Содержание к диссертации
Введение
CLASS 1. Анализ существующих алгоритмов оптимизации частотного ресурса и проблем электромагнитной совместимости РЭС беспроводного доступа с РЭС работающими в общих полосах частот. Постановка задачи исследований CLASS 18
1.1. Анализ существующих алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса 19
1.2. Определение проблем совместимости РЭС беспроводного доступа с РЭС работающими в общих полосах частот 25
1.2.1. Анализ особенностей функционирования систем беспроводного доступа, методов уменьшения помех и факторов, влияющих на электромагнитную совместимость 43
1.2.1.1. Особенности функционирования систем беспроводного доступа и анализ алгоритмов уменьшения помех 43
1.2.1.2. Анализ факторов, оказывающих влияние на электромагнитную совместимость систем беспроводного доступа и других РЭС. Основные ограничения и допущения 46
1.3. Постановка задачи и схема исследований 49
1.3.1. Выбор показателя для оценки помех, создаваемых СБД 50
1.3.2. Выбор показателя для оценки пропускной способности СБД 54
1.3.3. Смысловая и формализованная постановка задачи и методическая схема исследований 55
2. Разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса для системы беспроводного доступа 62
2.1. Сценарии развертывания системы беспроводного доступа 67
2.2. Определение радиуса зоны обслуживания СБД 69
2.3. Определение топологии СБД 74
2.4. Определение ЭМС в СБД 76
2.5. Определение необходимого количества ячеек 79
2.6. Определение системной емкости оборудования СБД 88
2.7. Определение необходимого частотного ресурса для СБД 89
3. Разработка методики электромагнитной совместимости систем беспроводного доступа с другими службами, работающими в общих полосах частот 93
3.1. Разработка методики оценки ЭМС между РЭС систем беспроводного доступа и ЗС ФСС в общих полосах частот 93
3.2. Разработка методики оценки ЭМС между РЭС систем беспроводного доступа и другими РЭС различного назначения в общей полосе частот 115
4. Прикладные результаты исследований 124
4.1. Исходные данные, принятые при проведении исследований 124
4.2. Оценка влияния параметров функционирования системы беспроводного доступа влияющих на частотный ресурс, а также уровни создаваемых ею помех и ее пропускную способность 125
4.2.1. Определение необходимого радиуса обслуживания БС 127
4.2.2. Размерность кластера, число секторов в соте и количество необходимых частотных каналов 130
4.2.3. Требуемое количество каналов в ячейке 131
4.2.4. Требуемое количество частотного ресурса 133
4.2.5. Параметры, влияющие на ЭМС РЭС СБД и ЗС ФСС 133
4.2.6. Анализ результатов оценки ЭМС РЭС СБД и ЗС ФСС 137
Заключение 141
Литература
- Анализ существующих алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса
- Сценарии развертывания системы беспроводного доступа
- Разработка методики оценки ЭМС между РЭС систем беспроводного доступа и ЗС ФСС в общих полосах частот
- Исходные данные, принятые при проведении исследований
Введение к работе
Особенностью современного состояния развития систем беспроводного доступа и других средств связи является значительный рост их числа, увеличение энергетических показателей передающих устройств, расширение зон обслуживания и, как следствие, усложнение проблем выделения (присвоения) новых полос частот и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) с различными радиоэлектронными средствами (РЭС) в общих полосах частот.
Поэтому одним из важных направлений обеспечения эффективного распределения и использования радиочастотного ресурса является применение алгоритмов оптимизации, использование которых позволит определить необходимый частотный ресурс, предназначенный для предоставления различных типов услуг связи, определенному количеству абонентов, в конкретном географическом регионе, с учетом ЭМС в данном регионе с действующими и планируемыми РЭС, а также с учетом функционирования и реальной пропускной способности оборудования.
Регулирование использования радиочастотного спектра в Российской Федерации является исключительным правом государства и обеспечивается в соответствии с международными договорами Российской Федерации и законодательством Российской Федерации посредством проведения экономических, организационных и технических мероприятий, связанных с конверсией радиочастотного спектра и направленных на ускорение внедрения перспективных технологий и стандартов, обеспечение эффективного использования радиочастотного спектра в социальной сфере и экономике, а также для нужд государственного управления, обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка [37].
Основополагающим законодательным документом в области управления радиочастотным спектром в Российской Федерации является Федеральный закон "О связи" от 7 июля 2003 года № 126-ФЗ [37]. Ряд вопросов в этой области также регулируются Федеральным законом "Об обороне" и Федеральным законом "Об органах федеральной службы безопасности" [38].
В соответствии с Федеральным законом "О связи" регулирование использования радиочастотного спектра в Российской Федерации осуществляется межведомственным коллегиальным органом по радиочастотам при Министерстве информационных технологий и связи
Российской Федерации, обладающим всей полнотой полномочий в области регулирования радиочастотного спектра.
Полномочия, задачи, функции Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ), а также порядок распределения радиочастот между радиослужбами и порядок принятия решений ГКРЧ определен Положением о ГКРЧ, утвержденным постановлением Правительства РФ от 2 июля 2004 г. № 336.
Организационные и технические меры по обеспечению надлежащего использования радиочастот или радиочастотных каналов и соответствующих радиоэлектронных средств или высокочастотных устройств гражданского назначения во исполнение решений Государственной комиссии по радиочастотам осуществляет специально уполномоченная служба по обеспечению регулирования использования радиочастот и радиоэлектронных средств при федеральном органе исполнительной власти в области связи (радиочастотная служба).
Использование в Российской Федерации радиочастотного спектра осуществляется в соответствии со следующими принципами [37]:
- разрешительный порядок доступа пользователей к радиочастотному
спектру;
- сближение распределения полос радиочастот и условий их
использования в Российской Федерации с международным распределением
полос радиочастот;
- право доступа всех пользователей к радиочастотному спектру с
учетом государственных приоритетов, в том числе обеспечения
радиочастотным спектром радиослужб Российской Федерации в целях
обеспечения безопасности граждан, обеспечения президентской связи,
правительственной связи, обороны страны и безопасности государства,
правопорядка, экологической безопасности, предотвращения чрезвычайных
ситуаций техногенного характера;
- платность использования радиочастотного спектра;
- недопустимость бессрочного выделения полос радиочастот,
присвоения радиочастот или радиочастотных каналов;
конверсия радиочастотного спектра;
прозрачность и открытость процедур распределения и использования радиочастотного спектра.
Федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере использования и конверсии радиочастотного спектра является Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации.
Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации выполняет функции администрации связи Российской Федерации при осуществлении международной деятельности в области связи.
Распределение радиочастотного спектра осуществляется в соответствии с Таблицей распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации и планом перспективного использования радиочастотного спектра радиоэлектронными средствами, которые разрабатываются государственной комиссией по радиочастотам и утверждаются Правительством Российской Федерации.
Право на использование радиочастотного спектра в Российской Федерации предоставляется посредством выделения полос радиочастот и присвоения (назначения) радиочастот или радиочастотных каналов.
Порядок принятия решений о выделении полос радиочастот определен "Положением о порядке рассмотрения материалов, проведения экспертизы и принятия решения о выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств", утвержденным решением ГКРЧ от 9 августа 2004 г. №04-01-05-1.
В полосах радиочастот категорий совместного пользования радиоэлектронными средствами любого назначения и преимущественного пользования радиоэлектронными средствами гражданского назначения выделение полос радиочастот для радиоэлектронных средств любого назначения, а в полосах радиочастот категории преимущественного пользования радиоэлектронными средствами, используемыми для нужд государственного управления, выделение полос радиочастот для радиоэлектронных средств гражданского назначения осуществляется государственной комиссией по радиочастотам.
В полосах радиочастот категории преимущественного пользования радиоэлектронными средствами, используемыми для нужд государственного управления, выделение полос радиочастот для радиоэлектронных средств, обеспечивающих президентскую связь, правительственную связь, оборону страны, безопасность государства и обеспечение правопорядка, осуществляется в Российской Федерации специально уполномоченным
федеральным органом исполнительной власти в области правительственной связи и информации и федеральным органом исполнительной власти в области обороны.
Порядок принятия решений о присвоении радиочастот определен "Положением о порядке проведения экспертизы, рассмотрения материалов и принятия решения о присвоении (назначении) радиочастот и радиочастотных каналов для радиоэлектронных средств в пределах выделенных полос радиочастот", утвержденным решением ГКРЧ от 9 августа 2004 г. № 04-01-06-1.
Присвоение (назначение) радиочастоты или радиочастотного канала для радиоэлектронных средств гражданского назначения осуществляется Федеральным агентством связи по заключению радиочастотной службы на основании заявлений граждан Российской Федерации или заявлений российских юридических лиц.
Присвоение (назначение) радиочастоты или радиочастотного канала для радиоэлектронных средств, используемых для нужд государственного управления, в том числе президентской связи, правительственной связи, нужд обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка, осуществляется специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области правительственной связи и информации и федеральным органом исполнительной власти в области обороны.
В соответствии с Федеральным законом "О связи" средства связи, иные радиоэлектронные средства и высокочастотные устройства, являющиеся источниками электромагнитного излучения, подлежат регистрации. Составной частью государственного управления использованием радиочастотного спектра и международно-правовой защиты присвоения (назначения) радиочастот или радиочастотных каналов является радиоконтроль. Радиоконтроль за радиоэлектронными средствами гражданского назначения осуществляется радиочастотной службой.
Системы беспроводного доступа (СБД) в соответствии с Таблицей радиочастот могут использовать полосы частот, распределенные фиксированной службе. В свою очередь, системы беспроводного доступа могут быть фиксированные и подвижные.
Рассмотрим перечень полос радиочастот, которые используются системами беспроводного доступа в рамках фиксированной службы на территории Российской Федерации (см. Табл. 1).
10 Табл. 1.
и
Как видно из Табл. 1 частотный ресурс, выделенный для систем беспроводного доступа ниже 10 ГГц практически исчерпан в больших городах. Полосы частот выше 10 ГГц в анализе не рассматриваются (т.к. частоты выше 10 ГГц пригодны лишь для связи прямой видимости, более того производители оборудования готовы производить оборудование, работающее в диапазонах ниже 6 ГГц).
За последние 3 года неуклонная потребность (по Решениям ГКРЧ и разрешениям Россвязи) в системах радиосвязи (спутниковые, навигационные, радиолокация, подвижная связь и многие другие) и возрастающий спрос на широкополосные сигналы исключают возможность использовать полосу частот только одной радиослужбой (за исключением сигналов бедствия и безопасности), что делает задачу эффективного использования полос частот различными радиослужбами весьма актуальной. Такая задача решается как на национальном, региональном, так и во всемирном масштабе. Каждые 3-5 лет на Всемирных конференциях радиосвязи происходит пересмотр Таблицы радиочастот Регламента радиосвязи с целью удовлетворения возрастающих потребностей администраций в новых радиотехнологиях и при этом, обеспечении необходимой защитой существующих радиослужб. СБД являются перспективными (в т.ч. для IMT-2000) и их внедрению уделяется много внимания, как на международном, так и национальном уровнях. При этом другие службы не собирается делиться спектром с СБД и, поэтому разработка условий использования в общей полосе частот с другими радиослужбами является задачей своевременной и важной.
В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, направленные на разработку алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса, которые позволят определить необходимый частотный ресурс для систем беспроводного доступа с учетом достижения максимальной эффективности использования частотного ресурса.
Исследованиям данного направления было посвящено большое количество работ как прикладного, так и общетеоретического характера:
отчеты о результатах частотного планирования, о нормировании параметров радиоизлучений и приема, рекомендации и стандарты Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейской конференции почт и электросвязи (СЕРТ), ряд национальных стандартов США, Японии и т.д.[64, 65, 66]. Вместе с тем проработка задачи оптимального частотного планирования пока недостаточна, иногда фрагментарна.
В работах [13, 14, 15, 16, 22, 26, 32, 39, 40] широко освещены проблемы расчета необходимого частотного ресурса и электромагнитной совместимости РЭС различного назначения, синтеза параметров РЭС беспроводного доступа, а также оптимизации работы РЭС с целью достижения в них максимальной потенциальной пропускной способности.
Анализ указанных работ показал, что, несмотря на значительное развитие этого направления прикладной науки, существующее методическое обеспечение, не позволяет решать данную задачу в полной мере. Сложность ее решения определяется большим количеством факторов, которые должны быть включены в методическую схему исследований, различными механизмами влияния параметров систем беспроводного доступа на их пропускную способность и на качество функционирования радиолиний систем работающих в общих полосах частот, необходимостью учета динамики и случайного характера исследуемых процессов. Также в данных работах не рассматривается возможности распределения частотного ресурса с учетом эффективных методов использования (например, повторное использование частот, метод динамического назначение каналов) и совместного функционирования РЭС беспроводного доступа с РЭС другого назначения в общих полосах частот.
Таким образом, целью диссертационных исследований является решение научной задачи исследование и разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса и разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса и выработки на ее основе практических рекомендаций для конкретных условий развертывания системы беспроводного доступа.
Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих исследовательских задач:
анализ особенностей географических условий функционирования РЭС системы беспроводного доступа;
анализ особенностей различных услуг связи, предоставляемых системами СБД;
анализ особенностей трафика для оказания различных услуг связи;
анализ особенностей функционирования РЭС системы беспроводного доступа при совмещении с действующими и планируемыми РЭС другого назначения в общих полосах частот, применяемых методов уменьшения помех и факторов, оказывающих наибольшее влияние на их электромагнитную совместимость;
разработка моделей и алгоритмов оптимизаций параметров РЭС системы беспроводного доступа, позволяющих проводить:
выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа;
оценку пропускной способности РЭС системы беспроводного доступа;
обоснование требований по защите РЭС системы беспроводного доступа от помех со стороны РЭС другого назначения.
проведение прикладных исследований для установления характера влияния различных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа на величину уровней помех, создаваемых РЭС системой беспроводного доступа в отношении РЭС другого назначения, а также для разработки практических рекомендаций по обеспечению электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения для конкретных условий их совместного функционирования.
Основу решения поставленных задач составили методы системного анализа, исследования операций, теорий вероятностей, передачи информации и электромагнитной совместимости.
Объектом исследований в диссертационной работе является частотный ресурс для радиоэлектронных средств систем беспроводного доступа. Предметом исследований - параметры функционирования радиоэлектронных средств системы беспроводного доступа.
Диссертация состоит из четырех глав, заключения, списка литературы и 5 приложений.
Первая глава посвящена постановке задачи исследования. Для этого проведен анализ существующих алгоритмов оптимизации частотного ресурса и проблем электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного
доступа с РЭС другого назначения, функционирующих в общих полосах частот. Рассмотрены особенности функционирования систем беспроводного доступа и систем другого назначения, определены основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на функционирование радиолиний, проведен морфологический анализ возможных методов уменьшения помех, создаваемых РЭС системой беспроводного доступа в отношении РЭС другого назначения, и соответствующих им параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа. Разработаны направления исследований и состав необходимого методического обеспечения для определения минимально необходимого частотного ресурса и выбора параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа. Выбраны показатели, характеризующие работу системы беспроводного доступа, и ее пропускную способность. Приняты ограничения и допущения. Сформулирована смысловая и формализованная постановка задачи, предложена методическая схема ее решения.
Вторая глава посвящена разработке методики и модели в составе алгоритма оптимизации, позволяющих обосновывать выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, распределения и использования частотного ресурса.
Разработана методика выбора рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа для оказания различных услуг связи определенному количеству пользователей. В основе данной методики лежит алгоритм поиска максимума целевой функции при заданных ограничениях. Результатом использование методики является определение таких параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа, которые позволяют обеспечить систему беспроводного доступа минимально необходимым частотным ресурсом для предоставления определенного количества видов услуг с заданным качеством планируемому числу пользователей.
Для методики формулируется постановка задачи, процесс решения которой реализуется совокупностью последовательно выполняемых этапов, доведенных до уровня алгоритмической и программной реализации.
Третья глава посвящена разработке методики и модели в составе алгоритма оптимизации, позволяющих обосновывать выбор рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, влияющих на создание системы связи и электромагнитную совместимость системы беспроводного доступа и систем
другого назначения. Вычисление показателя уровней помех осуществляется на основе использования модели функционирования системы беспроводного доступа.
Разработана методика выбора рациональных параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа для оказания различных услуг связи определенному количеству пользователей в условиях ограничений требованиями по защите РЭС другого назначения от помех. В основе данной методики лежит алгоритм поиска максимума целевой функции при заданных ограничениях.
Результатом использование методики является определение таких параметров функционирования РЭС системы беспроводного доступа, которые позволяют обеспечить систему беспроводного доступа минимально необходимым частотным ресурсом для предоставления определенного количества видов услуг с заданным качеством планируемому числу пользователей.
Для методики формулируется постановка задачи, процесс решения которой реализуется совокупностью последовательно выполняемых этапов, доведенных до уровня алгоритмической и программной реализации.
В четвертой главе приводятся результаты прикладных исследований по оценке использования и распределения частотного ресурса в условиях совместного функционирования с РЭС другого назначения.
В заключении изложены основные результаты и выводы по работе.
В Приложениях содержатся характеристики РЭС системы беспроводного доступа и РЭС другого назначения, использованные при проведении прикладных исследований, а также информационные материалы необходимые для работы.
Список литературы содержит 86 наименований.
Объем диссертации 155 страниц, в том числе рисунков 23 и таблиц 16.
Основными научными результатами, выносимыми на защиту, являются:
Алгоритм определения зоны обслуживания СБД, является полным и непротиворечивым.
Применение алгоритма перекрытия зон радиосвязи дает выигрыш по сравнению с формулой Эрланга.
Разработанный алгоритм определения необходимого частотного ресурса позволяет получать близкие к оптимальным решения.
Разработанные алгоритмы проведения оценки ЭМС достаточно универсальны и позволяют решать сформулированную задачу в широком диапазоне изменения параметров функционирования систем беспроводного доступа и РЭС, работающих в общих полосах частот, а также параметров, характеризующих внешние условия их совместного функционирования.
Научная новизна работы и полученных в ней результатов определяется следующим:
решена задача определения необходимого частотного ресурса с учетом электромагнитной совместимости РЭС системы беспроводного доступа с действующими и планируемыми РЭС, когда в исследовательскую схему включены факторы, характеризующие влияние внешних условий на распространение полезного и помехового сигналов;
разработаны новые методы оптимизации определения потребности в радиочастотном ресурсе для предоставления различных услуг операторами СБД, методы оценки допустимого числа операторов при фиксированном частотном ресурсе, а также использован аппарат баз знаний для решения задачи оптимального распределения радиочастотного ресурса;
Разработанная постановка задачи и методическая схема ее решения отличаются от известных тем, что их целевой направленностью является распределение частотного ресурса с учетом возможных методов повышения эффективности использования радиочастотного спектра (в Законе о связи сказано, что "Регулирование использования радиочастотного спектра в Российской Федерации ... обеспечивается посредством проведения экономических, организационных и технических мероприятий... направленных на ускорение внедрения перспективных технологий и стандартов, обеспечение эффективного использования радиочастотного спектра").
Практическая ценность данной работы будет заключаться в разработке
комплексных методик, позволяющих оптимальным образом распределять наличный частотный ресурс между операторами различных сетей связи или определять допустимое количество операторов для выделенного частотного ресурса на заданной территории (при обеспечении беспомеховой (с приемлемым уровнем помех) работы радиоэлектронных средств, работающих в общей полосе частот). Предполагается, что данный комплексная методика
будет использована представителями радиочастотных органов, так и у операторами сетей связи.
Основные результаты работы реализованы при:
подготовке предложений в Технические задания делегациям администрации связи России на собрания рабочих групп Исследовательских комиссий МСЭ-Р и СЕПТ;
подготовке научно-технических докладов Администрации связи России на собрания рабочих групп 8D и 4А Сектора радиосвязи МСЭ;
проектирование систем беспроводного доступа ОАО "Старт Телеком" и НПФ "Гейзер",
а также при выполнении НИР "Исследование и разработка алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса" (шифр "Ресурс", №3003/2005 от 06.06.2005 г.).
Материалы диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Международной научной конференции ИРЭМВ - 2005 "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", на Международном симпозиуме ШЕЕ "Сети и Системы для подвижной беспроводной связи 4G", на национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием, на научной сессии МИФИ-2005, на Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии", на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ и в ходе собраний рабочих групп Исследовательских комиссий Сектора радиосвязи МСЭ. Результаты опубликованы в 24 работах, из которых 24 печатных.
Автор признателен всем, кто способствовал подготовке данной диссертации. Особая благодарность выражается Шахгильдяну В.В., осуществлявшему непосредственное научное руководство, а также Акимову В.Н, Быховскому М.А. и Васехо Н.В., которые высказали наиболее ценные замечания и рекомендации по работе.
Анализ существующих алгоритмов оптимизации распределения и использования частотного ресурса
Известные алгоритмы оптимального распределения и использования частотного ресурса основаны в большинстве случаев на использовании математического аппарата комбинаторной оптимизации (задачи раскраски и коммивояжера в теории графов) [20]. Они разработаны исходя из условий обеспечения дуэльной совместимости РЭС и учитывают лишь часть физических факторов, обуславливающих взаимовлияние РЭС (прежде всего учитываются лишь основные и внеполосные каналы излучения и приема). В [28, 46] для учета побочных каналов излучения и приема (дополнительно к основным и внеполосным) задача присвоения частот представлена как новая в теории графов оптимизационная задача числовой маркировки функционально взвешенного ориентированного мультиграфа, обобщающая задачи раскраски и коммивояжера. Рассматривается также возможность использования алгоритмов теории игр (игры нескольких лиц с непротивоположными интересами), позволяющих решать задачу оптимального распределения и использования частотного ресурса не только исходя из условий дуэльной совместимости РЭС, но и с учетом эффекта группового воздействия помех. Для решения задач присвоения частот в условиях изменяющейся обстановки с учетом реальных условий взаимовлияния РЭС предложен алгоритм поисковой оптимизации, основывающийся на современных принципах технического мониторинга и воспроизводящий на имитационной модели процессы радиоконтроля использования частот, а также контроля степени взаимовлияния РЭС в реальном масштабе времени их функционирования.
Анализ существующих алгоритмов оптимизации частотного ресурса и ЭМС [6, 36, 39, 40] показал, что существует огромное число вариантов постановки этой задачи на практике. В частности, по вариантам задания радиоэлектронной обстановки можно выделить не менее пяти признаков классификации условий и в том числе - характер организации работы РЭС (сети, радиолинии, станции), однородность типов РЭС, наличие приоритетности, характер данных о размещении, активность работы на излучение (прием). По частотным ограничениям - четыре признака классификации (характер множества частот и доступа к ним, наличие априорно заданных частотных присвоений, количество необходимых частотных присвоений для каждого РЭС). По условиям взаимовлияния РЭС - два признака (дуэльные либо групповые условия влияния, учитываемые каналы воздействия помех). Каждый из указанных 11 признаков классификации предполагает не менее 2...3 различных вариантов условий задачи. Конечно, не все сочетания этих вариантов имеют практический смысл. Тем не менее, количество вариантов, представляющих интерес для практики, столь велико, что их прямое перечисление затруднительно. Поэтому ниже представлены лишь типовые задачи, имеющие существенные различия в методическом подходе: - присвоение частот в статических детерминировано заданных условиях, - присвоение частот в условиях неопределенности обстановки, - присвоение частот в условиях изменяющейся обстановки.
Статические детерминировано заданные условия в задачах первой группы предполагают, в частности, что размещение РЭС фиксировано и известно точно, затухание сигналов на трассах неизменно и известно, все РЭС постоянно работают на излучение (прием), ориентация антенн неизменна либо считается наихудшей в каждой дуэльной ситуации. При решении задачи присвоения частот в этих условиях каждому РЭС гарантируется отсутствие влияния помех. Принятые допущения "на наихудший случай" (о постоянном включении РЭС, наихудшей ориентации антенн и наибольшим затуханием сигналов на трассе), безусловно, снижают эффективность частотных присвоений. Однако, решение задачи при этих допущениях упрощается.
В задачах второй группы неопределенность обстановки может быть обусловлена неопределенностью размещения РЭС, моментов включения РЭС на излучение, случайными изменениями условий распространения сигналов на трассах, изменением ориентации антенн, нестабильностью технических характеристик РЭС, влияющих на их ЭМС. Все эти данные задаются статическими характеристиками. Специфика задач присвоения частот в этих условиях состоит в том, что гарантия полного отсутствия влияния помех выдана быть не может. Отсутствие помех гарантируется с некоторой допустимой вероятностью. Снижение этой вероятности достигается неизбежным увеличением расхода частотного ресурса.
Задачи присвоения частот третьей группы решаются в предположении, что данные об изменении обстановки выявляются в реальном масштабе времени с помощью специальной системы радиоконтроля. В частности, практически это может быть осуществлено в отношении данных об изменении состава и размещения группы РЭС, в территориальном районе. Данные об изменении условий распространения сигналов на трассах и изменении технических характеристиках РЭС, влияющих на ЭМС, косвенно могут быть получены, контролируя в реальном масштабе времени качество функционирования РЭС в условиях помех (с помощью, например, системы встроенного радиоконтроля). Устранение неопределенности обстановки должно обеспечить снижение затрат частотного ресурса (в частности, снижение необходимой для группы РЭС полосы частот). Задача присвоения частот при этом с методической точки зрения сводится к задаче первой группы, но решается в динамике изменения обстановки и потому может рассматриваться как задача динамического присвоения частот. При ее решении необходимо выявить эффект экономии частотного ресурса, достигаемый за счет контроля обстановки.
Учитывая существующие развитие систем радиоконтроля, автором были выбраны современные методы для решения поставленной задачи: - присвоение частот в условиях неопределенности обстановки; - присвоение частот в условиях изменяющейся обстановки.
Причиной выбора метода присвоение частот в условиях неопределенности обстановки явилось то, что существует отставание в развитии систем радиоконтроля от развития средств и систем, использующих частотный ресурс. Однако в соответствии с существующей Рекомендацией МСЭ-Р МЛ 652 [65] в диапазоне 5 ГГц системы беспроводного доступа могут использовать динамическое назначение каналов, таким образом, для решения задачи оптимального распределения частотного ресурса в 5 ГГц можно использовать метод присвоения частот в условиях изменяющейся обстановки
Сценарии развертывания системы беспроводного доступа
На начальном этапе проектирование системы беспроводного доступа, в качестве рабочих условий для определения потребностей в радиочастотном ресурсе и трафике работы необходимо выбрать вариант развертывания системы, параметры среды распространения в которой планируется создавать систему беспроводного доступа.
В настоящее время можно выделить 6 типовых вариантов развертывания системы беспроводного доступа [65] (см. Табл. 2.1).
Рассмотрим количественные признаки для каждого из сценариев развертывания системы беспроводного доступа, которые в дальнейшем могут использоваться в расчетах в качестве типовых.
Домашняя сеть
Предполагается, что разные типы устройств (портативные ПК, принтеры/факсы, бытовые приборы и т.д.) могут подключаться различными способами. Домашние сети обычно покрывают значительно меньшую зону, чем корпоративные сети или сети общего пользования, но ожидается, что потребуется интенсивное использование высокоскоростного канала.
Могут быть рассмотрены следующие типовые сценарии:
1. Мультимедийная система подключена к сети провайдера услуг и используется для передачи информации на другие типы устройств, расположенные в том же месте.
2. Беспроводная локальная сеть, позволяющая совместно использовать ресурсы домашнего компьютера и доступа в Интернет с нескольких компьютеров для одновременного пользования несколькими членами семьи.
3. Охранные средства вне дома, например, беспроводная охранная камера или дистанционные датчики, которые могут быть установлены на внешних стенах строения, на разделительной стене, или на удаленном здании. Геометрия соты обычно круговая с радиусом до 15 м. Территория, обслуживаемая одной базовой станцией не превышает 707 кв. м.
Корпоративная сеть
Данный тип организации сетей беспроводного радиодоступа предполагается использовать как замена проводных локальных сетей. В сценарии предполагается, что местоположение пользователей стационарно, но возможно их перемещение между сеансами связи, т.е. обеспечиваются применение систем со смешанным беспроводным доступом (nomadic wireless access). Эти применения в основном являются широкополосными, поэтому по скорости передачи данных они аналогичны фиксированной сети, и требуется обеспечение соответствующего качества обслуживания. Геометрия расположения базовых станций определяется зданием. Радиус зоны обслуживания обычно не превышает 30 м. Территория, обслуживаемая одной базовой станцией не превышает 2827 кв. м.
Сеть общего пользования
Сценарием предполагается, что основной аппаратурой конечного пользователя является переносной компьютер, который в процессе работы может медленно перемещаться, хотя ожидается, что в основном работа будет осуществляться с фиксированных положений. Применения беспроводного доступа общего пользования в принципе аналогичны применениям в корпоративных условиях. Однако пользователи могут находиться в более разнообразных зданиях, и дальности обычно больше, чем в корпоративных условиях, а ожидаемая плотность пользователей не такая высокая (см. Табл. 2.4). Кроме того, необходимо учитывать несогласованное размещение точек доступа в сетях разных владельцев, что может повысить вероятность межсетевых помех. Геометрия соты обычно круговая и не превышает радиус 50 м для приложений внутри здания и 150 м. для приложений вне здания. Территория, обслуживаемая одной базовой станцией не превышает 7854 кв. м. для приложений внутри здания и до 70685 кв. м для приложений вне здания.
Таким образом, определившись с вариантом развертывания системы беспроводного доступа необходимо указать общую площадь зоны обслуживания (см. Табл. 2.2).
Любой оператор системы беспроводного доступа пытается обеспечить как можно больше зону покрытия для предоставления большему числу пользователей различных услуг связи. Однако из-за множества факторов влияющих на размер зоны покрытия, сделать это невозможно [8].
Определим максимальную зону обслуживания системы беспроводного доступа с учетом типа развертывания системы, а также трафиком работы.
Алгоритм расчета зоны обслуживания можно представить в виде 2-х этапов: - расчета площади зоны обслуживания базовой станции на основе энергетического баланса радиолинии [14]; - расчета площади зоны обслуживания базовой станции на основе исходных данных о трафике работы [14]. В зависимости от полученных результатов, выбирают наименьшую зону обслуживания.
Разработка методики оценки ЭМС между РЭС систем беспроводного доступа и ЗС ФСС в общих полосах частот
В первой главе мы определили, что одна из проблем, возникающая при разработке систем беспроводного доступа это электромагнитная совместимость систем беспроводного доступа с ЗС ФСС.
При решении задач ЭМС между ЗС ФСС (космос-земля) и радиоэлектронными средствами (РЭС) сети беспроводного доступа, функционирующими в общих полосах частот, наиболее критичными направлениями создания помех являются следующие: - базовая (БС) станция сети беспроводного доступа на ЗС ФСС; - одна или несколько абонентских станций (АС) сети беспроводного доступа на ЗС ФСС.
Помехи со стороны передатчиков фиксированной спутниковой службы, размещенных на космических аппаратах, оказываются приемлемыми. Это обеспечивается наложением ограничений на плотность потока мощности, создаваемой у поверхности Земли. Поэтому в данной методике помехи в направлении РЭС беспроводного доступа не рассматриваются.
Типовой помеховый сценарий между РЭС беспроводного доступа и ЗС ФСС предполагает наличие базовой станции с всенаправленной или секторной антенной, абонентских станций, размещенных в произвольных точках зоны обслуживания сети, с направленными антеннами, строго ориентированными на свои базовые станции, и собственно земной станции, работающей с космическим аппаратом (КА) на геостационарной орбите (см. Рис.3.1).
Условие ЭМС между сетью беспроводного доступа и ЗС ФСС считается выполненным, если будет одновременно обеспечена электромагнитная совместимость каждой станции сети беспроводного доступа, рассматриваемой как потенциальный источник помех, и земной станции, рассматриваемой как приемник помех. Таким образом, задача оценки ЭМС может быть сведена к последовательному рассмотрению дуальных помеховых вариантов взаимодействия каждой, действующей наземной станции сети беспроводного доступа и земной станции фиксированной спутниковой связи.
В ходе проведения оценки ЭМС дуальных помеховых вариантов следует учитывать, что помимо основных и побочных каналов проникновения мешающих сигналов на вход приемника ЗС ФСС, в ряде случае достаточно опасным является эффект блокировки элементов высокочастотного тракта. Это связано, главным образом, с тем, что современные малошумящие усилители ЗС ФСС имеют достаточно широкую полосу пропускания, которая составляет 1100-1500 МГц [53].
Перечень тактико-технических характеристик, необходимых для решения задач ЭМС, в полном объеме находится в следующих заявочных и разрешительных документах: Решение ГКРЧ России и прилагаемые карточки по форме №1 ГКРЧ; форма 1 PC, 1 ЗС и 1 ЗС-В; Решение ФГУП "Главный радиочастотный центр" на использование частот.
Для выполнения вычислений по разработанной методике необходимы исходные данные о параметрах и тактико-технические характеристики (ТТХ) РЭС беспроводного доступа и ЗС ФСС, которые представлены в Приложении 3.
В процессе решения задач обеспечения электромагнитной совместимости РЭС ключевым моментом является правильный выбор необходимого критерия. В большинстве случаев под критерием обеспечения ЭМС понимается комплексное правило, выполнение которого обеспечивает требуемое качество функционирования взаимодействующих РЭС в условиях воздействия непреднамеренных помех.
Применительно к задаче совмещения ЗС ФСС и РЭС беспроводного доступа в общих полосах частот, критерий обеспечения ЭМС может быть упрощенным. Это обусловлено односторонним воздействием помех только со стороны РЭС беспроводного доступа на ЗС ФСС. С учетом эффекта блокировки, правило обеспечения ЭМС между /-ой станцией беспроводного доступа и ЗС ФСС можно записать следующим образом: \1,),т елок -1„ж б.юк, в любом участке совмещенной полосы частот (Ли - І(Ш-І в полосе основного или побочного каналов приема где: 1до„ - допустимая мощность помехи по основному или побочному каналам приема на входе приемника ЗС ФСС; 10ж! - ожидаемая мощность помехи, создаваемая /-ой РЭС сети беспроводного доступа, по основному или побочному каналам приема на входе приемника ЗС ФСС; honjjwK - допустимая мощность помехи по блокированию элементов приемного ВЧ тракта ЗС ФСС; Іож_блокі - ожидаемая мощность помехи, создаваемая /-ой РЭС сети беспроводного доступа, по блокированию элементов приемного высокочастотного (ВЧ) тракта ЗС ФСС. Алгоритм проведения расчетов, реализующий принятые выше условия обеспечения ЭМС, приведен на Рис.3.2.
На первых этапах задаются тактико-технические характеристики (ТТХ) и технические параметры ЗС ФСС, выполняется их обработка и рассчитываются допустимые уровни помех на входе приемника земной станции и на входе элементов его ВЧ тракта. Затем для каждой станции сети беспроводного доступа задаются технические характеристики, рассчитываются величины ожидаемых помех на входе демодулятора и малошумящего устройства (МШУ) ЗС ФСС и сравнивают их с допустимыми значениями. Если ожидаемые уровни помех, создаваемые станциями сети беспроводного доступа не превышают допустимые значения, то принимается решение о выполнении условий ЭМС ЗС ФСС и сети беспроводного доступа в целом. Если хотя бы для одной станции беспроводного доступа указанные условия не выполняются, то делается вывод о невыполнении условий ЭМС.
Исходные данные, принятые при проведении исследований
Расчет допустимой мощности помехи
В процессе решения задачи по обеспечению электромагнитной совместимости РЭС ключевым моментом является правильный выбор необходимого критерия. В большинстве случаев под критерием обеспечения ЭМС понимается комплексное правило, выполнение которого обеспечивает требуемое качество функционирования взаимодействующих РЭС в условиях воздействия непреднамеренных помех. Комплексность правила состоит в том, что оно учитывает взаимное влияние радиоэлектронных средств друг на друга.
Применительно к исследуемой, в данной работе, задаче совмещения ЗС ФСС и РЭС беспроводного доступа, критерий обеспечения ЭМС может быть упрощенным. Это обусловлено односторонним воздействием помех только со стороны РЭС беспроводного доступа на ЗС ФСС.
Прежде чем перейти к выбору критерия защиты ЗС ФСС представляется целесообразным проанализировать влияние помеховых воздействий на процесс их функционирования. В частности, детальные исследования показали, что результатом воздействия помех на ЗС ФСС являются: 1. Ухудшение качества приема информации, выраженное в увеличении количества ошибочно принимаемых битов. 2. Срыв синхронизации.
Срыв синхронизации носит пороговый характер и имеет место в случае превышения мощности помехи, проходящей во входные цепи приемника, порогового уровня. Чаще всего срыв синхронизации обусловлен одним из следующих процессов во входных цепях приемника: 1. Перегрузка (блокировка) МШУ, конвертора или демодулятора интегральными помехами в полосе частот рабочего ствола ЗС; 2. Нарушение работы системы наведения антенны интегральными помехами в полосе частот рабочего ствола ЗС; 3. Недопустимое ухудшение качества приема в каналах синхронизации; 4. Прохождение помехи в цепи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Наиболее вредным из перечисленных процессов оказывается блокировка МШУ и конвертора. Причиной блокировки, как правило, является мощная помеха (в диапазоне 3.5 ГГц возникшая в любой части диапазона частот 2700-4800 МГц).
Ухудшение качества приема, обусловленное снижением отношения сигнал/(шум+помеха), носит плавный характер и наступает, как правило, при меньших значениях мощности помехи, прошедшей на выход приемника. Поскольку на уровень помехи существенное влияние оказывают процессы фильтрации в демодуляторе, степень помехового воздействия снижается с увеличением частотной расстройки.
Таким образом, краткий анализ воздействия помех на приемники земных станций показал, что для обеспечения защиты ЗС ФСС целесообразно принять во внимание два критерия, предотвращающие срыв синхронизации и ухудшение качества приема информации ниже требуемого.
Обзор Рекомендаций МСЭ-Р и СЕРТ [47-66, 79-86] показал, что определение допустимого уровня помехи, вызывающей ухудшение качества приема информации, целесообразно осуществлять как долю от мощности суммарных шумов приемника.
Согласно Рекомендации МСЭ-Р SF.558, рекомендуемым значением х для рассматриваемого случая совмещения является величина, равная 0,1. При этом допускается превышение указанного порогового уровня помехи не более 20% времени наихудшего месяца.
Условия обеспечения ЭМС и номограммы для определения условий совместного использования
Задача разработки условий совместного использования ЗС ФСС и РЭС беспроводного доступа может быть существенно упрощена, если разделить все параметры, оказывающие влияние на электромагнитную обстановку, на независимые группы. Выполненный анализ показал, что таких групп может быть как минимум две. В первую группы будут входить параметры модели распространения радиосигналов. Вторая группа будет объединять все оставшиеся технические параметры. Рассмотрим более подробно процесс декомпозиции исходных данных.
Как было описано выше ЭМС между ЗС ФСС и РЭС беспроводного доступа будет обеспечена при выполнении условия: о — доп где: 10 - ожидаемый уровень помехового сигнала на входе приемного устройства ЗС ФСС; 1доп - допустимый уровень помехового сигнала на входе приемного устройства ЗС ФСС.
Подставив в данное неравенство в выражения для ожидаемого и допустимого уровней помех, получим следующие условия обеспечения ЭМС: По критерию защиты МШУ земной станции ФСС от блокировки: Щ hoo, крэс, Т) ЭИИМ(0)+СЗС((р)-Рмшу -Л1 По критерию защиты от основного или внеполосного излучения помехи в полосе демодулятора ЗС ФСС: L(dMcMi 3cJ) 3MHM(6)+G3C((p)-mchx: CR(AF)-AZ-l0h (3.26) По критерию защиты от побочного излучения помехи в полосе демодулятора ЗСФСС L(dM3cMp3cJ) Gnc(e)+Pno6o4+G3C((p)-mch3C Z-10log(xTuiy4l+138l6 (3.27)
Сумму слагаемых в правой части указанных неравенств в дальнейшем будем называть обобщенным энергетическим параметром. Его физический смысл заключатся в том, он характеризует величину превышения ожидаемого уровня помехового сигнала на входе приемника, без учета потерь на трассе распространения, над допустимым уровнем помехи.
Таким образом, разработка технических условий совместного использования упрощается, поскольку имеется возможность независимо подбирать параметры моделей распространения и энергетические параметры ЗС ФСС и РЭС беспроводного доступа, а затем осуществлять проверку обеспечения их электромагнитной совместимости.
