авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка субоптимальных алгоритмов повышения эффективности систем подвижной радиосвязи

На правах рукописи

Андрианов Михаил Николаевич Разработка субоптимальных алгоритмов повышения эффективности систем подвижной радиосвязи Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в институте радиотехники и электроники им.

В.А.Котельникова РАН

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Г. А. Андреев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент В.В. Сизых;

кандидат технических наук, профессор А.С. Сорокин Ведущая организация : ОАО "Московский научно исследовательский институт радиосвязи" (ОАО "МНИИРС")

Защита диссертации состоится «3» сентября 2009г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.01 при ГОУ ВПО Московский технический университет связи и информатики по адресу: Москва, ул. Авиамоторная, д.8А, ауд. А-448.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики.

Автореферат разослан « 4 » июня 2009г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д219.001.01 Р.Ю. Иванюшкин

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы Бурное развитие мобильных коммуникаций вызвало острую необходи мость увеличения ресурса систем подвижной радиосвязи (СПРС). В общем случае ресурс обусловлен многими компонентами, из которых можно выде лить 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). При 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 осо бенно миллиметрового диапазонов. Использование миллиметрового диапа зона длин волн (30-300ГГц), значительно увеличивает частотный ресурс средств связи. В этом диапазоне узкие диаграммы направленности антенн передатчика (приемника) формируются малыми размерами апертуры антенн (технология VSAT – Very Small Aperture Terminal), обеспечивая возможность пространственного разделения сигналов. Smart-антенны изготавливаются не больших размеров с минимальными издержками;

- во-вторых, для СПРС актуальным является повышение помехоустойчи вости. Особенностью этих систем связи является прием сигналов в условиях замираний, как правило, релеевского и логнормального характеров, варьи рующих уровень амплитуд сигналов. Повышение помехоустойчивости сис тем связи вступает в противоречие с задачами по увеличению их спектраль ной эффективности. Проблему увеличения помехоустойчивости необходимо решать комплексно, минимизируя при этом потери спектральной эффектив ности;

- в-третьих, для абонентов подвижной радиосвязи актуальной является проблема снижения энергопотребления передающих устройств, поскольку мобильные терминалы снабжены автономными, как правило, аккумулятор ными 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, опреде ляет актуальность диссертационной работы, посвященной анализу путей повышения эффективности использования ресурса систем подвижной ра диосвязи.

Целью работы является разработка методов повышения эффективности использования ресурса систем подвижной радиосвязи.

В соответствии с целью диссертационной работы были сформулированы и решены следующие задачи:

• проведен анализ надежности радиосвязи в мобильных системах в усло виях релеевских и логнормальных замираний;

показаны особенности расчета надежности энергетически асимметричных линий радиосвязи, соединенных последовательно, параллельно и последовательно - па раллельно;

• осуществлена разработка методов повышения помехоустойчивости СПРС в каналах с релеевскими и логнормальными замираниями при менением 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 оп тимизация, по критерию минимального энергопотребления абонент скими 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 14Pro.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

• для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных ин тервалов, 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 фазоманипулированных (ФМ) сигналов в релеевском и логнор мальном 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 сиг нала кодированного избыточным кодом;

• осуществлен сравнительный анализ помехоустойчивостей прерывисто го способа передачи и комплексирования прерывистой связи с разне сенным приемом в релеевском и логнормальном каналах. Представле ны аналитические зависимости: вероятностей ошибок приема ФМ сиг налов от среднего ОСШ;

энергетического выигрыша от среднего отно шения сигнал/шум при комплексировании прерывистой связи с разне сенным приемом в сравнении с разнесенным приемом при оптималь ном 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 раз личных алгоритмах объединения ветвей разнесения;

• предложена методика анализа интегрального (суммарного) энергопо требления мобильных терминалов СПРС от высоты подвеса и диа граммы направленности антенн БС. Получена аналитическая зависи мость этого потребления от высоты подвеса и диаграммы направленно сти антенн БС, определена оптимальная высота подвеса антенн по кри терию минимума интегрального энергопотребления мобильных терми налов.

Основные положения, выносимые на защиту:

• установлено, что для последовательно соединенной двухинтервальной линии связи с коррелированными замираниями уровней сигналов веро ятность ошибочного приема при возрастании коэффициента корреля ции, несмотря на увеличение среднего уровня сигнала, возрастает. В отличие от релеевского канала, при котором с ростом дисперсии, сред него 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 когерент ного 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 объеди нении ветвей разнесения. Установлено, что применение прерывистого способа передачи, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении со связью без прерываний;

• выведены аналитические зависимости: вероятности ошибок некоге 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 относи тельно разнесенного приема при оптимальном объединении ветвей разнесения. Установлено, что применение комплексирования прерыви стой связи с разнесенным приемом, снижает вероятность ошибки приема сигналов в сравнении с одиночной прерывистой связью и отно сительно разнесенного приема сигналов при оптимальном объедине нии 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 энергопо требления мобильных терминалов.

Личный вклад. Основные результаты, выводы и рекомендации, приве денные в диссертации, получены автором лично.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволяют:

• используя способ прерывистой связи, повысить помехоустойчи вость передачи данных, увеличить зону покрытия беспроводной сети, снизить мощность передатчиков мобильных абонентов в каналах с ре леевскими и логнормальными замираниями более эффективно, чем при использовании помехоустойчивого кодирования;

• используя комплексирование прерывистой связи с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбо ра, увеличить помехоустойчивость передачи данных по сравнению с помехоустойчивостью передачи данных при одиночной прерывистой связи и разнесенным приемов сигналов без прерывистой связи в кана лах с релеевскими и логнормальными замираниями;



• снизить энергопотребление мобильных абонентов в зоне обслу живания выбором соответствующей высоты подвеса антенны и диа граммы направленности антенной решетки.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсужда лись на следующих конференциях:

• 4-я Международная конференция “Цифровая обработка сигналов и ее применение”. – 27 февраля -1 марта 2002г., – г. Москва – Т.1, – C.117.

• 5-я Международная конференция “Цифровая обработка сигналов и ее применение”. – 12- 14 марта 2003г., – г. Москва – Т.1, – C.130.

• 10-я Международная конференция “Цифровая обработка сигналов и ее применение.” – 29- 31 марта 2008г., – г. Москва т.1, – C.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 при менен алгоритм прерывистой связи в многолучевом канале, использо вался сигнал ФМ-2 с когерентным приемом. В декодере цифрового те левизионного сигнала стандарта DVB-T применен алгоритм прерыви стой связи, при модуляции информационных поднесущих использо вался сигнал ФМ-4 с когерентным приемом, имеющим вероятность ошибочного приема, как и у сигнала ФМ-2, но удвоенную спектраль ную эффективность.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дано краткое описание ос новных рассматриваемых вопросов по главам.

В первой главе показаны особенности СПРС, которые необходимо учи тывать при расчете надежности связи.

В мобильных системах связи канал передачи информации, как правило, является многолучевым, дисперсионным. В многолучевом канале при дви жении объекта огибающая сигнала на входе приемника абонента вследствие интерференции сигналов, отраженных от различных предметов (Рис. 1), под вержена замираниям по релеевскому закону. При увеличении скорости дви жения абонента длительность замираний снижается, интервал корреляции случайного флуктуирующего сигнала уменьшается. В современных сотовых системах связи для снижения воздействия флуктуации огибающей сигнала применяют ряд методов, среди которых: технология SFH (Slowly Frequency Hopping) – медленная перестройка частоты;

перемежение;

разнесение сигна лов. Применение технологии SFH позволяет минимизировать время присут ствия сигнала в интерференционном минимуме. В этом случае даже при вре менном положении абонента на одном месте он практически не попадает в интервал длительного замирания сигнала. В известном стандарте GSM час тота изменяет свое значение 217 раз за секунду, увеличивая свое значение на фиксированную величину за один скачок, а в новейших модернизациях предполагается применить псевдослучайную перестройку частоты.

Рис.1. Схема положения мобильного абонента в многолучевом канале связи В мобильных системах линия транзакции сообщений компонуется из не скольких интервалов радиосвязи, соединения которых могут быть представ лены в последовательном, а при разнесении сигналов параллельном и после довательно-параллельным виде. Для повышения достоверности при передаче данных применяют различные способы разнесения сигналов. Как правило, в СПРС сотовой архитектуры, передача данных в которой осуществляется че рез БС, возникает необходимость анализа надежности двухсторонней линии связи, состоящей из энергетически асимметричных интервалов. Так, напри мер, энергетический потенциал на интервале от БС к АС значительно выше потенциала обратного направления. Эти интервалы могут быть представлены последовательными и последовательно-параллельными соединениями. Раз несенный прием моделирует параллельно соединенные интервалы. Повыше ние актуальности анализа особенностей СПРС продиктовано современным уровнем развития радиосвязи и появлением новых технологий. Это системы сотовой связи, в которых обмен данными проходит через последовательные или последовательно-параллельные интервалы между АС и БС, технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) с разнесенной передачей и приемом данных (предложена компанией Bell Laboratories).

Компания Intel предлагает иной способ организации связи: доставка информации не сразу адресату, а путем "эстафетной передачи" от "соседа" к "соседу", что резко повышает пропускную способность беспроводной сети.

Все эти новации требуют тщательного анализа надежности линий радиосвя зи различной конфигурации.

Одно из главных отличий систем подвижной радиосвязи от связи фик сированной состоит в том, что если при второй энергетические потенциалы в обе стороны одинаковы, то в СПРС по технологическим и экономическим соображениям это делать невыгодно, энергетический потенциал линии вниз больше этого потенциала в обратную сторону. Например, в стандарте GSM эта асимметрия составляет 16 дБ, AMPS/D-AMPS -17 дБ, а в стандарте CDMA – 20 дБ. Поскольку абоненты АС соединены последовательно, через БС, то для сохранения надежности связи необходимо низкий энергетический потенциал линии вверх частично компенсировать высоким потенциалом ли нии вниз.

Надежность радиосвязи, т.е. вероятность того, что текущее отношение сигнал/шум в релеевском канале превысит пороговый уровень t, описывает ся интегральной функцией распределения P( t ) = exp t, (1) где 0 – среднее ОСШ.

При последовательно-параллельном соединении интервалов надежность связи повышается относительно надежности последовательного соединения, при одинаковом количестве интервалов, и не может быть выше наименее на дежного интервала последовательного соединения.

Установлено, что надежность линии связи, состоящей из последовательно соединенных некоррелированных интервалов, может быть определена в предположении, что на всей линии имеются релеевские замирания. Характе ристика надежности линии связи является экспоненциальной, как в каждом интервале, вследствие перемножения их надежности.

Аналогичные вычисления выполнены для подвижной связи при логнор мальных замираниях (2), (3) ln 0 _ ref p( ) = 11 1 ln 0 ln 0 _ ref e, (2) 2 ln 0 ln 0 _ ref ln 0 _ ref P( t ) = p( )d = 1 1 ln 0 ln 0 _ ref e ln 0 ln 0 _ ref d = t t. (3) 1 ln t ln 0 _ ref 1 = erfc 1 ln t ln 0 _ ref = erf 2 ln 0 ln 0 _ ref 2 2 ln 0 ln 0 _ ref В формулах (2), (3) 0_ref – отношение сигнал/шум на входе приемника в не возмущенной среде и 0 0_ref.

Параллельно соединенные интервалы связи с различным коэффициентом корреляции достаточно подробно рассмотрены и описаны в литературе по технологии разнесенного приема. При проектировании СПРС представляет практический интерес вариант последовательного соединения интервалов связи c коррелированными замираниями уровней сигналов ("эстафетная пе редача" данных, технология TDD (временной дуплекс), пакетная радиосвязь).

Для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных интерва лов, замирания уровней в которых коррелированны, определены аналитиче ские зависимости: плотности вероятности распределения уровня сигнала, его дисперсии, среднего значения и среднего квадрата при различных значениях коэффициента корреляции. Для указанной двухинтервальной линии связи определены аналитические зависимости: плотности вероятности распределе ния ОСШ, надежности, вероятности ошибок (4), рис.2, при различных значе ниях коэффициента корреляции. Вероятности ошибок определены для опти мального некогерентного приема сигнала ОФМ-2.

2 2 1+ ( ) Pe ( 0 ) = exp( ) (1 + )d, I0 + 2 K0 (4) 0 0 1 1 0 1 где I0(x), K0(x) – модифицированные функции Бесселя соответственно перво го и третьего рода нулевого порядка, и 0 ОСШ и среднее ОСШ линии свя зи соответственно, - нормированный коэффициент корреляции.

Рис.2. Вероятности ошибок в канале из двух коррелированных интервалов связи, соеди ненных последовательно при различных коэффициентах корреляции в сравнении с веро ятностями ошибок релеевского канала В второй главе представлен анализ помехоустойчивости приема сигна лов в рэлеевских и логнормальных замираниях при использовании прерыви стого способа передачи.

Известны разнообразные способы обработки замирающих сигналов. Наи больший эффект обычно достигается при использовании адаптивных алго ритмов в передающих устройствах. Использование таких алгоритмов целесо образно в том случае, если 2T, где T – время распространения сигнала по линии связи, интервал корреляции огибающей сигнала во времени.

При использовании технологии с временным дуплексом (TDD) достаточно обеспечить T. Среди известных способов обратим внимание на следую щие три: использование автоматической регулировки мощности передатчика (АРМП);

регулировка скорости передачи информации в зависимости от уровня сигналов на входах приемников;

применение прерывистой передачи сигналов по аналогичному методу, применяемому в системах метеорной свя зи.

Недостатком этих способов можно считать то обстоятельство, что пере датчики излучают высокочастотную энергию в моменты времени, когда за тухание сигналов в среде распространения велико, а в случае АРМП мощ ность излучения еще и увеличивается в несколько раз. Это обстоятельство имеет особенно большое значение в СПРС, использующих АС, где энергоем кость источников питания существенно ограниченна. Очевидно, что с точки зрения уменьшения потребляемой энергии более выгодно включать пере дающие устройства только в моменты наименьшего затухания сигналов, а в моменты глубоких замираний их можно вообще выключать. Такая возмож ность отсутствует, например, в метеорной связи, где передатчик должен ра ботать непрерывно (иначе нельзя будет определить моменты времени, когда возможна передача). Поэтому в метеорной связи сообщения передаются с повышенной скоростью при наилучшем прохождении радиоволн и совсем не передаются в моменты отсутствия метеорных следов, при этом передатчики не выключаются. По-видимому, наиболее эффективно можно применять вы ключение передатчиков в моменты глубоких замираний с применением тех нологии TDD в ассиметричных радиолиниях, когда в прямом и обратном на правлениях энергетические потенциалы не одинаковы или же используются разные принципы передачи сигналов. В этих случаях выключаться может только передатчик одного направления, а именно передатчик АС. Причем передатчик БС не выключается, поскольку, во-первых, это необходимо для возможности постоянного мониторинга уровня сигнала от БС, и, во-вторых, проблема энергопотребления БС, ввиду наличия стационарного источника питания, не является актуальной. Поскольку при использовании TDD оги бающие сигналов обоих направлений коррелированны, то по уровню прини маемых сигналов можно вычислять относительный уровень сигналов на про тивоположном конце радиолинии и благодаря этому определять моменты включения и выключения своего передатчика.

Определены средние зависимости вероятности ошибок когерентного и не когерентного приема фазоманипулированных сигналов от среднего отноше ния сигнал/шум (0) при прерывистом способе передачи в релеевском канале.

Средняя вероятность ошибки в этом случае для сигнала ФМ-2 некогерентно го (5) и когерентного (6) приемов определится выражениями (рис. 3);

exp t 1 + Pср.level ( 0 ) = exp( ) exp 1 1 2 ( 0 ) t d =, (5) I 0 0 2 ( 0 ) 1 + ( ) P level ( 0 ) = 1 erfc 0 exp 0 d, II (6) ср.

2 ( 0 ) t при известном 0. В формулах (5) и (6) - постоянный коэффициент, равный соответственно 0,5 и 1 для частотной и фазовой демодуляций, t – уровень порога, (0) – коэффициент использования радиолинии (отношение времени передачи данных к общему времени сеанса связи).

Рис.3. Вероятности ошибок когерентного и некогерентного приема сигнала ФМ-2 в кана лах с релеевскими замираниями: при прерывистой связи для t = 0, кривые 1, 2;

без пре рывистой связи, кривые 3, Проведен сравнительный анализ вероятностей ошибок некогерентного приема при прерывистой связи и разнесенного приема при когерентном (оп тимальном) сложении сигналов с некогерентной демодуляцией. Показано, что энергетический выигрыш при произвольном значении t будет опреде ляться выражением (7) M (1 + 0 ) exp t ( 0 ) 1, 1 + = (7) 0 при t = 0 он равен [ (1 + 0 ) exp( 0 ) 1], = M (7а) здесь M – число ветвей разнесения.

При увеличении порога и, тем самым энергетического выигрыша, снижа ется спектральная эффективность, поскольку, несмотря на укороченное вре мя сеанса связи, количество данных, передаваемых по каналу прерывистой связи, неизменно. Определим взаимозависимость энергетического выигрыша и спектральной эффективности при разных фиксированных значениях 0:

1 M (1 + 0 ) exp[(1 ) + (1 ) 0 ] = 1, exp(1 ) (8) а спектральная эффективность в зависимости от оценивается как V ( ) = exp[ (1 )], (9) где параметр определяется из выражения t = 1. (10) Будем считать, что изменяется от 0 до 1, уровень порога t= (1-)0 изменяется в пределах от 0 до 0, а спектральная эффективность от 1/e до 1.

На рис.4 показана взаимосвязь энергетического выигрыша и спектральной эффективности при разных 0 и М=1.

Из анализа кривых (рис.4) следует, что энергетический выигрыш сопро вождается снижением спектральной эффективности и возрастает с увеличе нием 0. Функционирование кода Рида-Соломона (РС) (256, 224, 16) при ско рости 7/8 обеспечивает исправление 16 байтовых ошибок, уменьшая спек тральную эффективность до 0.875. При этом в канале с гауссовым шумом снижается вероятность ошибки с 3·10-3 до 5·10-6 при некогерентном приеме кодированного сигнала ОФМ-2. Применением прерывистого способа в реле евском канале с некогерентной демодуляцией при 0 = 22 дБ, при котором вероятность ошибки равна 3·10-3, снижением спектральной эффективности только до 0.935 достигается вероятность ошибки 10-7. Использование кода Рида-Соломона в релеевском канале без перемежения малоэффективно. Кро ме того, высокая сложность декодера Рида-Соломона, является причиной по вышенного количества арифметических операций на бит данных в процессо ре обработки.

Рис.4. График, иллюстрирующий взаимосвязь энергетического выигрыша и спектральной эффективности при различных значениях 0 и М= Использование прерывистой связи уменьшает длительность передаваемых бит. Для сохранения фиксированной энергии передаваемого бита и энергии, затраченной на весь сеанс связи, необходимо мощность передатчика увели чивать обратно пропорционально снижению длительности бита.

В миллиметровом диапазоне радиоволн при передаче по атмосферному каналу, вследствие флуктуации диэлектрической проницаемости, показате ля преломления волны n, логнормальные флуктуации амплитуды волны A(t) могут быть выражены через нормально распределенный уровень A(t ) = A0 exp[ (t )], (11) где A0 - амплитуда волны в невозмущенной среде.

Интервал корреляции флуктуации амплитуды в канале миллиметрового диапазона радиоволн составляет десятки секунд. Переданные сообщения вследствие этих длительных замираний пропадают значительными фрагмен тами, восстановить которые без длительной задержки сложно. Однако если мобильный терминал перемещается со значительной скоростью, то интервал корреляции существенно снизится. В этом случае появляется возможность применить прерывистый способ передачи.

Для логнормальных замираний в работе получены аналитические зависи мости средних вероятностей ошибок, при прерывистом способе передачи, для некогерентного (12) и когерентного (13) приемов (рис. 5):

ln 0 _ ref p( 0 ) = 11 1 e d, exp 2 ( 0 ) (12) ln 0 ln 0 _ ref ln 0 ln 0 _ ref t ln 0 _ ref ( ) exp p ( 0 ) = 11 1 erfc d. (13) 2 ( 0 ) ln 0 ln 0 _ ref t 2 ln 0 ln 0 _ ref В формулах 0_ref - отношение сигнал/шум в невозмущенной среде, при чем 0 0_ref.

Рис.5. Вероятности ошибок в каналах с логнормальными замираниями: когерентного и некогерентного приемов при прерывистой связи, t = 0 и 0_ref =10дБ соответственно кривые 1, 2;

когерентного и некогерентного приемов без прерывистой связи для сигнала ФМ-2, соответственно кривые 3, 4(а), указанные вероятности ошибок при больших значе ниях 0 (б) Аналитическое выражение, определяющее энергетический выигрыш пре рывистого способа относительно передачи без прерываний, в явном виде по лучить сложно. Однако из графика вероятностей ошибок видно, что для слу чая логнормальных замираний он более значителен, чем в случае релеевских замираний. Вероятности ошибок приема сигналов без прерывистого способа увеличиваются с ростом 0, достигают локального максимума, затем медлен но снижаются (Рис.5,б).

Третья глава посвящена сравнительному анализу помехоустойчивости приема фазоманипулированных сигналов при комплексировании прерыви стой связи с разнесенным приемом по алгоритму автовыбора в каналах с ре леевскими и логнормальными замираниями.

При комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом в ре леевском канале определены коэффициенты использования радиолинии при различном числе ветвей разнесения (M) в зависимости от M M = 1 1 exp t, (14) а при t= M = 1 [1 exp( 1)], M (14a) коэффициенты использования зависит только от числа ветвей разнесения, и при M =1, 2, 4, 8 соответственно равны M = 0,368;

0,6;

0,84;

0,975.

Мощность передатчика абонента зафиксирована неизменной от M. При этом длительность передаваемого бита, и его энергия станут прямо пропор циональны (14, 14а), коэффициенту использования радиолинии.

Средние значения вероятностей ошибок приема упомянутых сигналов найде ны усреднением вероятностей ошибок некогерентного приема сигналов в гаус совом шуме по статистике релеевских замираний для моментов времени, когда ведется передача сигналов ( t), где t -пороговое значение отношения сиг нал/шум, при котором включается передатчик.

M d 1 exp p( 0 ) = exp(- )d, (15) d 2 t M где M- число ветвей разнесения.

Преобразуя (15) с использованием бинома Ньютона получена аналитическая зависимость вероятностей ошибок некогерентного приема ОФМ-сигналов при комплексировании прерывистой связи с разнесенным приемом от 0, рис.6:

( 1)k 1 exp k t M C k M exp[ t M ( 0 )] M p ( 0 ) = 1 2 M ( 0 ) 0 M ( 0 ) + k k =1, (16) а при t= M k 1 ( 1)k 1 exp( k ) p ( 0 ) = M exp( 0 M ) C M. (16a) 2 M 0 M + k k = Рис.6. Зависимости: вероятностей ошибок приема сигналов при комплексировании пре рывистой связи с разнесенным приемом, объединением ветвей разнесения по алгоритму автовыбора при t = 0 с некогерентной демодуляцией (сплошные кривые) и вероятностей ошибок некогерентного разнесенного приема сигналов с оптимальным сложением при разных М в релеевском канале Далее представлены вычисления для радиолинии, в условиях которой за кон замирания является логнормальным. Для этого случая, при комплексиро вании прерывистой связи с разнесенным приемом определены коэффициен ты использования радиолинии при различном числе ветвей разнесения (M) в зависимости от M 1 1 1 ln t ln 0 _ ref M = 1 + erf, (17) 2 ln 0 ln 0 _ ref 2 2 а при t= M 1 1 M = 1 + erf ln 0 ln 0 _ ref. (17a) 2 2 Среднее значение вероятности ошибок некогерентного приема фазомани пулированного сигнала определены, аналогично случаю с релеевским кана лом, путем усреднения вероятности ошибок некогерентного приема в гауссо вом шуме по статистике логнормальных замираний (18) (рис.7):

1 (ln ln 0 _ refM ) M 1 ln ln 0 _ refM + erf exp 2 2 4 ln 0 ln 0 _ ref 2 ln 0 ln 0 _ ref M exp( )d.

P.2 = (18) ср 4M ln 0 ln 0 _ ref t M Рис.7. Зависимости: вероятностей ошибок приема сигналов при комплексировании пре рывистой связи с разнесенным приемом и при объединении ветвей разнесения по алго ритму автовыбора для случая t = 0, 0_ref = -10дБ с некогерентной демодуляцией (сплош ные кривые) и вероятностей ошибок разнесенного некогерентного приема при объедине нии ветвей разнесения по такому же алгоритму без прерывистой связи для разных М в ка нале с логнормальными замираниями Зная вероятность ошибки при приеме двоичного символа для системы с M кратным разнесением можно довольно точно предсказать вероятность ошиб ки при приеме сигнала для других методов модуляции, в том числе для мо дуляции более высоких порядков.

В четвертой главе предложена методика анализа интегрального (суммар ного) энергопотребления мобильных терминалов СПРС.

Одной из важных задач совершенствования оборудования СПРС является увеличение времени работы источников питания (ИП) и снижения массога баритных характеристик АС. В настоящее время существенной частью АС, определяющей их массы и размеры, является ИП. Поскольку радиопередат чики потребляют основную часть энергии от ИП, то снижение мощности вы сокочастотных колебаний, излучаемых передатчиком, существенно умень шает потребление энергии.

Зона обслуживания абонентов, обозначенная на рис. 1 символом Rз, со стоит из зоны прямой видимости (Lсв.), в которой сигнал распространяется без препятствий, и закрытой зоны (Lз), в которой сигнал вследствие переот ражений является многолучевым, дисперсионным. Зона прямой видимости увеличивается с высотой подвеса антенны. При использовании зон с малым радиусом часть обслуживаемых АС в зоне прямой видимости принимает ос лабленный за счет диаграммы направленности сигнал. Другая часть АС - в закрытой зоне может в то же время принимает сигнал по главному лепестку диаграммы направленности. Таким образом, с увеличением высоты подвеса антенн потребление энергии АС, находящихся в закрытой зоне, будет уменьшаться, а в зоне прямой видимости увеличиваться. В этой ситуации возможна оптимальная высота размещения антенны, при которой суммарное потребление всех АС минимально.

Точный расчет абсолютного значения суммарной мощности абонентов весьма затруднителен. Для этого необходимо задавать значения целого ряда параметров, от которых зависит величина суммарной потребляемой мощно сти. В качестве точек отсчета было выбрано значение потребляемой мощно сти при высоте установки антенн 25 м, максимальном расстоянии прямой ви димости 200 м и радиусом зон обслуживания 1000, 3000 и 5000 м. Плотность размещения АС в обслуживаемой зоне была принята обратно пропорцио нальной расстоянию от БС. С изменением высоты изменялось максимальное расстояние прямой видимости. Используя достаточно распространенные приближенные формулы, аппроксимирована зависимость максимального расстояния прямой видимости от высоты выражением 40 H (при H =25 м это расстояние равно 200 м). С учетом этого относительное значение сум марной потребляемой мощности определяется выражением (19), рис. 8.

40 H R R2 + H H tg dR + 2 R 2 + H 2 sin( N H ) R2 + H ( ) R R2 + H H tg 2 + dR ( ) + H 2 sin( N R 2 + H 2 R 2 + H 2 40 H, (19) H 40 H ) R +H 2 2 P (H ) = отн.

R R 2 + 25 tg dR + 2 R 2 + 25 2 sin( N ) R 2 + 25 ( ) R R 2 + 25 + tg dR 2 R 2 + 25 2 R 2 + 25 2 sin( N ( ) H ) 200 2 + 25 R2 + H где Pотн. (H ) - относительное значение суммарной потребляемой мощности от высоты подвеса антенн, Rз – радиус зоны обслуживания, N – число эле ментов антенной решетки.

Рис.8. Зависимость относительного значения суммарной потребляемой мощности мо бильных терминалов от высоты подъема четырехэлементной (а) и восьмиэлементной (б) антенных решеток для зон обслуживания (Rз), равных 1, 3 и 5 км (соответственно кривые 1, 2, 3) Поскольку время пребывания отдельного абонента в различных частях зо ны обслуживания пропорционально установленной плотности АС, можно ут верждать, что относительное среднее энергопотребление одного абонента также характеризуется формулой (19). Плотность распределения АС внутри зоны можно определять экспериментально, интерполируя и усредняя полу ченные результаты.

Из анализа графиков следует, что:

– во-первых, при заданных количествах элементов решетки и зоны обслу живания определяется оптимальное значение высоты подвеса антенн БС, при которой обеспечивается минимальное потребление энергии от источников питания АС;

- во-вторых, при определенных высотах подвеса увеличение числа вибра торов, ведущее к увеличению коэффициента усиления антенн, тем не менее, приводит в ряде случаях к увеличению потребления энергии от источников питания АС. Например, при равных зонах обслуживания четырехэлементная антенная решетка обеспечивает меньшее энергопотребление мобильных тер миналов относительно восьмиэлементной, хотя и при большей высоте.

Заключение В диссертационной работе предложены способы повышения эффектив ности использования ресурса СПРС с учетом особенностей распростра нения радиоволн в релеевском канале и канале с логнормальными замира ниями.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Показано, что радиолинии СПРС целесообразно и выгодно строить энергетически асимметричными, т.е. энергетический потенциал линии вниз обычно больше этого потенциала в обратную сторону. При при мерно равной чувствительности приемников АС и БС мощность пере датчика АС по технологическим и экологическим причинам всегда меньше мощности передатчика БС.

2. Установлено, что надежность линии связи, состоящей из последова тельно соединенных интервалов c некоррелированными замираниями уровней сигналов, может быть определена в предположении, что на всей линии имеются релеевские замирания.

3. Для линии связи, состоящей из двух последовательно соединенных ре леевских интервалов, замирания амплитуд сигналов в которых корре лированны, определены аналитические зависимости плотности вероят ности распределения уровня сигнала, дисперсия, среднее значение и средний квадрат уровня сигнала при различных значениях коэффици ента корреляции.

4. Для указанной двухинтервальной линии связи определены аналитиче ские зависимости плотности вероятности распределения ОСШ, надеж ности, вероятности ошибок при различных значениях коэффициента корреляции.

5. Для релеевского канала и канала с логнормальными замираниями предложен метод гибкого управления компонентами ресурса СПРС применением прерывистой связи. Указанное применение позволяет при незначительном снижении спектральной эффективности либо увели чить помехоустойчивость линии связи, либо уменьшить мощность из лучения мобильного терминала, уменьшив тем самым воздействие электромагнитного излучения на организм человека. Например, при пороге t =0 вероятность ошибочного приема прерывистой связи отно сительно вероятности ошибок в релевском канале без прерываний снижается экспоненциально от среднего ОСШ, в exp 0 раз. Энергети ческий выигрыш (ОСШ в прерывистом канале относительно канала без прерываний при одинаковой вероятности ошибки) также возрастает экспоненциально от среднего ОСШ (0).

Показано преимущество использования прерывистой связи относи 6.

тельно применения помехоустойчивых кодов. Например, сравнение применения прерывистой связи и использования кодов РС в релеев ском канале показывает, что применение первого способа спектрально эффективнее относительно второго.

Предложен метод повышения помехоустойчивости СПРС в релеевском 7.

канале и канале с логнормальными замираниями применением ком плексирования прерывистой связи с разнесенным приемом. Установ лено, что применение комплексирования прерывистой связи с разне сенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму ав товыбора, снижает вероятность ошибки относительно одиночной пре рывистой связи и относительно разнесенного приема без прерывистой связи.

Предложена методика анализа зависимости энергопотребления мо 8.

бильного терминала СПРС от высоты подвеса антенны.

Определена оптимальная, по критерию минимума интегрального энер 9.

гопотребления мобильных терминалов, высота подвеса антенн. Уста новлено, что при определенных высотах подвеса увеличение числа вибраторов, ведущее к увеличению коэффициента усиления антенн, тем не менее, приводит в ряде случаях к увеличению потребления энергии от источников питания АС. Например, при равных Rз четырех элементная антенная решетка обеспечивает меньшее относительное потребление АС относительно восьмиэлементной, хотя и при большей высоте.

Публикации По теме диссертационной работы автором опубликованы следующие печат ные работы:

1. Андреев Г.А., Андрианов М.Н. Вероятности ошибок кодированных фазоманипулированных сигналов с логнормальными амплитудными флуктуациями в гауссовом шуме // Радиотехника и электроника. – 2003. – Т. 42. – №12 – С. 1466-1470.

2. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. Особенности расчета надежности ра диосвязи в мобильных системах // Мобильные системы. – 2005. – №2. – С. 26-29.

3. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. О выборе видов разнесения сигналов и способов объединения ветвей приема в мобильных системах связи // Мобильные системы. – 2006. – №3. – С. 45-48.

4. Киселев И.Г., Андрианов М.Н. Влияние параметров антенно фидерного оборудования базовых станций на величины энергии, по требляемой носимыми терминалами // Мобильные системы. – 2007. – №2. – С. 57-60.

5. Андрианов М.Н., Киселев И.Г. О повышении помехозащищенности передачи дискретных сообщений в каналах с замираниями // Мобиль ные системы. – 2007. – №4. – С. 13-16.

6. Андрианов М.Н., Киселев И. Г. Вероятность ошибки в каналах со случайными параметрами при комплексировании прерывистой переда чи и разнесенного приема // Мобильные системы. – 2007. – №5. – С.44 47.

7. Киселёв И.Г., М.Андрианов М. Н., Устьянцев С.В. О повышении эффективности регулирования мощности передатчиков в адаптивных линиях радиосвязи // Первая миля. – 2008. – №6. – С.12-14.

8. Андрианов М.Н. Снижение вероятности ошибок приема кодирован ных ФМ сигналов в атмосферных каналах ММВ // Тезисы докладов 4 ой Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации». – Владимир, 2001. – С. 201-202.

9. Андреев Г.А., Андрианов М.Н., Соловьев А.В. Моделирование веро ятности ошибок кодированных ФМ сигналов миллиметрового диапа зона // Тезисы докладов 4-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». – Мо сква, 2002. – Т.1, – C.117-120.

10. Андреев Г.А., Андрианов М.Н. Моделирование вероятности ошибок кодированных ФМ сигналов c логнормальными амплитудными флук туациями в гауссовом шуме // Тезисы докладов 5-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». – Москва, 2003. – Т.1, – C.130-133.

11. Андрианов М.Н., Киселев И.Г. О повышении помехоустойчивости передачи дискретных сообщений в каналах с замираниями // Тезисы докладов 10-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». – Москва, 2008. – Т.1, – C.305-308.

12. Андрианов М.Н. Эффективность комплексирования прерывистой подвижной связи с разнесенным приемом сигналов в канале с логнор мальными замираниями // Известия института инженерной физики. – 2009. – №2. – С. 67-71.

13. Андрианов М.Н. Эффективность передачи данных мультимедиа в беспроводных каналах со случайными параметрами // ТСС (Техноло гии и средства связи). – 2009. – №2. – С. 48-49.

14. Андрианов М.Н. Особенности прерывистой связи в канале с логнормальными замираниями // Метрология. – 2009. – №5. – С. 35-43.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.