществлена разработка методов повышения помехоустойчивости СПРС в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями применением прерывистой связи и комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом, проведен сравнительный анализ этих методов с методами, применяемыми в СПРС в настоящее время;

• установлены зависимости энергопотребления СПРС от высоты подвеса и коэффициентов усиления антенн базовых станций (БС); показана оптимизация, по критерию минимального энергопотребления абонентскими станциями (АС), высоты подвеса антенн БС.

Методы исследования

Исследования выполнялись с использованием методов теорий: случайных процессов, сигналов, оптимального приема, численного моделирования.

Математические расчеты выполнены в среде MathCAD 14Рго.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

• для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных интервалов, замирания уровней в которых коррелированны, определены: аналитическая зависимость плотности вероятности распределения уровня сигнала и плотности вероятности отношения сигнал/шум (ОСШ), надежность линии связи, вероятность ошибки, дисперсия, • среднее значение и средний квадрат уровня сигнала;

• исследована помехоустойчивость когерентного и некогерентного приема фазоманипулированных (ФМ) сигналов в релеевском и логнор-мальном каналах при прерывистой передаче. Получены аналитические зависимости: вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ; энергетического выигрыша прерывистого.способа передачи относительно разнесенного приема при различных алгоритмах объединения ветвей разнесения. Проведено сравнение помехоустойчивостей приема прерывистого сигнала и сигнала кодированного избыточным кодом;

• осуществлен сравнительный анализ помехоустойчивостей прерывистого способа передачи и комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом в релеевском и логнормальном каналах. Представлены аналитические зависимости: вероятностей ошибок приема ФМ сигналов от среднего ОСШ; энергетического выигрыша от среднего отношения сигнал/шум при комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом в сравнении с разнесенным приемом при оптимальном объединении ветвей разнесения с некогерентной демодуляцией;

• выполнено сопоставление помехоустойчивостей прерывистой связи при комплексировании с разнесенным приемом, объединением-ветвей разнесения по алгоритму авто'выбора и разнесенного приема при различных алгоритмах объединения ветвей разнесения; предложена методика анализа интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС. Получена аналитическая зависимость этого потребления от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС, определена оптимальная высота подвеса антенн по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов.

Основные положения, выносимые на защиту: установлено, что для последовательно соединенной двухинтервальной линии связи с коррелированными замираниями уровней сигналов вероятность ошибочного приема при возрастании коэффициента корреляции, несмотря на увеличение среднего уровня сигнала, возрастает. В отличие от релеевского канала, при котором с ростом дисперсии, среднего уровня увеличивается мода плотности распределения, в указанном канале с ростом дисперсии и среднего уровня сигнала она снижается, замирания сигнала в канале становятся более глубокими; выведены аналитические зависимости: вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ при прерывистом способе передачи в каналах релеевскими и логнормаль-ными замираниями; энергетического выигрыша прерывистого способа передачи относительно разнесенного приема при оптимальном объединении ветвей разнесения. Установлено, что применение прерывистого способа передачи, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении со связью без прерываний; выведены аналитические зависимости: вероятности ошибок некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ при комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом в каналах релеевскими и логнормальными замираниями; энергетического выигрыша при ком-плексировании прерывистой связи с разнесенным приемом относительно разнесенного приема при оптимальном объединении ветвей разнесения. Установлено, что применение комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении с одиночной прерывистой связью и относительно разнесенного приема сигналов при оптимальном объединении ветвей разнесения; • выведены аналитические зависимости интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС, показаны оптимальные высоты подвеса антенн БС по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов.

Личный вклад. Основные результаты, выводы и рекомендации, приведенные в диссертации, получены автором лично.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволяют:

• используя способ прерывистой связи, повысить помехоустойчивость передачи данных, увеличить зону покрытия беспроводной сети, снизить мощность передатчиков мобильных абонентов в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями более эффективно, чем при использовании помехоустойчивого кодирования;

• используя комплексирование прерывистой связи с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора, увеличить помехоустойчивость передачи данных по сравнению с помехоустойчивостью передачи данных при одиночной прерывистой связи и разнесенным приемов сигналов без прерывистой связи в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями;,

• снизить энергопотребление мобильных абонентов в зоне обслуживания выбором соответствующей высоты подвеса антенны и диаграммы направленности антенной решетки.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 4-я Международная конференция "Цифровая обработка.сигналов и ее применение". — 27 февраля -1 марта 2002г., — г. Москва — Т.1, -С.117.

• 5-я Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение". — 12- 14 марта 2003г., — г. Москва — Т.1, — С.130.

• 10-я Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение." — 29- 31 марта 2008г., — г. Москва т.1, — С.305. Результаты, полученные в ходе исследовательской работы, были использованы при проведении ОКР "Разработка бортовой части системы управления РПМ-Т " (управление мобильного робота) (2008 год); НИР " Разработка макета системы на кристалле декодера цифрового телевизионного сигнала на основе комплекта нормативно-технической документации, регламентирующего проектирование систем на кристалле и сложно функционирующих блоков" (2007-2008 годы).

При проведении ОКР по управлению мобильного робота был применен алгоритм прерывистой связи в многолучевом канале, использовался сигнал ФМ-2 с когерентным приемом. В декодере цифрового телевизионного сигнала стандарта DVB-T применен алгоритм прерывистой связи, при модуляции информационных поднесущих использовался сигнал ФМ-4 с когерентным приемом, имеющим вероятность ошибочного приема, как и у сигнала ФМ-2, но удвоенную спектральную эффективность.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, списка литературы, включающего 4 Приложения. Объем диссертации составляет 160 страниц машинописного текста и содержит 151 формулу и 69 рисунков.

4.3 Выводы к четвертой главе

1. Представлен анализ зависимости интегрального потребления энергии АС от высоты размещения антенны БС, найдено оптимальное значение высоты (локальный минимум потребления энергии) для различных ДНА и радиусов зон обслуживания.

2. Показана возможность снижения потребления энергии абонентскими станциями путем синтеза диаграмм направленности антенной решетки БС и выбором высоты ее размещения. Очевидным выглядят возможности применения интеллектуальных (smart) антенн для оптимизации параметров беспроводных сетей подвижной связи поколения 4G.

3. Установлено, что увеличение числа вибраторов ведущее к увеличению коэффициента усиления антенн, тем не менее, приводит в ряде случаях к увеличению потребления энергии от источников питания АС. Например, при радиусах зон обслуживания равных 3 и 5 км, четырехэле-ментная антенная решетка обеспечивает примерно в 2 раза меньшее потребление АС относительно восьмиэлементной для, хотя и при большей высоте.

Заключение

Полученные и представленные в данной работе результаты расширяют возможности повышения эффективности систем подвижной радиосвязи. Результаты и рекомендации могут быть использованы при расчете и построении мобильных наземных телекоммуникационных систем. В соответствии с целью диссертации и поставленными задачами получены следующие основные результаты.

1. Для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных интервалов с коррелированными замираниями уровней, определены: аналитическая зависимость плотности вероятности уровня сигнала и плотности вероятности отношения сигнал/шум (ОСШ), надежность линии связи, вероятность ошибки, дисперсия, среднее значение и средний квадрат уровня сигнала. Установлено, что для этой линии связи вероятность ошибочного приема при возрастании коэффициента корреляции, несмотря на увеличение среднего уровня сигнала, возрастает, поскольку в указанном канале ростом дисперсии и среднего уровня сигнала мода плотности вероятности снижается, замирания сигнала в канале становятся более глубокими.

2. Предложен алгоритм прерывистой связи в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями, снижающий вероятность ошибочного приема некоторым снижением спектральной эффективности. Установлено, что применение прерывистой связи в каналах с релеевскими замираниями спектрально эффективнее относительно использования кодов Рида-Соломона.

3. Предложен алгоритм синтеза прерывистой связи с разнесенным приемом в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора (ком-плексирования прерывистой связи с разнесенным приемом). Установлено, что применение указанного алгоритма повышает помехоустойчивость приема относительно одиночной прерывистой связи. В релеевском канале указанное применение снижает вероятность ошибки относительно разнесенного приема с оптимальным сложением ветвей разнесения выше определенного порога, возрастающего от числа ветвей разнесения. В канале с логнормальными замираниями комплексирование прерывистой связи с разнесенным приемом, при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора, снижает вероятность ошибки относительно разнесенного приема без прерывистой связи при объединении ветвей разнесения по такому же алгоритму.

4. Предложена методика анализа интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС. Получена аналитическая зависимость этого потребления от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС, определена оптимальная высота подвеса антенн, по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов. Очевидным выглядят возможности применения интеллектуальных (smart) антенн для оптимизации параметров беспроводных сетей подвижной связи поколения 4G.

1. Джейке У.К. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. — М.: Связь, 1979 .-520 с.

2. Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. М.: Радио и связь, 1985.-392с.

3. Прокис Дж. Цифровая связь. — М.: Радио и связь, 2000. 800 с.

4. Richard V.N., Prosad R. OFDM for Wireless Multimedia Communications. London, Artech House, 2000. - pp. 280.

5. ETSI EN 300 744 V14.1 (2001-01). European Standard (Telecommunication series).

6. IEEE 802.16e-2005. Standard for Local and metropolitan area networks.

7. Андреев Г.А., Гладышев Г.А., Хохлов Г.И. Распределение поля пучка миллиметровых волн в зоне тени препятствия // Радиотехника и электроника. 1997. - Т.42. - №3. - С. 290-294. .

8. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. Дифракция пучка ММВ на крыше и углу здания // Труды LVI Научной сессии, посвященной дню радио, Мо-сква-2001. — Т. II,-С. 242.

9. Tenerelli Р.А. Measurements of 28 GHz Diffraction Loss by Building Corners // Proc. of the "9th IEEE PIMRC'98 Symposium." Boston, MA, USA, 1998. pp. 1166-1169, vol.3.

10. Андреев Г.А., Огарев C.A., Хохлов Г.И. Характеристики поля пучка миллиметровых волн в тени лесопарковой зоны // Радиотехника и электроника. 1998. - Т.43. - №11. - С. 1301-1309.

11. П.Андреев Г.А., Фролова Е.В. Помехи в атмосферных радиолиниях ММ диапазона волн цифровой сотовой сети связи // Электросвязь, 1997.-№3.-С. 26-28.

12. Андреев Г. А., Корбаков Д.А. Много путевое распространение пучка ММВ в городских и пригородных условиях // Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2002.-С .217.

13. Violette E.J. at all. Millimeter Wave Propagation at Street Level in an Urban Environment // IEEE Transactions on Geoscience and remote sensing, vol. 26, No. 3, May 1988, pp. 368-380.

14. Колюбакин В. Новые спутники и VSAT-технология два кита дальнейшего развития коммуникаций в России // Телеспутник. - 2004. -№6. - С. 42-46.

15. Новожилов Н., Слинько В., Соломатин Е. VSAT направления развития // Мир связи - Connect. - 2006. - №12. - С. 124-125.

16. Гладченков А".,Спутниковые технологии VSAT и информационная безопасность сети // Журнал сетевых решений / LAN. 2007. - Т. 13. — №9 (134).-С. 40-44.

17. Тихонов В.И. Статистическая.радиотехника. 2-е изд. пер. и доп. М.: Советское радио, 1966. - 678 с.

18. Слюсар В. СистемыЛУ11МО: принципы построения и обработка сигналов // Электроника. 2005. - №8. - С. 52-58.19. http://expert.com.ua/308.html

19. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. Особенности расчета надежности радиосвязи в мобильных системах // Мобильные системы. 2005. -№2. — С. 26-29:

20. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. О выборе видов разнесения сигналов • и способов объединения ветвей приема в мобильных системах связи //

21. Мобильные системы. 2006. - №3. - С. 45-48.

22. Максимов О.Н., Постюшков М.В1 Методика расчета вероятности двусторонней связи в радиолиниях // Радиотехника. — 2003. — № 4. — С. 78-80.

23. Давенпорт Б.В., Рут B.JI. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. М.: Издательство иностранной литературы, 1960. - 459 с.

24. Справочник по специальным функциям под ред. М. Абрамовича и И. Стиган. М.: Наука, 1979. - 832 с.

25. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974. — 832 с.

26. Moon Т.К. Error Correction Coding. — Wiley Interscience, 2005. pp. 756.

27. Скляр Б. Цифровая связь. М.:Вильямс, 2003. - 1104 с.

28. Андронов И.С., Финк JI.M. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. М.: Советское радио, 1971. — 406 с.

29. Волков JI.H., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи. М: Эко-Трендз, 2005. — 392 с.

30. Alwan A, Bagrodia R., Bambos N. Adaptive Mobile Multimedia Networks. IEEE Personal Communications, April, 1996, vol.3, (no.2), pp. 3451.

31. Jubin J. and Tornow J. The Dapra Packet Radio Network Protocols. -Proc. IEEE, 1987, vol. 75, no. 1, Jan. pp. 21-32.

32. Горяинов B.T., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Примеры и задачи. — М.: Радио и связь, 1980. 544 с.

33. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - 1100 с.

34. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1986.-544 с.

35. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды, дополнительные главы. — М.: Наука, 1986. 800 с.

36. Никифоров А.Ф., Уваров В.Б. Основы теории специальных функций. -М.: Наука, 1974.-303 с.

37. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М.: Наука, 1969. 576 с.

38. Купер Дж., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. -М.: Мир, 1989. 376 с.

39. Андрианов М.Н., Киселев И.Г. О повышении помехозащищенности передачи дискретных сообщений в каналах с замираниями. // М., Мобильные системы. 2007. - №4. - С. 13-16.

40. Кларк Дж. мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь, 1987. - 392 с.42.3аездный А.М: Основы расчетов по статистической радиотехнике. Издание 2-е. М.: Связь, 1981. - 448 с.

41. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Часть II. Случайные поля. М.: Наука, 1978. -463 с.

42. Андреев Г.А., Андрианов М.Н. Вероятности ошибок кодированных фазоманипулированных сигналов с логнормальными амплитудными флуктуациями в гауссовом шуме // Радиотехника-и электроника. — 2003. Т. 42. - №12 - С. 1466-1470.

43. Андрианов-М.Н^ Особенности прерывистой связи в канале с логнормальными замираниями // Метрология. — 2009. №5. - С. 35-43.

44. Андрианов М.Н., Киселев И.Г. Вероятность ошибки в каналах со случайными параметрами при комплексировании прерывистой передачи и разнесенного приема // М., Мобильные системы. 2007. - №5. - С. 4447.

45. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. -М.: Наука, 1967.-548 с.

46. Андрианов M.HI Эффективность комплексирования прерывистой подвижной» связи с разнесенным приемом сигналов в канале с логнормальными замираниями // Известия института инженерной физики. -2009.-№2.-С. 67-71.

47. Андрианов М.Н. Эффективность передачи данных мультимедиа в беспроводных каналах со случайными параметрами // ТСС (Технологии и средства связи). 2009. - №2. - С. 48-49.

48. Кловский Д.Д., Сойфер В.А. Обработка пространственно-временных сигналов. -М.: Связь, 1976. -208 с.

49. Киселёв И.Г., М.Андрианов М. Н., Устьянцев С.В. О повышении эффективности регулирования мощности передатчиков в адаптивных линиях радиосвязи // Первая миля. 2008. — №6. С. 12-14.

50. Cripps S. Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design. — London, Artech House, 2002. pp: 400.

51. Kenington P. High Linearity RF Amplifier Design. — London, Artech House, 2000.-pp. 531.

52. Pothecary N. Multicarrier Signal Analysis and Linear Power Amplifier Design Software. — London, Artech House; 2002.

53. Мейнке X. и Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник. Т. 1, М.-JL: Госэнергоиздат, 1961. — 416 с.

54. Понаморев Г.А., Куликов А.Н., Тельпуховский Е.Д. Распространение УКВ в городе. Томск.: МП Раско, 1991. -222 с.I

55. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. Влияние параметров антенно-фидерного оборудования базовых станций на величины энергии, потребляемой носимыми терминалами. // М., Мобильные системы. — 2007.-№2.-С. 57-60.

56. Калиткин Н.Н. Численные методы. — М.: Наука, 1978. — 512 с.

57. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 5-е изд. М.: Физматлит, 2004 -559 с.

58. И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986.-512 с.