Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Основы технического планирования сетей радиосвязи 14
1.1 Построение сети наземного цифрового радиовещания (Н-ЦЗВ) 14
1.2 Основы построения системы сотовой связи 19
1.2.1 Общие принципы построения сотовой сухопутной системы электросвязи 19
1.2.2 Технические параметры и функциональная схема ССС стандарта GSM-900 21
1.3 Методы частотно-территориального планирования сетей радиосвязи 23
1.3.1 Технические основы планирования сетей звукового радиовещания 23
1.3.2 Технические основы планирования в сетях сотовой связи 34
1.3.2.1 Вводные замечания 34
1.3.2.2 Расчет радиуса зоны обслуживания базовой станции с использованием модели Окамуры-Хата 35
1.3.3 Методика планирования сетей радиосвязи 40
Глава 2 Разработка методики определения технических параметров, используемых при планировании сетей радиосвязи 54
2.1 Методика определения защитного отношения 54
2.1.1 Определение амплитудного спектра сигнала на выходе передатчика ...57
2.1.2 Определение амплитудно-частотной характеристики фильтра приемника 63
2.2 Определение минимального значения напряженности поля для сетей наземного цифрового звукового вещания 72
Глава 3 Разработка метода частотно-территориального планирования сетей радиосвязи 79
3.1 Анализ существующих методов частотно-территориального планирования сетей радиосвязи 79
3.2 Использование теории графов в частотно-территориальном планировании 82
3.3 Метод координационных колец, модифицированный методом ветвей и границ 84
3.3.1 Вводная часть 84
3.3.2 Постановка задачи 86
3.3.3 Анализ задачи 91
3.3.4 Решение задачи 93
3.4 Методы определения частотно-пространственных ограничений в сетях радиосвязи 98
3.4.1 Методика определения частотно-пространственных ограничений 98
3.4.2 Определение частотно-пространственных ограничений для сети Н-ЦЗВ 100
3.4.3 Определение частотно-пространственных ограничений для сети сотовой связи 103
3.4.4 Метод определения частотно-пространственных ограничений при каналах с перекрывающимися спектрами 106
3.4.5 Методика оценки эффективности использования выделенного диапазона частот при многопозиционной модуляции 109
Глава 4 Экспериментальные исследования эффективности разработанных методов частотно-территориального планирования сетей Н-ЦЗВ и ССС 113
4.1 Алгоритм распределения частотных каналов линейным методом 113
4.2 Алгоритм распределения частотных каналов модифицированным методом координационных колец 117
4.3 Результаты экспериментальных определений требуемого числа частотных каналов в системах Н-ЦЗВ и ССС
с многопозиционной модуляцией 121
4.3.1 Анализ эффективности предложенных методов при исследовании сетей регулярной структуры 121
4.3.2 Исследование эффективности использования выделенного диапазона частот 127
4.3.3 Определение числа частотных каналов при передаче перекрывающихся каналов 134
Заключение 141
Литература
- Построение сети наземного цифрового радиовещания (Н-ЦЗВ)
- Определение амплитудного спектра сигнала на выходе передатчика
- Анализ существующих методов частотно-территориального планирования сетей радиосвязи
- Алгоритм распределения частотных каналов линейным методом
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие современных радиосистем различного назначения влечет за собой использование большого количества стационарных и мобильных радиоэлектронных средств (РЭС). Обеспечение их частотным ресурсом в условиях его дефицита требует оптимизации присвоения частот. Условия решения этой задачи отличаются многообразием, определяемым количеством и плотностью размещения РЭС, степенью их взаимовлияния, объемом выделяемого частотного ресурса и ограничениями на его использование. Такое многообразие не позволяет разработать универсальный метод присвоения частот, так как многие известные методы обладают офаничениями либо по точности получаемых результатов, либо по размерности задачи. Для разработки практически пригодных методов необходим учет особенностей постановки задач для различных случаев и поиск рациональных алгоритмов оптимизации. Поэтому актуальна задача анализа эффективности различных алгоритмов оптимального присвоения частот при различных условиях частотного планирования. Данной проблеме посвящены работы Arno G., Heil W., Jensen Т. R., Struzak R.G., Gamst.A., Быховского М.А., Дотолева В.Г., Дудкина С.Н., Зубарева Ю.Б., Гитлица М.В., Носова В.И., Зеленина А.Ю., Тигина Л.В.
В рамках традиционного подхода минимизации ширины используемой полосы частот выделяется новый тип задачи присвоения минимального порядка, под которым понимается число частотных каналов реально использованных в пределах выделенной полосы частот при частотном планировании, то есть на множестве планируемых радиопередающих средств определяется такое распределение частотных каналов, которое использует минимум каналов из множества возможных. Это обеспечивает эффективное использование частотного ресурса для группы радиосредств, которым выделена ограниченная полоса частот, а возможность возникновения помех определяет для них совокупность частотно-пространственных офаничений. Данные ограничения требуют, чтобы передатчики, использующие некоторые комбинации частотных каналов были разнесены в
пространстве на соответствующее этим комбинациям минимальное расстояние.
При планировании передающих сетей радиовещания широко применяются методы, основанные на использовании регулярной сетки элементарных треугольников, в вершинах которых располагаются передатчики. В последнее время при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи все чаще используется теория графов. В этом случае сеть радиовещания моделируется в виде графа, множество вершин которого однозначно соответствует множеству передающих станций. Ребрами соединяются те вершины, соответствующие станции которых могут создавать в зонах обслуживания друг друга недопустимые помехи. Множество выделенных для назначения частотных каналов представляется в виде совокупности цветов. При разработке данного вопроса автор опирался на работы Хейла У.К., Носова В.И..
Многолетняя практика использования радиочастотного спектра показала целесообразность перспективного частотного планирования. Время от времени действующие частотные планы пересматриваются или составляются новые при введении нового диапазона частот. Например, в нашей стране в начале 80-х годов был пересмотрен частотный план сети телевизионного вещания, а в конце 80-х, в связи с переходом на стереофоническое радиовещание, пересматривался частотный план ОВЧ ЧМ сети.
В настоящее время одним из направлений развития систем радиосвязи является переход к использованию многопозиционных методов модуляции, для которых вопрос частотно-территориального планирования недостаточно полно разработан, поэтому тематика работы является актуальной. Об актуальности рассматриваемой проблемы говорит и тот факт, что в исследовательских программах МСЭ - Р вопрос 43/11 (том XI - часть 1), вопросы 46/10 и 46L/10 (том X - часть 1) указывается, что важнейшей целью планирования является улучшение использования радиочастотного спектра и что должны быть проведены исследования по разработке технических основ планирования, которые приведут к наиболее эффективному использованию выделенной полосы частот.
Цель работы и задачи исследований
Целью настоящей работы является исследование и разработка методов оптимального частотно-территориального планирования (ЧТП) сетей наземного цифрового звукового радиовещания и систем сотовой связи и разработка рекомендаций по оптимизации частотно-территориального плана систем наземного цифрового звукового вещания (Н-ЦЗВ) и систем сотовой связи (ССС). Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
1 Разработать методику определения технических параметров в сетях
радиосвязи при многопозиционной модуляции, необходимых для проведения
ЧТП сети.
Разработать методику определения радиохроматических чисел для систем Н-ЦЗВ и ССС с учетом множественности помех при многопозиционной модуляции.
Разработать методику ЧТП с использованием метода координационных колец, модифицированного методом ветвей и границ.
Разработать методику оценки эффективности использования выделенного частотного ресурса при многопозиционной модуляции.
Разработать методику ЧТП при использовании в сетях радиосвязи каналов с перекрывающимися спектрами.
Разработать алгоритм и программное обеспечение для экспериментального исследования эффективности модифицированного метода координационных колец при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи.
Методы исследования
Для решения поставленных задач используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, теории графов, математического моделирования, теории распространения радиоволн, а так же методы вычислительной математики и статистического моделирования. Часть результатов
получена с использованием численных методов, реализованных на компьютере в среде Mathcad. Для подтверждения полученных теоретических результатов разработан алгоритм и реализовано программное обеспечение с применением языка программирования C++, с помощью которого и выполнены экспериментальные исследования.
Научная новизна результатов работы
Результат диссертационной работы заключается в разработке методов оптимального ЧТП сетей радиосвязи и состоит в следующем:
Разработана методика определения радиохроматических чисел для систем цифрового радиовещания и систем сотовой связи с учетом множественности помех при многопозиционной модуляции.
Разработана методика частотно-территориального планирования с использованием метода координационных колец модифицированного методом ветвей и границ.
Разработана методика оценки эффективности использования выделенного частотного ресурса при многопозиционной модуляции.
Разработана методика частотно-территориального планирования при использовании в сетях радиосвязи каналов с перекрывающимися спектрами.
Практическая ценность результатов
Проведенные исследования, разработанные методики и полученные зависимости используются при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи в ФГУП Радиочастотный центр Сибирского федерального округа, что подтверждается актом использования результатов.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актами внедрения.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2002 г.
Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2003 г.
Научно-техническая конференция «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Томск, 2003 г.
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2004 г.
Научно-техническая конференция «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Иркутск, 2004 г.
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2005 г.
Основные положения работы, выносимые на защиту
Методика определения технических параметров в сетях радиосвязи при многопозиционной модуляции, необходимых для проведения частотно-территориального планирования сети.
Методика определения радиохроматических чисел для систем Н-ЦЗВ и ССС с учетом множественности помех при многопозиционной модуляции.
Методика частотно-территориального планирования с использованием метода координационных колец, модифицированного методом ветвей и границ.
Методика оценки эффективности использования выделенного частотного ресурса при многопозиционной модуляции.
Методика частотно-территориального планирования при использовании в сетях радиосвязи каналов с перекрывающимися спектрами.
6 Алгоритм и результаты экспериментального исследования эффективности разработанного метода координационных колец и метода ветвей и границ при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в их числе 2 статьи и 6 тезисов докладов.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 165 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 41 таблицу. В библиографию включены 65 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении приводится существующее положение в отрасли связи, анализируются используемые в настоящее время методы частотно-территориального планирования. Сформулированы цели и задачи диссертационного исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены научные результаты, выносимые на защиту, указаны состав и структура диссертации.
В первой главе обсуждаются вопросы построения сетей наземного цифрового звукового вещания и сетей сотовой связи. Рассматриваются вопросы частотно-территориального планирования сетей Н-ЦЗВ с использованием методики МККР и сетей сотовой связи на основе модели Хата. На основе анализа данных вопросов определяются технические параметры, необходимые для планирования сетей. Также рассматриваются известные методы частотно-территориального планирования сетей радиосвязи - линейные методы, основанные на косоугольной системе координат в регулярной треугольной решетке, метод координационных колец, основанный на
универсальной модели сети с сотовой структурой. Приводится сравнительный анализ методов частотно-территориального планирования сетей радиосвязи и принимается решение об использовании метода координационных колец на основе универсальной модели сети с сотовой структурой, который необходимо модифицировать для оптимального распределения каналов в ромбе совмещенных каналов.
Во второй главе рассматривается математическая модель тракта передачи, на основе которой разработана методика для определения основных технических параметров необходимых для проведения оптимального частотно-территориального планирования таких сетей. К таким параметрам относятся относительное защитное отношение, которое определяется при расстройке фильтра приемника относительно принимаемого сигнала и минимальная напряженность поля в точке приема для обеспечения необходимого качества.
На основе разработанной методики рассчитаны защитные отношения и значения минимальной напряженности поля в сетях Н-ЦЗВ для многопозиционных методов модуляции 4-, 8-ОФМ и 16-, 32-, 64-КАМ
В третьей главе произведен анализ существующих методов частотно-территориального планирования сетей радиосвязи, в том числе и с использованием представления сети радиосвязи в виде графа.
Подробно описывается метод координационных колец, дополненный методом ветвей и границ для оптимизации частотных присвоений в ромбе совмещенных каналов.
На основе модифицированного метода координационных колец была разработана методика определения частотно-пространственных ограничений (радиохроматических чисел).
Разработана методика определения частотно-пространственных ограничений и получены радиохроматические числа для случая использования в сетях Н-ЦЗВ и ССС частотных каналов с перекрывающимися спектрами.
Разработана методика оценки эффективности использования частотного ресурса, выделенного для Н-ЦЗВ и ССС при многопозиционной модуляции.
В четвертой главе представлен алгоритм разработанного программного обеспечения. Программное обеспечение, реализованное с применением языка программирования C++, позволяет провести распределение каналов в сетях регулярной структуры Н-ЦЗВ и ССС с использованием линейного метода назначения каналов и предложенного метода координационных колец, исходя из наложенных частотно-пространственных ограничений. В основе заложенного алгоритма лежит метод ветвей и границ, который позволяет автоматически находить число каналов, близкое к оптимальному.
Заключение содержит формулировку основных научных и практических результатов диссертационной работы.
Приложения содержат материалы, не вошедшие в основные разделы диссертации: тексты расчетных частей программ моделей и методик с использованием пакета программы MathCad 2001; результаты расчетов и построения координационных колец.
Публикации
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Носов В.И., Носкова Н.В. Частотно-территориальное планирование в сетях радиосвязи / Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2002 г.
Мельников Л.С., Носкова Н.В., Носов В.И. Использование метода ветвей и границ при планировании сетей радиосвязи /Материалы научно-технической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», СИБДАЛЬТЕЛЕКОМ, Новосибирск, 2003 г.-с. 82-88.
Носкова Н.В. Учет множественности помех в сетях радиосвязи / Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2003 г.
Носкова Н.В. Использование методов линейного программирования при назначении частотных каналов / Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2004 г.
Носов В.И., Носкова Н.В. К вопросу об определении ромбических чисел / Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2004 г.
Носкова Н.В., Носов В.И. Исследование алгоритмов оптимального частотно-территориального планирования радиоэлектронных средств /Материалы юбилейной (десятой) международной научно-технической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Новосибирск, 2004 г.-с. 43-47.
Носов В.И., Носкова Н.В. Методика оценки эффективности использования выделенного диапазона частот при многопозиционной модуляции / Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2005 г.-с. 179.
Носкова Н.В. К вопросу об использовании каналов с перекрывающимися спектрами в цифровой радиосвязи / Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2005 г.-с. 187.
Построение сети наземного цифрового радиовещания (Н-ЦЗВ)
В наземном вещании для покрытия участка территории, который не может быть обслужен с помощью одной станции, используется сеть из нескольких передающих станций. Для избежания появления помех между ними для разных станций приходится задействовывать различные частотные каналы, при этом строится многочастотная сеть, в которой частотный ресурс будет использоваться неэффективно.
Попытка совместной работы нескольких близкорасположенных передатчиков аналогового вещания (синхронно передающих одну и ту же программу) на одной несущей частоте приводит к появлению взаимных помех, обусловленных относительным сдвигом по времени моментов прихода сигналов от этих станций в точку приема. Сдвиг по времени вызывается неодинаковой длинной трасс распространения сигналов от передающих станций до места приема. Поскольку для разных точек приема в зоне обслуживания величина этого сдвига будет отличаться, он не может быть скомпенсирован введением линий задержки на передающих станциях.
Цифровая система звукового вещания (digital sound broadcasting system-DAB) предназначена для организации мультисервисного звукового вещания для приема на мобильные, переносные и стационарные приемники в условиях пересеченной местности. Она предназначена для работы в сетях наземного, спутникового и кабельного вещания (таблица 1.1).
DAB-система разработана как гибкая многоцелевая цифровая вещательная система, которая может поддерживать широкий диапазон источников со скоростями передачи от 8 до 320 кбит/с, несколькими уровнями дополнительного канального кодирования [1,2].
Один из путей обеспечения качественного приема в рассматриваемых условиях - использование многочастотного сигнала COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), в котором: используется временное и частотное перемежение и коды, корректирующие ошибки (буква «С» в аббревиатуре COFDM); ортогональность несущих обеспечивается математической компоновкой разделения несущих А/и использованием длительности символа используется дополнительный защитный интервал Та для уменьшения межсимвольной интерференции; используется QPSK модуляция каждой из несущих частот с последующей дифференциальной демодуляцией в приемнике.
Для исправления ошибок в DAB системе используется сверточное кодирование каждого источника. В стандарте ETSI предусматривается пять уровней защиты для звуковых сигналов со скоростями кодирования от 1/3 до 3/4 и восемь уровней защиты для служебных данных с использованием процедуры прореживания в сверточном кодере.
Параметры DAB системы для различных уровней защиты звуковых сигналов приведены в таблице 1.2. В таблице приводятся значения отношения сигнал/шум на входе приемника по радиочастоте при условии, что на выходе декодера сверточного кода (декодера Витерби) обеспечивается коэффициент ошибок #,,,,,= 10"4. Необходимо заметить, что суммарная скорость передачи DAB сигнала с учетом корректирующего кода для всех уровней защиты составляет 2,4 Мбит/с.
При планировании сети цифрового вещания необходимо знать минимальную мощность сигнала на входе приемника, при которой на выходе декодера Витерби обеспечивается коэффициент ошибок к-ош=10"4. Минимальная мощность сигнала на входе приемника определяется шириной полосы пропускания приемника и его коэффициентом шума —— отношение сигнал/шум на радиочастоте, дБ; N /- радиочастота, МГц; F— коэффициент шума приемника, дБ; Рп - мощность шума на входе приемника, дБВт; Psmin - минимальная мощность сигнала на входе приемника, дБВт; Usmin - минимальное напряжение на входе приемника, дБмкВ; Z, = 75 Ом - входной импеданс приемника; К= 1,38-10-" Вт/Гц град - постоянная Больцмана; Г0 = 290 К - абсолютная температура.
Системы наземного цифрового вещания, построенные на основе модуляции COFDM с введением механизма защитного интервала, обладают возможностью приема наряду с основным (полезным) сигналом также запаздывающих сигналов (например, отраженных от препятствий на местности) в том случае, если величина запаздывания не превышает величину защитного интервала. При достаточно большой величине защитного интервала это позволяет осуществлять также прием сигналов других полезных станций, работающих в том же частотном канале. При этом все принятые на ненаправленную антенну полезные сигналы складываются в приемнике, что позволяет значительно улучшить качество приема. Эффект суммирования сигналов от разных передатчиков получил название усиление сети. Сеть передающих станций, синхронно работающих на одной частоте и передающих одну и ту же программу, называется одночастотной сетью (Single Frequency Network, SFN).
Однако построение одночастотных передающих сетей цифрового вещания требует тщательного проектирования. Поэтому в сетях Н-ЦЗВ чаще используются многочастотные сети.
Определение амплитудного спектра сигнала на выходе передатчика
Основным критерием, необходимым для планирования системы вещания и обеспечивающим прием с заданным качеством является защитное отношение А . Защитным отношением по радиочастоте Аз называют такое отношение мощности полезного сигнала к мощности помехи при заданной расстройке частоты, при котором обеспечивается прием сигналов с определенным заданным качеством. Для определения защитного отношения необходимо синтезировать математическую модель тракта передачи, которая бы определяла величины помех на выходе канала от соседних радиоканалов в зависимости от разноса частот между полезным и мешающим сигналами. Математическая модель должна учитывать не только технические параметры приемо-передающей аппаратуры, но и чувствительность человеческого уха к различным спектральным составляющим помехи.
Для оценки защитного отношения используют два метода: субъективный и объективный. В нашем случае будем использовать второй метод, при котором оценка проводится с помощью измерения мощности полезного сигнала и мощности помехи с использованием псофометрического взвешивающего фильтра. Порядок измерения следующий: при несущей частоте, соответствующей частоте канала приема, измеряется уровень полезного сигнала на выходе входного фильтра приемника. Псофометрический фильтр учитывает чувствительность уха к различным частотам; несущая частота смещается на величину AF и вновь измеряется мощность на выходе фильтра, которая в этом случае будет соответствовать мощности сигнала помехи; отношение мощности полезного сигнала к мощности сигнала помехи даст относительное защитное отношение Аош, которое показывает, во сколько раз ослабляется мощность сигнала, поступающая на выход входного фильтра приемника при сдвиге несущей частоты от значения центральной частоты приема: 4„„(AF) = 101og ,ДБ (2.1) защитное отношение на входе можно определить по формуле: Л,(Л ")= Лш,( )+Л,(0),дБ, (2.2) где А„, - отношение мощностей сигнала и помехи на входе приемника при нулевой расстройке частоты (AF = 0), соответствующее требуемому качеству прослушивания.
Сложность данного расчета заключается в многообразии вариантов параметров приемников и передатчиков. Поэтому целесообразно воспользоваться известной математической моделью приемо-передающего тракта и произвести определение защитного отношения, основываясь на конкретных параметрах данной модели. В математической модели через FS{F) обозначается спектральная плотность амплитуд сигнала на выходе передатчика, а через Fr{F)- амплитудно-частотная характеристика приемного тракта, тогда спектр сигнала на выходе приемника определяется перемножением вышеуказанных характеристик.
Мощность сигнала с известной характеристикой спектрального распределения амплитуд можно получить из следующего выражения: P(=)F;(F)CJF, (2.3) -со При отклонении несущей частоты от номинального значения на величину AF мощность в приемнике будет определяться из соотношения: PC{AF)= \Ft{F-AF).Fr2{F)JF, (2.4) /і На рисунке 2.1 представлена спектральная характеристика приемного трактаFr(F) и сигнала на выходе передатчика FS(F-AF) при нулевой расстройке частоты.
Спектральная характеристика приемного тракта Fr(F) и сигнала на выходе передатчика FS(F-AF) (AF = 0) Пределы интегрирования F, и F, выбираются таким образом, чтобы значения функций FS(F) И Fr(F) на этих частотах были ничтожно малы.
Относительное защитное отношение с учетом (2.4) можно представить в следующем виде „(AFblOIog PS(AF) Ps{0) ) (2.5) где Pr(o) - мощность полезного сигнала при нулевой расстройке частоты (AF = 0). В общем виде спектральная плотность амплитуд сигнала, излучаемого передатчиком, может быть записана следующим образом: FS{F) = S(F).H{F).F,(F), (2.6) и; PS{AF)= JF (F-AF).F;{F)JF, (2.7) Ps{0)= ]F (F)-F?(F)CIF, (2.8) где S(F) - спектральная плотность амплитуд цифрового сигнала; H(F) — амплитудно-частотная характеристика ФНЧ; F,(F) -амплитудно-частотная характеристика выходного фильтра передатчика. Представим методику расчета каждой составляющей, входящей в формулу (2.6).
Все системы передачи разрабатываются под определенную форму импульсов. В системах цифрового радиовещания применяется цифровой сигнал формата NRZ -рисунок 2.2
Анализ существующих методов частотно-территориального планирования сетей радиосвязи
При организации работы сети радиосвязи одной из основных задач является назначение рабочих частот радиосредствам сети. При этом оптимальным является частотно-территориальный план (и порождающий его алгоритм), обеспечивающий удовлетворение максимально возможного числа частотных заявок. Очевидно, что алгоритм, работающий по принципу перебора всех возможных комбинаций назначения частот совокупности заявок и выбирающий наилучший, будет оптимальным. Но применение данного алгоритма практически невозможно для решения большинства реальных задач, так как из-за большого числа заявок (сотни) и частотных каналов (десятки) число возможных вариантов назначения частот столь велико, что задача не может быть решена в приемлемое время даже с использованием мощных быстродействующих ЭВМ. На практике рекомендуется использовать приближенные методы, которые дают возможность получить решение за приемлемое время счета.
Существует множество методов решения задачи оптимизации частотного присвоения. Рассмотрим некоторые из них.
Методы комбинаторной оптимизации сводятся к построению эффективных алгоритмов поиска оптимального решения (алгоритмический подход), то есть алгоритмов, дающих оптимальное решение за такое число шагов, которое с увеличением количества РЭС растет не быстрее, чем полином от числа РЭС. Однако очень часто при решении практической задачи невозможно найти эффективные алгоритмы, дающие точный оптимум. Поэтому наиболее универсальным методом решения подобных задач является метод ветвей и границ, суть которого заключается в разбиении начальной сложной задачи на некоторое число подзадач, имеющих меньший размер и поэтому проще разрешимых. Процедура ветвления дополняется процедурой сравнительной оценки ветвей, на основе которой идет отбрасывание неперспективных ветвей решения.
Вместе с тем существуют методы комбинаторной оптимизации, формирующие эффективные алгоритмы, позволяющие находить за счетное время приближенное решение задачи, которые используются при назначении частотных каналов сетям большой размерности. Существует несколько подходов к созданию приближенных алгоритмов. Наибольшее распространение получил метод пошаговой оптимизации: присвоение частот производится последовательно (по шагам) и оптимизация решения производится на каждом шаге (а не по совокупности частотных присвоений). При этом на каждом шаге решаются две задачи: выбирается РЭС, которому будет присваиваться частотных канал, и производится само присвоение. Принципы оптимизации локальных присвоений могут быть сформированы по-разному: в задаче коммивояжера используется принцип «ближайшего соседа», в задаче раскраски графа - максимум числа окрашиваемых одним цветом вершин. При этом никакие смежные вершины не должны быть окрашены в один цвет, а число красок, необходимых для этого, должно быть минимальным. Минимальное число красок называется хроматическим числом графа
Основным достоинством метода оптимального присвоения частот, основанное на использовании алгоритмов раскраски графов, является его простота и высокое быстродействие, но он применим лишь для групп однородных РЭС и только при релейной аппроксимации функции частотно-территориального разноса (которая в реальности является монотонно убывающей). Метод коммивояжера применим для разнородных РЭС и использует реальные монотонно убывающие функции, но имеет меньшее быстродействие и в силу большой вычислительной сложности позволяет решить задачу присвоения частотных каналов лишь при малом числе РЭС.
Пусть V - непустое множество, К(2)- множество всех его двухэлементных подмножеств. Пара {У,Е) - произвольное подмножество множества V(l) называется графом [8, 27, 28]. Элементы множества V называются вершинами графа, а элементы множества Е - ребрами (рисунок 3.1).
Алгоритм распределения частотных каналов линейным методом
Исходными данными для работы подпрограммы являются определенные выше частотно-пространственные ограничения (ЧПО) и разносы между частотными каналами по осям а,Ь,с (см. главу 1). Алгоритм работы подпрограммы сводится к следующему.
1. Вводится заданный радиус зоны обслуживания: 75, 38 или 7.5 км.
2. Определяется расстояние от мешающей станции до границы зоны обслуживания рабочей станции по методике, изложенной в главе 1, рассчитывается координационное расстояние RK и значение модуля сети R0.
При использовании данного метода для назначения каналов в ССС первоначально вводится радиус зоны обслуживания, затем определяется расстояние от мешающей станции до границы зоны обслуживания рабочей станции, координационное расстояние RK, значение модуля сети R0 и относительное координационное расстояние r0.
3. Определяется суммарная напряженность поля помех всех шести мешающих станций: определяется расстояние от г-ой мешающей станции до границы зоны обслуживания рабочей станции d, и ее географическое положение относительно точки приема; определяется напряженность поля помехи от каждой мешающей станции и суммарная напряженность поля помех;
4. Проверяется выполнение условия (1.2) на границе зоны обслуживания: если наложенные ограничения не выполняются, необходимо увеличивать координационное расстояние, и вновь рассчитывать расстояние от мешающих станций до точки приема и суммарную напряженность поля помех.
5. Если наложенные ограничения выполняются, то вычисляется относительное координационное расстояние по формуле : г0 = —. Ко
6. Задаются первоначальные значения а,Ь, на основании которых рассчитывается значение предполагаемого числа каналов С, и начальный узел (с которого начнутся назначения) С, =a2+ab + b2, (4.1).
7. Далее распределяются рассчитанное значение числа каналов внутри ромба совмещенных каналов, необходимых для полного охвата всей территории при минимальной помехе. Номер канала 0 присваивается вершинам ромбов совмещенных каналов, а расстояния между остальными узлами будут 0, 1,2, С, -1. При этом из назначения исключаются значения интервалов, которые в соответствии со своими защитными отношениями, не могут располагаться в соседних узлах сети.
8. Из оставшегося ряда выбираются значения интервалов /,, 2,/3) расположенных в строго определенном направлении обхода элементарного треугольника (см. рисунок 4.2). Поскольку структура сети однородна, эти интервалы будут удовлетворять условию (1.23).
9. Если все наложенные ограничения выполняются, продолжается дальнейшая оптимизация числа используемых каналов. Для этого предлагается уменьшить число каналов, изменив либо величину а, либо Ъ. Если уменьшить число каналов с сохранением накладываемых условий не удается, то рассчитанное значение считается оптимальным и работа программы заканчивается. На рисунке 4.3 представлен результат распределения частотных каналов с использованием линейного метода при а = \,Ь = 3,Q = Структурная схема алгоритма распределения частотных каналов с использованием метода координационных колец приведена на рисунке 4.4.
Исходными данными для работы подпрограммы являются определенные выше ЧПО (см. главу 1). Алгоритм работы подпрограммы сводится к следующему. 1. Вводится заданный радиус зоны обслуживания. 2. Определяется расстояние от мешающей станции до границы зоны обслуживания рабочей станции по методике, предложенной в главе 1, рассчитывается координационное расстояние RK и значение модуля сети Д0=Д5л/з. 3. Определяется суммарная напряженность поля помех всех шести мешающих станций.
