Введение к работе
Актуальность темы. Ускоренное развитие широкополосного доступа, в том числе систем беспроводного доступа WiMAX и LTE, необходимо для развития экономики, медицины, образования, повышения качества жизни населения, решения задач национальной безопасности. Для достижения контрольных значений, установленных Стратегией развития информационного общества в Российской Федерации, утвержденной Президентом Российской Феде рации 7 февраля 2008 г. (Пр-212), необходимо до 2015 года развернуть значительное число сетей беспроводного широкополосного доступа.
Мультисервисные сотовые сети способны предоставить пользователям широкий набор услуг, в том числе мобильный широкополосный доступ в Интернет и видеозвонки, но при этом предъявляют высокие требования к качеству канала связи и размещению базовых станций. Кроме того, высокая плотность пользователей особенно в городских условиях и значительный объем данных реального времени делают критичным вопрос эффективности использования частотно-временного ресурса сети. При этом высокая стоимость обслуживающего оборудования беспроводных телекоммуникационных систем широкополосного доступа делает актуальным вопрос оптимизации размещения базовых станций при минимально возможном их числе.
Развертывание сетей беспроводного широкополосного доступа значительно упрощается при использовании компьютерных инструментов радиопланирования, которые позволяют еще на этапе проектирования сети осуществить расчет и анализ отдельных характеристик радиопокрытия и определить оптимальную топологию разворачиваемой сети.
На сегодняшний день существующие методы радиопланирования разделяют по типу применяемых в них моделях и алгоритмов на детерминированные, квазидетерминированные и статистические. Использование детерминированных и квазидетерминированных методов радиопланирования обеспечивает высокую точность и полноту анализа характеристик радиопокрытия, но при этом требует значительного количества времени проведения расчетов даже при применении высокопроизводительных вычислительных средств. Проведение радиопланирования с использованием статистических методов требует гораздо меньшего времени, что обусловливает возможность их широкого применения, но при этом статистические методы не обеспечивают достаточную точность и полноту расчета харакетристик радиопокрытия, что затрудняет их применение для радиопланирования перспективных сотовых сетей, в том числе четвертого поколения.
Для повышения полноты производимого радиопланирования беспроводных телекоммуникационных сетей при использовании статистических математических моделей затухания сигнала в диссертации предлагается метод анализа радиопокрытия, включающий в себя алгоритмы расчета характеристик покрытия, учитывающие адаптивную регулировку мощности излучения абонентских
терминалов и применение в современных телекоммуникационных сетях многоуровневых схем кодирования и модуляции. Кроме того, предлагаемый метод включает в себя алгоритм коррекции параметров статистических моделей затухания на основе данных экспериментальных измерений уровня сигнала в сотовых сетях связи, позволяющий повысить точность расчета характеристик радиопокрытия при использовании статистического подхода без значительного увеличения вычислительных затрат.
Таким образом, актуальность темы исследования обусловливается повышенным интересом, как к самим мультисервисным сотовым сетям связи, в т.ч. как к средству информатизации общества и различных отраслей экономики, так и к средствам радиопланирования мультисервисных сотовых систем и способам оптимизации применяемых в них методов с целью обеспечения наибольшей полноты и точности радиопокрытия при приемлемых вычислительных затратах.
Работа выполнена в Международном институте компьютерных технологий в рамках одного из основных научных направлений «Интеллектуальные технологии и информационные системы».
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка метода анализа радиопокрытия мультисервисных телекоммуникационных систем связи, основанного на статистическом подходе и учитывающего типовые процессы и характеристики мультисервисной сотовой системы связи.
Для достижения поставленной цели предполагается осуществить решение следующего ряда задач:
Произвести анализ и обзор методов радиопланирования и математических моделей распространения сигнала в условиях городской застройки.
Разработать метод анализа радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, обеспечивающий требуемую точность расчета характеристик покрытия при использовании статистических моделей и учитывающий адаптивные механизмы изменения параметров сигнала.
Разработать численные алгоритмы расчета отдельных характеристик покрытия сотовых сетей связи с учетом адаптивной подстройки параметров передачи мультисервисного трафика.
Разработать алгоритм коррекции параметров статистических моделей распространения сигнала с использованием результатов экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия.
Разработать программный комплекс моделирования радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, реализующий алгоритмы расчета радиопокрытия и произвести анализ и верификацию полученных результатов моделирования.
Объект и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования являются мультисервисные сотовые системы связи. Предмет исследова-
ния - методы расчета радиопокрытия, а также функциональные процессы и характеристики мультисервисных сотовых сетей.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы аппарат вычислительной математики, методы математического моделирования и принципы объектно-ориентированного проектирования и программирования на языке C++.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
разработан метод анализа радиопокрытия беспроводных мультисервисных сетей, обеспечивающий требуемую точность расчета характеристик покрытия при применении статистических моделей распространения сигнала и отличающийся возможностью учета механизмов динамической подстройки параметров передачи мультисервисного трафика;
разработан алгоритм расчета зоны покрытия в прямом канале мультисер-висной сотовой системы связи, отличающийся учетом адаптивной регулировки параметров многоуровневой модуляции и кодирования;
разработан алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале мульти-сервисной сотовой системы связи, отличающийся возможностью учета адаптивного изменения параметров модуляции и кодирования, а также уровня мощности излучения абонентских терминалов;
впервые предложен алгоритм коррекции параметров статистической модели распространения сигнала с использованием данных экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия сети, получаемых от подвижной лаборатории, оборудованной системой позиционирования и временной синхронизации на основе ГЛОНАСС.
Практическая значимость и реализация результатов работы. В работе предложен метод расчета характеристик радиопокрытия мультисервисных сотовых систем, использующий статистические модели и позволяющий учитывать мультисервисный характер сети, неравномерную загруженность частотно-временного ресурса, а также адаптивный выбор используемых многоуровневых схем модуляции и кодирования и уровня мощности передатчика абонентских терминалов.
На основе предложенного метода был разработан программный комплекс моделирования радиопокрытия беспроводных мультисервисных сетей, зарегистрированный в Реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам - свидетельство № 2011610043. С помощью данного комплекса был проведен расчет радиопокрытия опытного района системы 1ЕЕЕ802.16е, по итогам которого была определена возможность использования как метода, так и комплекса для расчета радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей.
Кроме того, в ходе выполнения диссертационной работы был разработан способ оценки канала с решающей обратной связью в системе беспроводной
связи, позволяющий за счет использования при оценке канала не только пилотных сигналов, но и информационных данных значительно улучшить качество оценки канала. Способ защищен патентом РФ № 2405254.
Степень обоснованности и достоверности результатов. Достоверность исследования основана на использовании методов математического моделирования, аппарата вычислительной математики, методов системного анализа.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждена проведенной верификацией результатов расчета с экспериментальными измерениями характеристик радиопокрытия.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международной научно-технической конференции «Радилокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011), научно-практической конференции «Связь и телекоммуникации - инновационное развитие регионов» (Воронеж, 2011), а также были представлены на международной выставке «Связь-Экспокомм» (Москва, 2010).
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Метод анализа радиопокрытия сотовых телекоммуникационных сетей связи, обеспечивающий заданную точность расчетов характеристик покрытия при использовании статистических моделей распространения сигнала и учитывающий динамические характеристики параметров передачи мультисер-висного трафика.
Алгоритм расчета зоны покрытия в прямом канале сотовой сети связи, позволяющий учесть механизм адаптивного выбора применяемой схемы канального кодирования и модуляции.
Алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале сотовой сети связи, осуществляющий учет влияния на покрытие адаптивной регулировки уровня мощности излучения абонентских терминалов и параметров кодирования и модуляции.
Алгоритм коррекции параметров математических моделей распространения сигнала в городских условиях с использованием результатов экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия.
Программный комплекс моделирования и визуализации радиопокрытия телекоммуникационных сетей связи четвертого поколения, основанный на разработанных алгоритмах и осуществляющий графическое отображение результатов расчета различных характеристик радиопокрытия.
Результаты моделирования и анализа различных характеристик радиопокрытия, полученных с помощью разработанного программного комплекса и скорректированной модели распространения сигнала в условиях городской застройки.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение и
1 свидетельство об официальной регистрации программы, выданное Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,9,10] - метод расчета радиопокрытия систем связи, учитывающий адаптивные процессы функционирования мульти-сервисных сетей; [2,3] - практическая реализация рассматриваемых алгоритмов; [6] - оценка эффективности разработанного метода расчета радиопокрытия; [7] - обзор моделей распространения сигнала, и обоснование выбора оптимальной модели для применения при расчете радиопокрытия систем связи четвертого поколения; [12] - алгоритм оптимизации параметров модели затухания сигнала. При разработке программы [5] личный вклад автора состоит в реализации разработанных алгоритмов в коде и отладке программы. При написании патента [4] лично автором было произведено моделирование существующих и разработанного методов оценки канала.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 120 наименований. Основная часть работы изложена на 150 страницах, содержит 2 таблицы и 43 рисунка.
