Введение к работе
Актуальность проблемы
Бурное развитие мобильных коммуникаций вызвало острую необходимость увеличения ресурса систем подвижной радиосвязи (СПРС). В общем случае ресурс обусловлен многими компонентами, из которых можно выделить три, наиболее значимые:
- во-первых, экспоненциальный рост количества радиостанций в электро
магнитном спектре метрового и дециметрового диапазонов предопределил
потребность в увеличении для них спектральной эффективности, опреде
ляющей возможность передачи данных в заданной полосе частот. Для реше
ния этой задачи применяют многопозиционные сигналы и спектрально эф
фективные методы модуляции (фазоманипулированные сигналы с высокой
кратностью, квадратурные амплитудно-манипулированные сигналы). Прн
формировании компактного спектра используют модуляцию с непрерывной
фазой, в которой при изменении информационного сигнала модулируемый
параметр изменяется не дискретно, а линейно (MSK) или плавно, например
по гауссовому закону (GMSK, GFSK). Повышение спектральной эффектив
ности, как правило, достигается снижением помехоустойчивости. Примене
ние помехоустойчивого кодирования препятствует этому снижению.
Перспективным направлением является освоение сантиметрового и особенно миллиметрового диапазонов. Использование миллиметрового диапазона длин волн (30-300ГТц), значительно увеличивает частотный ресурс средств связи. В этом диапазоне узкие диаграммы направленности антенн передатчика (приемника) формируются малыми размерами апертуры антенн (технология VS AT - Very Small Aperture Terminal), обеспечивая возможность пространственного разделения сигналов. Smart-антенны изготавливаются небольших размеров с минимальными издержками;
во-вторых, для СПРС актуальным является повышение помехоустойчивости. Особенностью этих систем связи является прием сигналов в условиях замираний, как правило, релеевского и логнормального характеров, варьирующих уровень амплитуд сигналов. Повышение помехоустойчивости систем связи вступает в противоречие с задачами по увеличению их спектральной эффективности. Проблему увеличения помехоустойчивости необходимо решать комплексно, минимизируя при этом потери спектральной эффективности;
в-третьих, для абонентов подвижной радиосвязи актуальной является проблема снижения энергопотребления передающих устройств, поскольку мобильные терминалы снабжены автономными, как правило, аккумуляторными источниками питания, время функционирования которых ограничено.
Эти три компонента (спектральная эффективность, помехоустойчивость и энергопотребление мобильных терминалов) взаимозависимы и составляют основной ресурс систем подвижной радиосвязи.
Необходимость исследования этих компонентов, их взаимосвязи, определяет актуальность диссертационной работы, посвященной анализу путей повышения эффективности использования ресурса систем подвижной радиосвязи.
Целью работы является разработка методов повышения эффективности использования ресурса систем подвижной радиосвязи.
В соответствии с целью дисссргацкопнон работы были сформулированы и решены следующие задачи:
проведен анализ надежности радиосвязи в мобильных системах в условиях релеевских и логнормальных замираний; показаны особенности расчета надежности энергетически асимметричных линий радиосвязи, соединенных последовательно, параллельно и последовательно - параллельно;
осуществлена разработка методов повышения помехоустойчивости СПРС в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями применением прерывистой связи и комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом, проведен сравнительный анализ этих методов с методами, применяемыми в СПРС в настоящее время;
установлены зависимости энергопотребления СПРС от высоты подвеса и коэффициентов усиления антенн базовых станций (БС); показана оптимизация, по критерию минимального энергопотребления абонентскими станциями (АС), высоты подвеса антенн БС.
Методы исследования
Исследования выполнялись с использованием методов теорий: случайных процессов, сигналов, оптимального приема, численного моделирования. Математические расчеты выполнены в среде MathCAD НРго.
Научная новизна работы заключается в том, что в пей:
для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных интервалов, замирания уровней в которых коррелированны, определены: аналитическая зависимость плотности вероятности распределения уровня сигнала и плотности вероятности отношения сигнал/шум (ОСШ), надежность линии связи, вероятность ошибки, дисперсия, среднее значение и средний квадрат уровня сигнала;
исследована помехоустойчивость когерентного и некогерентного приема фазоманипулироваииых (ФМ) сигналов в релеевском и логнор-мальком каналах при прерывистой передаче. Получены аналитические
зависимости: вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ; энергетического выигрыша прерывистого способа передачи относительно разнесенного приема при различных алгоритмах объединения ветвей разнесения. Проведено сравнение помехоустойчивостей приема прерывистого сигнала и сигнала кодированного избыточным кодом;
осуществлен сравнительный анализ помехоустойчивостей прерывистого способа передачи и комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом в релесвском и логнормалыюм каналах. Представлены аналитические зависимости: вероятностей ошибок приема ФМ сигналов от среднего ОСШ; энергетического выигрыша от среднего отношения сигнал/шум при комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом в сравнении с разнесенным приемом при оптимальном объединении ветвей разнесения с некогерентной демодуляцией;
выполнено сопоставление помехоустойчивостей прерывистой связи при комплексировании с разнесенным приемом, объединением ветвей разнесения по алгоритму автовыбора и разнесенного приема при различных алгоритмах объединения ветвей разнесения;
предложена методика анализа интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диаграммы направленности антени БС. Получена аналитическая зависимость этого потребления от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС, определена оптимальная высота подвеса антенн по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов.
Основные положения, выносимые на защиту:
установлено, что для последовательно соединенной двухшгтервальной линии связи с коррелированными замираниями уровней сигналов вероятность ошибочного приема при возрастании коэффициента корреляции, несмотря на увеличение среднего уровня сигнала, возрастает. В отличие от релеевского канала, при котором с ростом дисперсии, среднего уровня увеличивается мода плотности распределения, в указанном канале с ростом дисперсии и среднего уровня сигнала она снижается, замирания сигнала в канале становятся более глубокими;
выведены аналитические зависимости: вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ при прерывистом способе передачи в каналах релеевскими и логнормаль-ными замираниями; энергетического выигрыша прерывистого способа передачи относительно разнесенного приема при оптимальном объединении ветвей разнесения. Установлено, что применение прерывистого способа передачи, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении со связью без прерываний;
выведены аналитические зависимости: вероятности ошибок иекоге-рентного приема ФМ сигналов от среднего ОСШ при комплексирова-нии прерывистой связи с разнесенным приемом в каналах релеевскими и логнормальными замираниями; энергетического выигрыша при ком-плексировании прерывистой связи с разнесенным приемом относительно разнесенного приема при оптимальном объединении ветвей разнесения. Установлено, что применение комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении с одиночной прерывистой связью и относительно разнесенного приема сигналов при оптимальном объединении ветвей разнесения;
выведены аналитические зависимости интегрального (суммарного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диаграммы направленности антенн БС, показаны оптимальные высоты подвеса антенн БС по критерию минимума интегрального энергопотребления мобильных терминалов.
Личный вклад. Основные результаты, выводы и рекомендации, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты
позволяют:
t используя способ прерывистой связи, повысить помехоустойчивость передачи данных, увеличить зону покрытия беспроводной сети, снизить мощность передатчиков мобильных абонентов в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями более эффективно, чем при использовании помехоустойчивого кодирования;
используя комплекейрование прерывистой связи с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора, увеличить помехоустойчивость передачи данных по сравнению с помехоустойчивостью передачи данных при одиночной прерывистой связи и разнесенным приемов сигналов без прерывистой связи в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями;
снизить энергопотребление мобильных абонентов в зоне обслуживания выбором соответствующей высоты подвеса антенны и диаграммы направленности антенной решетки.
Апробации работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
» 4-я Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и
ее применение". - 27 февраля -1 марта 2002г., - г. Москва - Т.1, -
С.117.
5-я 'Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и
ее применение". - 12- 14 марта 2003г.,-г. Москва - Т. 1, -С. 130.
10-я Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и
ее применение." - 29- 31 марта 2008г., - г. Москва т.1, - С.305.
Результаты, полученные в ходе исследовательской работы, были ис
пользованы при проведении ОКР "Разработка бортовой части системы
управления РПМ-Т " (управление мобильного робота) (2008 год);
НИР " Разработка макета системы на кристалле декодера цифрового
телевизионного сигнала на основе комплекта нормативно-технической
документации, регламентирующего проектирование систем на кри
сталле и сложно функционирующих блоков" (2007-2008 годы).
При проведении ОКР по управлению мобильного робота был применен алгоритм прерывистой связи в многолучевом канале, использовался сигнал ФМ-2 с когерентным приемом. В декодере цифрового телевизионного сигнала стандарта DVB-T применен алгоритм прерывистой связи, при модуляции информационных поднесущих использовался сигнал ФМ-4 с когерентным приемом, имеющим вероятность ошибочного приема, как и у сигнала ФМ-2, но удвоенную спектральную эффективность.
