Передача информации в условиях многолучевого распространения радиоволн

Содержание
Содержание.............................................................2
Введение...............................................................5
Глава 1. Методы расчета характеристик радиоканала (обзор литературных источников)............................................................14
1.1 Расчет физических характеристик радиоканала - методы прогнозирования распространения радиоволн.........................14
1.1.1 Физические характеристики радиоканала........................14
1.1.2 Эмпирические и статистические методы прогнозирования распространения радиоволн......................................15
1.1.3 Детерминированные методы прогнозирования распространения радиоволн......................................................17
1.1.3.1 Метод трассировки лучей..................................18
1.1.3.2 Методы численного решения уравнений Максвелла............19
1.1.3.2.1 Метод конечных интегралов............................19
1.1.3.3 Метод доминантных трасс..................................21
1.1.3.4 Комбинированные методы...................................23
1.1.4 Экспериментальные исследования точности метода трассировки лучей..........................................................24
1.1.4.1 Исследования точности метода трассировки лучей на основе измерений характеристик радиоканала по передаче энергии..........24
1.1.4.2 Исследования точности метода трассировки лучей на основе измерений пространственно-временных характеристик радиоканала . 24
1.1.5 Исследования точности методов численного решения уравнений Максвелла......................................................34
1.1.6 Сравнительный анализ точности различных методов..............38
1.1.7 Исследования зависимости точности прогнозирования от пространственной детализации прогнозирования...................39
1.1.8 Исследования зависимости точности прогнозирования от детальности описания среды.....................................39
1.2 Критерии описания качества радиоканала...........................42
1.3 Расчет характеристик беспроводных каналов передачи информации... 44
1.3.1 Характеристики канала передачи информации....................44
1.3.2 Существующие методы расчета характеристик канала передачи информации.....................................................45
1.3.3 Экспериментальные исследования точности методов прогнозирования характеристик радиоканала передачи информации 46
Глава 2. Сравнительный анализ методов прогнозирования физических характеристик радиоканала с использованием высокодетализированного
описания среды и экспериментальных исследований........................48
2.1 Используемые модели..............................................48
2.1.1 Описание среды...............................................48
2.1.2 Метод трассировки лучей......................................49
2
2.1.3 Метод конечного интегрирования.............................50
2.1.4 Эмпирическая модель........................................50
2.2 Экспериментальные измерительные комплексы и условия проведения измерений........................................................51
2.3 Исследование точности прогнозирования уровня электромагнитного поля.............................................................55
2.3.1 Исследование возможности прогнозирования уровня электромагнитного поля в точке пространства (уровня мелкомасштабных замирании)....................................................55
2.3.2 Прогнозирование статистических оценок уровня поля в Л/2-окрестностях точек пространства...............................58
2.3.2.1 Оценка возможности использования усреднения экспериментально измеряемых физических характеристик радиоканала по частоте вместо усреднения по пространству..............60
2.3.2.2 Относительные измерения и нормировка...................61
2.3.2.3 Пространственные распределения средних локальных уровней электромагнитного поля....................................61
2.3.3 Сравнение рассчитанных и измеренных уровней поля, усредненных на больших, чем длина волны, пространственных масштабах.......68
2.4 Исследование точности прогнозирования профилей временного рассеяния........................................................69
2.4.1 Зависимость профиля временного рассеяния от ширины полосы зондирующего радиосигнала.....................................69
2.4.2 Зависимость профиля временного рассеяния от центральной частоты зондирующего сигнала..................................72
2.4.3 Пространственные распределения профиля временного рассеяния 74
2.4.3.1 Сравнительный анализ методов численного решения уравнений Максвелла и трассировки лучей.............................74
2.4.3.2 Исследование точности метода трассировки лучей зондированием сверхширокополосным сигналом................76
2.5 Выводы.........................................................79
Глава 3. Определение критериев оценки качества радиоканала в системах передачи информации..................................................82
3.1 Исследование на модели канала с плоскими замираниями...........83
3.2 Исследование для реального радиоканала внутри здания...........86
3.3 Выводы.........................................................90
Глава 4. Детерминированный метод расчета характеристик канала передачи информации в условиях многолучевого распространения радиоволн........92
4.1 Учет стохастических свойств канала при расчете характеристик передачи информации..............................................93
4.2 Описание метода................................................96
4.3 Экспериментальные исследования точности разработанного метода... 98
4.3.1 Реализация метода............................................98
4.3.1.1 Модели систем передачи информации......................99
3
4.3.1.1.1 Моделирование узкополосных цифровых систем передачи
информации (канал с плоскими замираниями).......................99
4.3.1.1.2 Моделирование широкополосных цифровых систем передачи информации (канал с частотно-селективными замираниями)...................................................101
4.3.2 Экспериментальный комплекс для измерения характеристик канала передачи информации...........................................103
4.3.3 Исследование возможности прогнозирования характеристик канала передачи информации в точке пространства......................105
4.3.4 Прогнозирование статистических оценок характеристик канала передачи информации в Я/2-окрестностях точек пространства 110
4.3.4.1 Средняя локальная пропускная способность и вероятность ошибки на бит.............................................110
4.3.4.2 Минимальная и максимальная пропускная способность 117
4.3.5 Прогнозирование статистических оценок характеристик канала передачи информации по большим, чем А/2-окрсстности, пространственным областям.....................................122
4.4 Выводы..........................................................124
Глава 5. Исследование зависимости точности прогнозирования от пространственной детализации прогнозирования..........................126
5.1 Обобщение экспериментальных результатов.........................127
5.2 Построение аналитической модели.................................129
5.3 Выводы..........................................................132
Глава 6. Прогнозирование и экспериментальные измерения пространственного распределения скорости передачи данных беспроводной сети стандарта ІЕЕЕ 802.11........................................... 134
6.1 Выводы..........................................................139
Основные результаты и выводы..........................................140
Список литературы.....................................................143
4
Введение
Работа посвящена исследованию свойств каналов передачи информации в условиях многолучевого распространения радиоволн. Многолучевое распространение характерно для городской среды и радиоканалов внутри зданий. В силу интерференции волн, приходящих в точку приема с различными амплитудами и фазами, возникает искажение пространственно-временной структуры полезного сигнала, в частности его дисперсия и замирания. Это сказывается на качестве, скорости и надежности передачи информации. Многолучевое распространение необходимо учитывать в системах стационарной и мобильной радиосвязи.
В научной литературе отсутствуют общие методы расчета характеристик канала передачи информации в условиях многолучевого распространения радиоволн. В существующих методах прогнозирования параметров радиоканала, в большинстве случаев, осуществляется определение его физических характеристик (ташгх как затухание, профиль временного рассеяния) на основе моделирования распространения радиоволн. Для этого используются эмпирические, статистические, детерминированные и комбинированные модели.
Эмпирические методы основываются на обобщении статистически значимой выборки результатов экспериментальных измерений (как правило, затухания радиоволн с расстоянием) для различных условий распространения радиоволн. Эти методы являются наименее точными, так как не учитывают особенностей среды. Болес точные статистические модели включают коэффициенты, учитывающие обобщенную статистику, зависящую от условий распространения радиоволн [1]. Результатом расчета с использованием эмпирических и статистических методов в большинстве случаев является затухание в радиоканале. Детерминированные модели (например, методы трассировки лучей, основанные на приближениях геометрической оптики и теории дифракции, методы численного решения уравнений Максвелла и др.) характеризуются определенностью (детерминированностью) начальных и граничных условий для решения задачи распространения радиоволн. Такие модели являются наиболее строгими и позволяют рассчитывать произвольные характеристики многолучевого радиоканала. Их основные недостатки - высокая вычислительная трудоемкость и необходимость наличия подробного описания среды (геометрической структуры- и распределения электрофизических характеристик материалов).
Основной тенденцией развития систем связи является непрерывное увеличение требований к скорости передачи информации. В многопользовательских системах увеличивается число пользователей и их скорости передачи (растет емкость системы). Это обусловливает необходимость уменьшения радиуса сот системы связи ввиду ограниченного частотного и энергетического ресурса. На малых пространственных
5
масштабах эмпирические и статистические методы приводят к существенным ошибкам расчета ввиду высокой неоднородности среды [9], [10]. Детерминированные модели в этом случае обеспечивают высокую точность, а их вычислительная трудоемкость при малых пространственных масштабах не так высока. Кроме того, статистические и эмпирические методы описывают канал лишь потерями, что является недостаточным для определения характеристик современных цифровых систем (со многими несущими, многоэлементными антенными системами (М1МО), сверхширокополосных и других систем) [11], [12]. Для описания радиоканала в таких системах используются его пространственные и временные характеристики: профиль временного рассеяния, угловое распределение принимаемой мощности.
Таким образом, тенденции развития систем передачи информации приводят к необходимости применения детерминированных методов для расчета характеристик радиоканала [11], [12]. Актуальным представляется развитие данных моделей.
В диссертационной работе исследуются детерминированные методы прогнозирования распространения радиоволн, позволяющие определять произвольные физические характеристики радиоканала - метод трассировки лучей (основанный на приближениях геометрической оптики и теории дифракции) и метод численного решения интегральных уравнений Максвелла в трехмерной реализации. Модели численного решения уравнений Максвелла являются наиболее точными, однако в строгой трехмерной реализации для расчета распространения радиоволн на практически значимых пространственных масштабах до настоящего времени почти не применялись (ввиду высокой вычислительной трудоемкости). Применение таких методов позволяет осуществить строгую оценку точности приближенных моделей, устанавливает достижимые границы по точности расчета.
Литературные источники [13] свидетельствуют о том, что во многих случаях, несмотря на применение детерминированных моделей, точность прогнозирования характеристик радиоканала во многих случаях является неудовлетворительной. Это обусловлено, прежде всего, недостаточной детальностью описания среды и ее нестационарностью. Таким образом, актуальным является развитие методов повышения точности детерминированных моделей расчета харакгеристик канала.
В настоящее время не существует единого подхода к определению критериев качества открытых радиоканалов в системах цифровой связи. В большинстве работ для описания качества радиоканала используются его физические характеристики, традиционно применяющиеся для аналоговых систем: затухание волн в канале, отношение сигнал/шум (включая помехи), профиль временного рассеяния и другие параметры. Широкое использование данных характеристик объясняется, в первую очередь, простотой их расчета и измерений. В значительно меньшем числе работ применяются строгие критерии качества радиоканала - параметры канала передачи информации,
6
<
I
I
I
такие как вероятность ошибки на бит, пропускная способность, скорость передачи данных.
Описание качества радиоканала является актуальным в практических задачах планирования и развертывания систем беспроводной передачи информации. Расчет или экспериментальные измерения пространственных распределений характеристик радиоканала позволяет осуществить планирование беспроводных систем: определить оптимальное расположение приемно-передающих антенн, выработать требования к техническим характеристикам приемо-передатчиков. Экспериментальные измерения пространственных распределений параметров канала необходимы при развертывании систем связи и вещания для проверки достигнутых характеристик систем. Определение статистически значимой выборки реализаций радиоканала позволяет построить модели радиоканала для конкретных условий распространения радиоволн, что является необходимым при разработке систем передачи информации, наиболее эффективных в данных условиях.
Таким образом, представляется актуальным определение Крит риев качества радиоканала в цифровых системах передачи информации и развитие методов расчета характеристик передачи информации, позволяющих осуществлять строгую оценку качества радиоканала.
В диссертационной работе впервые развит общий детерминированный метод расчета характеристик информационного канала (пространственные распределения пропускной способности, вероятности ошибки на бит, скорости передачи и др.) на основе известных данных о свойствах среды. Разработанный метод был проверен экспериментально с использованием созданных в рамках работы экспериментальных измерительных комплексов.
Цель работы - проведение детальных теоретических и экспериментальных исследований беспроводного канала передачи информации в условиях многолучевого распространения радиоволн, включая анализ физических характеристик радиоканала и качества передачи информации, установление их взаимосвязи, разработку методов расчета характеристик канала. В соответствии с этим, решались следующие задачи.
1. Сравнение различных моделей распространения радиоволн. Анализ применимости моделей для современных систем беспроводной передачи информации и существующих условий распространения радиоволн, определение точности моделей на основе экспериментальных исследований.
2. Развитие строгих трехмерных методов численного решения уравнений Максвелла в применении к задачам расчета распространения радиоволн на пространственных масштабах десятков - сотен длин волн.
3. Определение критериев качества радиоканала в системах цифровой передачи информации. Сравнение критериев качества радиоканала, основанных на его физических характеристиках
7
(затухание, отношение сигнал/шум, включая помехи, профиль временного рассеяния и др.) и характеристиках канала передачи информации (таких, как вероятность ошибки на бит, пропускная способность).
4. Разработка общего метода расчета характеристик канала передачи информации, применимого для различных систем связи, условий распространения радиоволн и пространственных масштабов прогнозирования.
5. Исследование способов повышения точности расчета характеристик радиоканала в условиях многолучевого распространения радиоволн.
6. Создание экспериментальных методов и средств исследования свойств радиоканала и беспроводного канала передачи информации. Проведение экспериментальных исследовании точности разработанных моделей.
Научная новизна работы.
В работе впервые получены следующие результаты:
1. Развит и применен метод численного решения интегральных уравнений Максвелла в трехмерной реализации для расчета распространения радиоволн на пространственных масштабах десятков - сотен длин волн. Экспериментальные исследования показали высокую точность расчета уровня поля с использованием данного метода (стандартный разброс1 отклонений рассчитанных значений от измеренных составлял 1.1 -2.4 дБ).
2. Установлено, что вместо физических характеристик радиоканала для оценки его качества в общем случае необходимо использовать характеристики передачи информации. При использовании физических характеристик ошибка оценки качества радиоканала достигала трех порядков в определении средней в области пространства вероятности ошибки на бит.
3. Разработан общий детерминированный метод расчета характеристик многолучевого канала передачи информации. Этим методом впервые проводится определение статистических оценок характеристик канала в областях пространства размером существенно больше длины волны, что позволяет увеличить точность расчетов. Экспериментально получена среднеквадратическая ошибка метода при расчете средней пропускной способности в локальных окрестностях точек пространства менее 20 %.
'Для описания точности методов прогнозирования используется средняя ошибка прогнозирования и среднеквадратическое отклонение ошибки прогнозирования (стандартный разброс отклонений расчета от измерений). Средняя ошибка описывает систематическую ошибку расчета. Наиболее распространенной в литературе оценкой точности прогнозирования является среднеквадратическое отклонение ошибки. СКО ошибки описывает вариацию расчета относительно измерений и, таким образом, служит подходящей оценкой точности модели [56]. В случае, если систематические ошибки расчетов и измерений отсутствуют (либо результаты нормализованы), СКО ошибки показывает наиболее вероятное отклонение результата расчетов от измерений. При этом СКО ошибки равно срсдпеквадратичсской ошибке.
8
4. Определена зависимость точности расчета статистических оценок параметров канала (среднее, минимальное, максимальное) от размера областей пространства, на которых рассчитываются статистические оценки. В большинстве случаев получено существенное повышение точности расчета при увеличении размеров областей.
5. Разработан экспериментальный измерительный комплекс для сверхширокополосного зондирования среды распространения радиоволн, позволяющий осуществлять генерацию коротких (до одного периода несущей) радиоимпульсов с центральной частотой, выбираемой в диапазоне 30 МГц — 3 ГГц. Зондирование среды короткими радиоимпульсами в условиях многолучевого распространения радиоволн позволяет судить о лучевой структуре.
6. Предложен и реализован экспериментальный метод усреднения по частоте для получения средних значений уровня поля в Я/2-окрестностях точек пространства вместо пространственного усреднения. Определен критерий необходимого диапазона изменения частоты, соответствующий перемещению антенны в Я/2-окрестности. Разработанный метод позволяет существенно упростить и автоматизировать процедуру проведения экспериментальных исследований.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обеспечивается экспериментальными исследованиями, проведенными в рамках работы с целью проверки всех сделанных предположений и аналитических выводов.
Научная и практическая значимость работы.
В работе развит строгий трехмерный метод численного решения интегральных уравнений Максвелла в применении к задаче расчета распространения радиоволн на пространственных масштабах десятки - сотни длин волн. Метод позволяет производить проверку приближенных моделей и устанавливает достижимые границы по точности расчета.
Определены критерии оценки качества радиоканала в системах цифровой передачи информации. Показано, что в общем случае необходимо использовать параметры передачи информации для определения качества радиоканала. Применение информационных характеристик позволит существенно увеличить точность оценки качества радиоканала существующими моделями.
Разработан общий детерминированный метод расчета характеристик беспроводного канала передачи информации, применимый для различных систем передачи и условий распространения радиоволн.
Показана возможность уменьшения погрешности расчета характеристик радиоканала за счет прогнозирования статистических оценок параметров канала по областям пространства размером существенно больше длины
9
волны вместо прогнозирования характеристик канала в точках пространства. Это позволяет повысить точность существующих моделей.
Предложенный детерминированный метод расчета характеристик канала передачи информации может’ быть непосредственно применен в практических задачах планирования беспроводных систем передачи информации. Результаты расчета с помощью метода могут быть использованы для определения зон покрытия, для выбора оптимальных положений базовых станций, минимизации их количества и определения требуемых параметров приемо-передатчиков. Применение метода позволяет достичь более высокой эффективности беспроводных систем, что обусловлено 1) использованием строгих критериев описания качества радиоканала (характеристик канала передачи информации) и 2) высокой точностью расчета, обусловленной определением статистических оценок характеристик канала по пространственным областям вместо прогнозирования характеристик канала в точках пространства.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Использование характеристик передачи информации для корректной оценки качества радиоканала. Применение среднего по области пространства коэффициента передачи радиоканала для оценки его качества может приводить к существенным ошибкам: до 3 порядков в определении средней в данной области пространства вероятности ошибки на бит.
2. Общий детерминированный метод расчета характеристик
беспроводного канала передачи информации, включающий 3 этапа: 1) моделирование распространения радиоволн с использованием
детерминированной модели; 2) расчет статистических оценок параметров информационного канала в Л/2-окрестностях точек пространства методом Монте-Карло; 3) определение статистических оценок характеристик канала передачи информации по областям пространства размером существенно больше длины волны с целью увеличения точности расчета.
Экспериментальные исследования подтвердили высокую точность метода: стандартный разброс отклонений результатов расчета от измерений средней в локальных областях пространства пропускной способности составил менее 20 %.
3. Два способа повышения точности расчета статистических оценок параметров радиоканала по областям пространства: 1) увеличение размеров областей, по которым осуществляется расчет статистических оценок параметров канала и 2) увеличение количества точек расчета в каждой области (т.е., размещение точек с меньшим пространственным шагом). Повышение точности наблюдалось в проведенных экспериментах как для физических параметров радиоканала, так и для характеристик канала передачи информации.
4. Применение метода конечных интегралов для расчета распространения радиоволн на масштабах десятки и сотни длин волн. Используемая трехмерная модель является строгой, ввиду чего позволяет
10
производить оценку точности приближенных методов, устанавливает достижимые пределы по точности расчета. Стандартный разброс отклонений результатов расчета уровня поля с помощью метода от измерений составил
1.1 -2.4 дБ.
5. Экспериментальная методика сверхширокополосного зондирования среды распространения радиоволн короткими радиоимпульсами на различных несущих частотах. Методика включает измерение профилей временного рассеяния, позволяющих судить о лучевой структуре, исследование зависимости параметров лучевой структуры (амплитуд, задержек при распространении и углов прихода лучей) от частоты. Использование методики позволяет оценивать применимость и точность моделей многолучевого распространения радиоволн, а также определять параметры широкополосных радиоканалов.
6. Экспериментальный метод усреднения по частоте сигнала для получения средних значений уровня ноля в Я/2-окрестностях точек пространства вместо пространственного усреднения. Разработанный метод позволяет существенно упростить и автоматизировать процедуру проведения экспериментальных исследований, повысить их точность.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, включающего 84 наименования. Работа иллюстрирована 83 рисунками и содержит 9 таблиц. Полный объем диссертации составляет 149 страниц.
В Главе 1 представлен обзор научных публикаций, посвященных моделям распространения радиоволн, способам описания радиоканала, расчету характеристик канала передачи информации в условиях многолучевого распространения радиоволн. Проводится сравнение существующих моделей распространения радиоволн, описываются экспериментальные оценки применимости и точности моделей. Среди рассмотренных методов, требованиям описания радиоканала в современных системах цифровой передачи информации удовлетворяют лишь метод трассировки лучей, основанный на приближениях геометрической оптики и теории дифракции, и методы численного решениях уравнений Максвелла. Описываются существующие критерии определения качества радиоканала. Представлен обзор публикаций, посвященных расчету характеристик канала передачи информации в условиях многолучевого распространения радиоволн.
В Главе 2 проводится сравнительный анализ моделей распространения радиоволн: метода трассировки лучей, метода численного решения
интегральных уравнений Максвелла и простой эмпирической модели экспоненциального затухания радиоволн с расстоянием на основе экспериментальных исследований. При моделировании использовалось детальное описание среды, включающее геометрическое описание и описание электрофизических характеристик материалов. Рассмотрены
11
экспериментальные методики и комплексы, созданные в рамках работы для исследования пространственных распределений уровня э/м поля и сверхширокополосных измерений профилей временного рассеяния. Исследуется возможность прогнозирования уровня поля в точках пространства. Оценивается точность расчета среднего уровня поля в локальных окрестностях точек при различных размерах окрестностей. Анализируется зависимость профилей временного рассеяния от ширины полосы и центральной частоты зондирующего радиосигнала. Определяется временное разрешение, необходимое для разделения многолучевых компонент при измерениях профиля временного рассеяния с целью исследования лучевой структуры. Исследуется точность приближений геометрической оптики и теории дифракции с помощью зондирования среды сверхширокополосным радиосигналом. Проводится сравнение точности прогнозирования профилей временного рассеяния методами трассировки лучей и конечных интегралов.
В Главе 3 определяются критерии качества радиоканала в системах беспроводной передачи информации. Проводится количественная оценка ошибок распространенного подхода, предполагающего определение качества радиоканала посредством усредненных физических характеристик (как правило, затухания в канале). Ошибки оцениваются аналитически с использованием модели радиоканала с плоскими Рэлеевскими замираниями, путем численного моделирования для реального радиоканала внутри здания и с помощью экспериментальных исследований.
В Главе 4 предложен общий детерминированный метод расчета характеристик канала передачи информации, применимый для различных систем беспроводной передачи информации и условий распространения радиоволн. Существенным отличием метода от существующих методов расчета характеристик канала является расчет статистических оценок параметров канала по пространственным областям вместо расчета параметров канала в точках пространства. Метод включает 3 этапа: 1) моделирование распространения радиоволн с использованием детерминированной модели; 2) расчет статистических оценок параметров информационного канала в Я/2-окрестностях точек пространства методом Монте-Карло; 3) определение статистических оценок характеристик канала передачи информации по областям пространства размером существенно больше длины волны с целью увеличения точности расчета. Описывается экспериментальный комплекс, созданный для измерения характеристик канала передачи информации. Проводится оценка точности предложенного метода с помощью экспериментальных исследований.
В Главе 5 исследуется зависимость точности прогнозирования статистических оценок характеристик канала от пространственной детализации прогнозирования. Пространственная детализация прогнозирования описывает размеры областей пространства, по которым рассчитываю гея статистические оценки параметров канала. Обобщаются экспериментальные результаты, полученные в главах 2 и 4. Построена
12