Исследование вопроса повышения эффективности систем сухопутной подвижной связи в условиях многолучевого распространения радиоволн

Системы сухопутной подвижной связи (системы сотовой связи, бесшнуровой телефонии, беспроводного доступа, радиотелефонные удлинители и т. п.) в настоящее время получили широкое распространение. Все они работают в условиях многолучевого распространения волн и подвержены влиянию селективных замираний, что снижает их пропускную способность, уменьшает зону обслуживания и требует увеличения затрат на создание инфраструктуры. В настоящее время широкое применение нашли системы, использующие различные методы разнесения для уменьшения отрицательного влияния селективных замираний. К таким методам относятся временное, частотное и пространственное разнесение [10, 16, 51]. С развитием технологии обработки сигналов и вычислительной техники появилась возможность дальнейшего совершенствования этих методов за счет использования адаптивных алгоритмов [10]. Необходимость совершенствования систем связи, работающих в условиях многолучевого распространения волн, и появившиеся для этого возможности определяют актуальность темы работы.

Целью данной работы является разработка и исследование методик и адаптивных алгоритмов, улучшающих энергетические характеристики канала связи за счет учета коррелированности замираний сигнала в частотной и временной областях.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Исследование влияния селективных замираний на системы сухопутной подвижной связи. Анализ применимости методов временного, частотного и пространственного разнесения.

2. Разработка и изготовление измерительного оборудования, предназначенного для построения математической модели пространственной картины поля, создаваемого неподвижным радиомаяком, имитирующим базовую станцию системы связи. Экспериментальное исследование влияния подвижности окружающей среды на характеристики канала связи.

3. Разработка алгоритмов адаптивного распределения ресурсов системы, основанных на учете коррелированности замираний сигнала.

4. Тестирование алгоритмов на математической модели пространственной картины поля, создаваемого неподвижным радиомаяком, построенной на основе полученных экспериментальных данных.

5. Исследование возможностей реализации алгоритмов адаптации в существующих и перспективных системах связи.

Метод исследования.

Схематично метод исследования представлен на Рис. 1.

Алгоритмы адаптации строились исходя из следующих теоретических и эмпирических предпосылок:

• амплитуда огибающей замирающего сигнала распределена по закону Релея или по логнормальному закону с известными из других исследований параметрами [29];

• процесс флуктуаций амплитуды огибающей замирающего сигнала стационарен и коррелирован на интервале адаптации;

• характерная полоса когерентности селективных замираний в зависимости от условий распространения радиоволн известна из результатов других исследований [10, 16, 51].

Оценка влияния подвижности среды проводилась на основе экспериментальных данных, полученных путем наблюдения уровня принимаемого от неподвижного радиомаяка сигнала неподвижным приемником. Оценка эффективности рассматриваемых алгоритмов производилась путем их тестирования на математической модели пространственной картины поля неподвижного радиомаяка, имитирующего базовую станцию системы связи, построенной на основании экспериментальных данных.

В работе использовались математический аппарат теории вероятности, теории помехоустойчивости и математическое моделирование. Справедливость исходных теоретических предположений подтверждается экспериментальными данными и результатами тестирования алгоритмов. Обоснованность научных положений и достоверность результатов.

Справедливость полученных результатов подтверждается совпадением с теоретическими в предельных случаях и результатами тестирования разработанных алгоритмов. Научная новизна работы.

1. Предложены и исследованы, как теоретически, так и экспериментально, алгоритмы адаптивного распределения ресурсов в системе сухопутной подвижной связи с временным и частотным разделением каналов, учитывающие коррелированность замираний принимаемого радиосигнала.

2. Экспериментально исследовано влияние подвижности окружающей среды на характеристики канала связи и на работу предложенных алгоритмов.

Практическая значимость.

Получены результаты, позволяющие увеличить пропускную способность сотовых систем связи на величину порядка 25−50%, а также увеличить площадь зоны обслуживания систем беспроводного доступа на 60−70%.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе рассматриваются основные характеристики селективных замираний и влияние многолучевого распространения радиоволн на характеристики систем связи. Во второй главе приведено техническое описание измерительного оборудования, которое применялось в проводимом в рамках данной работы экспериментальном исследовании, условия проведения, методика и результаты экспериментального исследования. В третьей главе предлагаются и анализируются алгоритмы адаптации для случаев связи с неподвижным и подвижным объектами. В четвертой главе рассматривается алгоритм адаптивного распределения ресурсов в системе связи, базирующийся на рассмотренных ранее алгоритмах адаптации, возможности и предполагаемые результаты его использования в современных системах связи.

Заключение

.

В диссертационной работе были получены следующие результаты:

1. Сформулирована совокупность технических признаков систем сухопутной подвижной связи, на основании которой можно судить о возможности использования методов разнесения: частотного, временного и пространственного.

2. На основе экспериментальных данных построена математическая модель пространственной картины поля неподвижного радиомаяка, имитирующего базовую станцию системы связи. В этой модели учитываются флуктуации уровня принимаемого абонентской станцией радиосигнала, вызванные многолучевым распространением волн.

3. Разработаны алгоритмы адаптивного распределения ресурсов системы сухопутной подвижной связи с временным и частотным разделением каналов, учитывающие коррелированность замираний принимаемого абонентской станцией сигнала. Использование этих алгоритмов позволит улучшить энергетические характеристики канала связи на величину порядка 6дБ при связи с неподвижными объектами и на величину порядка 2дБ при связи с движущимися объектами с учетом подвижности окружающей среды. Исходные предпосылки подтверждены результатами экспериментального исследования. Работоспособность алгоритмов проверена путем тестирования их на построенной математической модели пространственной картины поля.

4. Показана возможность реализации разработанных алгоритмов в системах сухопутной подвижной связи, использующих комбинацию временного и частотного разделения каналов, обладающих достаточно большим частотным ресурсом (1−20 МГц в зависимости от условий применения), и допускающих временную задержку при передаче информации на величину порядка 50−100 мс при соответствующем выборе канальной скорости и кадровой структуры.

Полученные в работе результаты позволяют увеличить пропускную способность систем сотовой связи на величину порядка 25−50% и увеличить площадь зоны обслуживания систем беспроводного доступа на 60−70% при приемлемых дополнительных вычислительных и аппаратурных затратах.

Предметом дальнейших исследований автора является исследование возможностей дополнительного снижения вычислительных затрат на реализацию алгоритмов за счет использования градиентных методов адаптации, а также проработка теоретических и практических положений, касающихся внедрения алгоритмов в существующие и перспективные системы связи.