2
Оглавление
Введение...............................................................3
1. Геометрическая теория триангулярной решетки в приложении к описанию системы радиоизлучателей..............................................28
2. Система радиоизлучателей при отсутствии управляющих воздействий ....42
2.1. Временная структура суммарного сигнала синхронной паутинной сети..............................................................44
2.2. Корреляционные свойства суммарного сигнала.....................49
2.3. Диаграмма направленности излучений внутри паутинной сети.......56
3. Управление сетью излучателей с целью ослабления многолучевого распространения радиосигнала..........................................62
3.1. Зона активного рассеяния.......................................64
3.2. Зона подавления многолучевого распространения радиоволн........66
3.3. Выбор излучателей для формирования зон подавления. Алгоритм функционирования системы........................................ 69
4. Оптимизация распределения временного ресурса синхронной сети излучателей.......................................................... 76
4.1. Формулировка задачи в терминах дискретного линейного программирования.................................................7 8
4.2. Метод целочисленных форм Гомори................................83
4.3. Метод ветвей и границ..........................................97
4.4. Геометрическая интерпретация результатов оптимизации систем различной конфигурации...........................................104
Заключение...........................................................119
Библиографический список........................................... 121
Приложение...........................................................127
3
Введение
Термин “паутинная сеть” является общепринятым [5, 6] и употребляется для обозначения геометрической структуры, которую создают точки расположения базовых станций на территории зоны обслуживания сотовой системы наземной связи с подвижными абонентами. Именно такое расположение излучателей в узлах планарной гексагональной, или триангулярной решетки [14] является наиболее энергетически выгодным. Впервые опубликованная в 1968 г. концепция построения сотовых систем связи [47], подразумевавшая использование регулярной гексагональной структуры первичных ячеек, претерпела к настоящему времени некоторые изменения, касающиеся в основном возможности использования сот с варьируемыми вдоль зоны обслуживания размерами [18]. Тем не менее, основной принцип равномерного размещения излучателей остался в силе, по крайней мере, для ограниченных участков обслуживаемой территории. Возрастает интерес к разработке и созданию радиотехнических систем различного назначения, также использующий данный принцип, в частности, системы обеспечения секретности и скрытности радиосвязи. Помимо этого, необходимым атрибутом современных многопозиционных радиотехнических систем является той или иной степени сложности подсистема управления, способная влиять на определенные параметры излучаемых сигналов. Актуальными, таким образом, представляются вопросы, связанные как с изучением параметров электромагнитного поля внутри такой решетки излучателей, так и с разработкой алгоритмов управления, оптимизирующих использование пространственно-частотно-временного ресурса. Приведем краткий обзор работ, посвященных вопросу совершенствования систем с гексагональной конфигурацией размещения радиосредств, а также методам их теоретического и машинного моделирования.
4
Одной из главных целей, успешно решаемых системами передачи информации, имеющими гексагональную структуру зоны обслуживания, является увеличение числа каналов без ухудшения эффективности использования радиоспектра. Именно в этом вопросе сотовые системы передачи информации доказали свое неоспоримое преимущество перед централизованными системами, имеющими одну базовую станцию. Например, в таком крупном городе, как Нью-Йорк, централизованная подвижная радиотелефонная сеть может обслужить всего около 700 абонентов [36]. Ограничение на число обслуживаемых абонентов снимается при увеличении числа каналов в сотовых системах. Большинство из действующих в настоящее время сотовых систем проектировались в расчете на увеличение числа каналов путем постепенного “размельчения” ячеек. При этом достаточно включать в сеть новые базовые станции и уменьшать мощность передатчиков [31, 34, 35, 36, 43]. Например, система связи, созданная фирмой Bell Labs (США) и введенная в коммерческую эксплуатацию в районе г. Чикаго, первоначально строилась на основе группы из 12 ячеек большого (до 25 км в диаметре) размера с размещением базовых станций в центре каждой ячейки. Для увеличения емкости системы был осуществлен переход на субъячсйки малых размеров, диаметром около
3,2 км. Кроме того, антенны базовых станций были размещены не в центре, а в углах ячеек и субъячеек [43]. За счет этого удалось увеличить удельную емкость системы, представляющую собой количество рабочих каналов, приходящихся на единицу обслуживаемой площади, в 226 раз (с 0,129 до 92 канатов/км2). Причем, на тот момент число абонентов системы увеличивалось со скоростью около 100 абонентов в день [34].
Увеличения числа каналов системы можно достичь и несколько иным путем: применением направленных антенн на базовых станциях. По сути дела, это тоже дробление ячеек. Например, система радиотелефонной связи фирмы Motorola использует секториально направленные антенны базовых станций [31]. Такая антенна ведет прием из шести секторов зоны (расположена она в центре ячейки). Подобно тому, как система переключает абонен-
тов, пересекающих границы сот, секториальные приемники передают друг другу абонентов, перемещающихся из сектора в сектор. Такая организация позволила подвижным абонентам иметь передатчик, мощностью всего 1 Вт. Секториальная антенна принимает его с расстояния до 18 км. Упомянутая выше система связи в г. Чикаго использует на базовых станциях секториаль-но направленные антенны, имеющие ширину диаграммы направленности, равную 120° [31,36,43]. При этом шестиугольные ячейки в системе облучаются с трех направлений - из вершин трех несмежных углов ячейки. Теоретический анализ систем с секториально направленными антеннами дан в [35].
В работе [39] предложена система связи с подвижными объектами, зоны которой перекрываются. На базовых передатчиках, обслуживающих такие зоны, целесообразно применять направленные антенны, направление излучения которых постоянно изменяется. Как показано, это снизит потери на интерференцию сигналов от разных передатчиков в областях перекрытия.
Другую возможность увеличения числа каналов, а также повышение качества передачи и эффективности системы предоставляет метод автоматического управления мощностью передатчиков [33, 39, 40, 44]. В статье [33], в частности, показано, что если все передатчики системы связи снабжены устройствами автоматического управления мощностью, то можно обеспечить полную однородность качества передач в пределах данной ячейки. Это уменьшает мощность помех от совпадающих частотных каналов в \/(а/2+1) раз, где а - показатель затухания волн (он равен ~3,5 при расстояниях 1-20 км в городе). Проблеме управления мощностью передатчиков в сотовых системах радиосвязи целиком посвящена работа [44]. В ней предлагается адаптивная система управления мощностью передатчика того абонента, с которым в данный момент поддерживается связь. Получены теоретические характеристики качества работы такой системы, которые подтверждены лабораторными экспериментами.
6
В работе [40] предложен алгоритм регулирования мощности радиопередатчиков в коде установления и поддержания соединений между абонентами, а также соответствующие протоколы обмена цифровыми данными. Описана структурная схема автомобильного радиопередатчика, реализующего предложенные принципы. Рассмотрены динамические характеристики регулирования системы управления мощностью радиопередатчика в целом, полученные в ходе лабораторного моделирования. Также показано, что еще одним важным преимуществом регулирования мощности радиопередатчиков является повышенный срок службы автономных источников питания. Авторы [39] предлагают мощность излучения стационарных передатчиков базовых станций изменять по случайному закону. Это устранит в областях перекрытия ячеек затухание, вызываемое наложением противофазных сигналов от отдельных стационарных передатчиков.
Не менее важную роль для совершенствования систем передачи информации играет развитие методов выбора базовой станции для организации связи с подвижным абонентом и связанная с этим проблема повышения точности определения местоположения подвижного объекта. Множество работ [3, 17, 20, 25, 32, 37] посвящено рассмотрению этого вопроса. В [17], например, предлагается система, обеспечивающая устойчивую связь с подвижным объектом через сеть децентрализованных опорных станций. Выбор опорной станции для связи в данный момент осуществляет специальная управляющая станция путем сравнения уровня сигнала, передаваемого объектом, на входе приемников опорных станций. Работа [20] решает задачу повышения точности определения местоположения подвижных абонентов путем использования специального метода организации каналов контроля и управления сотовой системы связи в пределах группы первичных ячеек. Авторы [25] предлагают метод контроля приближения к границе зоны обслуживания, предназначенный для организации оперативного контроля местонахождения подвижной станции в пределах ячейки. При приближении абонента к границе зоны из центра управления на подвижную станцию выдается
7
команда на включение специального бортового устройства, точно указывающего момент перехода через границу зоны. Метод основан на сравнении уровней сигнала, принимаемого ближайшими к данному абоненту базовыми станциями. В [37] предлагается способ управления процессом определения местоположения подвижного объекта в сотовой системе связи, а также - устройства для его осуществления. Когда какой-либо подвижной абонент выходит из зоны действия базовой станции определенной ячейки системы, эта станция передает близрасположенным базовым станциям сигнал с требованием измерить и сообпщть напряженность электрического поля, создаваемого указанным подвижным объектом в диаграмме направленности каждой из их направленных антенн. Полученная таким образом информация передается в центр управления и коммутации системы связи, где определяются оптимальные канал и антенны для осуществления связи с данным подвижным абонентом. Сведения об оптимальных канале и антенне передаются на соответствующую станцию, после чего между указанной станцией и подвижным объектом устанавливается двусторонняя связь.
Вопросу усовершенствования систем связи с подвижными объектами, построенных по принципу использования единого сквозного канала контроля и управления всеми базовыми станциями системы, посвящена работа [3]. Здесь предлагается алгоритм функционирования такой системы в ситуации, когда подвижный абонент, находящийся на границе трех смежных ячеек, инициирует установление соединения. В этом случае канал контроля и управления этих ячеек предлагается синхронизировать на уровне базовых станций со стороны центральной станции системы таким образом, чтобы временные интервалы, отводимые каждой базовой станции для обмена служебной информацией с подвижной станцией, не пересекались. Тем самым обеспечивается минимизация времени установления соединения. Одновременно, на уровне подвижного абонента предлагается осуществлять измерение уровней сигналов, поступающих по каналу контроля и управления от базовых станций смежных ячеек, а также выбор для установления соединения
той базовой станции, условия радиосвязи с которой в данный момент являются наилучшими.
В статье [32] приведено описание системы связи с автоматическим выбором канала. В рассматриваемой системе распределение радиоканалов производится без участия центральной станции. Вместо этого подвижная станция и базовая станция, между которыми должна быть установлена радиосвязь, производят поиск канала с наименьшим уровнем помех или уровнем помех, ниже определенного порога. Указанный канал выбирается в качестве рабочего. Однако, при использовании такого способа организации связи может оказаться, что одновременно один и тот же канал будет выбран для связи сразу несколькими и подвижными, и базовыми станциями, что приведет к блокировке канала. В статье определена вероятность такого события для типовой радиосхемы с числом каналов 40, 60 и 80.
Рассматриваемые системы связи с подвижными абонентами, имеющие гексагональную структуру зоны обслуживания, работают в условиях наличия замираний и внутриканальных помех [33]. Одним из способов повышения качества связи в такой системе является использование разнесенного приема. Данному вопросу посвящен ряд работ [33, 35, 38, 48]. Статья [48] рассматривает систему связи с использованием приема с многократным разнесением и последующим объединением принятых сигналов. Многократное разнесение производится за счет применения нескольких приемных антенн на базовых станциях. В статье представлены результаты аналитических расчетов и моделирования на ЭВМ, позволяющие определить оптимальные характеристики схем объединения сигналов. Показано, что использование указанных оптимальных схем позволяет улучшить отношение сигнал/шум на несколько дБ. В качестве примера в статье рассмотрена система связи, на базовой станции которой установлена адаптивная антенная решетка, реализующая алгоритм наименьшего среднего квадрата при приеме сигналов с расширенным спектром, а в линии связи базовая станция - подвижный объ-
9
ект используется метод адаптивной повторной передачи простых сигналов с временным уплотнением.
В статье [35] исследуется возможные принципы построения систем связи с гексагональной структурой при включении в их состав портативных приемопередатчиков. Среди рассмотренных есть система с наличием редкого повторного использования частотных каналов. На стационарной станции такой системы используются всенаправленные антенны и высокочувствительные приемники с возможностью организации пространственно-разнесенного приема. Результаты анализа показывают, что всенаправленные антенны в сочетании с пространственно-разнесенным приемом обеспечивают достаточное усиление сигналов, принимаемых на стационарной станции. Авторы статьи [38] рассматривают возможность организации на стационарной станции системы связи поляризационно-разнесенного приема. Сигналы, излучаемые подвижными станциями поляризованы в вертикальной плоскости. Приемная антенна стационарной станции состоит из двух элементов, расположенных под определенным углом между собой. Приведены рассчитанные зависимости коэффициента корреляции между квадратами амплитуд сигналов на выходе элементов при различных конфигурациях антенны, а также уменьшения уровня принимаемого сигнала антенной с поляризационным разносом, относительно обычной антенны с вертикальной поляризацией. Теоретические выводы подтверждены результатами эксперимента, проведенного в районе Токио.
В статье [33] также рассмотрена возможность разнесенного приема. Причем, для описания используется следующая теоретическая модель. Эффекты затенения описываются логарифмически нормальным законом распределения сигнала. Предполагается также функционирование системы связи в условиях воздействия релеевских замираний. В статье показано, что разнесенный прием эффективен только для борьбы с замираниями, причем уровни некоррелированных сигналов в ветвях разнесения всегда должны превышать уровни шумов.
10
Вопросу развития принципов построения наземных систем связи с подвижными объектами посвящена статья [47]. Авторы пишут о том, что важнейшим отличием современной концепции построения сотовых систем связи является использование первичных ячеек с варьируемыми геометрическими размерами. Это объясняется как техническим прогрессом в области средств связи, так и накопленным опытом практического создания и эксплуатации систем подвижной связи. Отмечается также появление новых технических требований, предъявляемых к современным системам. В частности, указывается на необходимость распространения их действия на внутренние помещения зданий, находящихся на обслуживаемой системой территории.
И наконец, в качестве еще одного пути развития систем подвижной связи можно указать переход в таких системах от частотноманипулирован-ных сигналов для передачи цифровой информации и частотной модуляции для передачи телефонных сообщений к системам широкополосных сигналов. В работах [5, 6] доказывается преимущество систем связи с широкополосными сигналами над обычными сотовыми системами как при передаче цифровой информации служебных сообщений [5], так и при передаче речи телефонными сигналами [6].
Целый ряд работ по системам наземной связи с подвижными абонентами посвящен разработке теоретического описания и моделирования таких систем. Наиболее известный способ описания сотовых систем связи изложен в [5, 6]. Рассматриваемая автором система предполагает использование частотного разделения между сотами и кодового разделения ячеек, работающих в одной полосе. Концепция сотовой сети предполагает, что работа радиосредств ограничивается внешними стационарными помехами, - в отличие от обычной сети, где ограничивающим фактором является уровень внутренних шумов [36]. В [5, 6] взаимные помехи рассматриваются на основе модели паутинной сети (мешающие радиостанции находятся в узлах гексагональной концентрической решетки). В качестве основного параметра для характеристики помехи взято отношение сигнал / шум на выходе приемника, т.е. на вхо-
11
де решающего устройства. При рассмотрении системы связи с широкополосными сигналами предполагается их прием на фоне нормальных помех, имеющих в полосе канала равномерную спектральную плотность мощности. Работа [33] предлагает развитие данного метода описания систем связи. Исходным параметром по-прежнему является отношение сигнал/помеха от совпадающих каналов, но расчет проведен с учетом активности абонентов. Кроме того, произведено моделирование распространения радиоволн в системе. Отмечается, что в наземных системах связи с подвижными объектами принимаемый сигнал подвержен быстрым флуктуациям относительно кратковременного среднего уровня с медленными вариациями. Быстрые флуктуации описаны моделью рслеевских замираний. Слабые вариации кратковременного среднего уровня сигнала, обусловленные эффектами затенения, моделируются логарифмически нормальным законом распределения.
Иной подход к описанию систем связи использован в [40, 41]. Так в статье [41] применительно к сотовым системам связи введено понятие эффективности использования радиоспектра, как функции следующих параметров: коэффициента повторного использования радиочастот, трафика системы, обслуживаемой площади, общей и полезной ширины полосы частот рабочих каналов и др. Анализ систем связи проводится с позиций оптимизации параметров системы с целью достижения максимальных значений эффективности использования радиоспектра при сохранении высоких значений емкости системы связи в целом. В статье вводятся понятия “конструктивного фактора” системы и коэффициента использования полосы рабочих частот, являющиеся удобными комплексными показателями и связывающие межка-нальный разнос, количество каналов в ячейках, ширину полосы частот, индекс ЧМ-модуляции и другие параметры. В статье [33] также получены зависимости для спектральной эффективности систем подвижной связи с использованием описанной выше модели. Авторы [47] в своей статье прослеживают основные этапы эволюции методов теоретического описания систем подвижной связи. Они отмечают, что первоначально принятые методы описания к
- Київ+380960830922