Адаптивные алгоритмы управления ресурсами беспроводных сетей в неоднородных географических и климатических условиях

В настоящее время наблюдается быстрый рост количества беспроводных сетей различного типа и назначения, которые вытесняют традиционные кабельные и проводные. Быстрота развертывания, гибкость настройки обеспечивают им конкурентные преимущества. Завоевывая новые территории, беспроводные сети развертываются в регионах с различным и нередко существенно неоднородным характером рельефа местности, климатом и другими факторами, от которых зависит качество передачи информации. Как правило, при проектировании беспроводных сетей климатический фактор если и принимается во внимание, то достаточно приближенно, а географические условия учитываются, лишь путем использования информации о рельефе местности. Вместе с тем, эти проблемы имеют первостепенное значение для сетей, работающих, например, в тропических условиях с ярко выраженными засушливым и дождливым периодами, а также в сильно пересеченной и горной местности. Таким образом, решаемые в данной работе задачи повышения эффективности передачи информации в беспроводных сетях связи при их работе в неоднородных географических и климатических условиях являются весьма актуальными.

Основные количественные параметры, характеризующие качество функционирования беспроводной сети показаны на Рис. 1. Это скорость передачи данных в канале Я, ширина полосы излучаемого сигнала Л/, устойчивость к помехам, вероятность появления ошибок на бит, коэффициент использования спектра, емкость сети, максимальный радиус ячейки. Качество передачи данных в сети определяется стандартами и рекомендациями регламентирующих органов, предписывающими предельные значения основных характеристик используемых сигналов, параметрами оборудования и частотно-территориальным планом сети. На Рис. показаны механизмы влияния перечисленных факторов на параметры качества сети. Анализ Рис. приводит к выводу, что для учета неоднородных географических и климатических параметров необходимо исследовать влияние:

— интерференционных замираний, вызванных многолучевостью распространения сигнала,

— различных атмосферных явлений, и в первую очередь осадков, приводящих к изменению потерь распространения сигнала,

— рельефа местности, влияющего на условия распространения электромагнитных волн и, соответственно среднюю мощность принимаемого сигнала.

Решению перечисленных проблем посвящены главы 1−4 данной работы.

Объектом исследований являются беспроводные сети, работающие в неоднородных географических и климатических условиях и их характеристики, определяющие эффективность передачи информации.

Предметом исследования являются основные закономерности процессов передачи информации в таких сетях.

Целью данной работы является анализ степени влияния неоднородных географических и климатических факторов на качество передачи информации в беспроводных сетях, и выработка методов повышения эффективности их работы в таких условиях.

В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1) проведен анализ влияния неоднородных географических и климатических параметров на эффективность передачи данных в беспроводных сетях;

2) исследованы особенности работы беспроводных сетей в регионах с резко выраженными дождливыми и засушливыми периодами и выработаны рекомендации по снижению негативного влияния при переходе от одного периода к другому;

3) разработаны методики расчета показателей эффективности передачи информации в беспроводных сетях, функционирующих в сильно пересеченной и гористой местности;

4) построены алгоритмы адаптивного выбора параметров сети, оптимизирующие показатели качества передачи информации в неоднородных географических и климатических условиях.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ

Скорость передачи данных в канале ®

Ширина полосы излучаемого сигнала Af

Устойчивость к помехам

Вероятности появления ошибки на бит (BER) и кадр (FER)

Коэффициент использования спектра Кс, Эрл/Гц

Емкость сети С, 2

Эрл/Гц/км

Максимальный радиус ячейки DMaKC

ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЙ ПЛАН СЕТИ

ОБОРУДОВАНИЕ

Скорость передачи данных в канале ® Г

Вероятности появления ошибки на бит (BER) и кадр (FER)

Метод разделения каналов

Частотный диапазон

Ширина полосы излучаемого сигнала Af (спектральная маска | S (f) |)

Допустимая мощность излучения Рмакс

Радиостандарт (IS-95, GSM и т. д.), рекомендации МККР, др. регламентирующие документы

ЩШЯЯЯШШШШШШЯШШШШШЯИЯШЯШШШЯЯШШШШШ^ШЯШЯШвШШШЯШ

Рис. 1. Показатели качества беспроводных сетей. .

Коэффициент готовности радиолинии, % 100

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 шум -1 шум+помеха, Ж пороговое значение сигнала в отсутствие помех сигнал/шум слабые замирания сильные замирания пороговое значение сигнала в присутствие помех

Уровень сигнала принятый сигнал запас на замирания — А. / V

1. Методы преобразования и обработки потоков информации в сети

2. Частотно-территориальный план сети

3. Качество радиоаппаратуры

ФАКТОРЫ ЯПИЯЮТНИЯ НА КАЧРГТЯП РАКПТКТ РА ПМОТТИИИИ И КРГПРПКПЯНПИ ГРТИ Рис. 2. Оценка качества работы радиолини

Полученные результаты позволили:

1) модифицировать известные методы расчета показателей надежности работы радиолиний и характеристик качества передачи информации для регионов с резко различающимися между собой засушливым и дождливым периодами, что позволяет в период засухи обеспечивать требуемое качество связи при более низких значениях мощности (до 3 дБ на км трассы), излучаемой передатчиком;

2) построить алгоритмы, более точно учитывающие влияние интерференционных замираний на надежность передачи информации в регионах с сильно пересеченным и гористым рельефом местности;

3) разработать методы адаптации характеристик беспроводных сетей к неоднородным географическим условиям.

Список обозначений и сокращений

А амплитуда

Л расстояние общее расстояние проходимое лучами расстояние между передатчиком и приемником Е напряженность электромагнитного поля модуль множителя ослабления коэффициент отражения Р{у/, в) диаграмма направленности антенны диаграмма направленности в горизонтальной плоскости антенны А>го излучателя (дБи), / коэффициент преломления частота сигнала /к центральная частота к-то излучателя (МГц),

О коэффициент направленности (усиления) передающей антенны по отношению к изотропному излучателю Ок коэффициент усиления антенны Аг-го излучателя (дБи), g? c (t) комплексная огибающая модулированного сигнала на выходе кго радиоканала Н напряженность магнитного поля к максимальное расстояние от антенны до отражающей поверхности (высота расположения антенны по отношению к отражающей поверхности) к волновой множитель, постоянная распространения в среде

Кт коэффициент затухания, обусловленный затенением на подвижных объектах (людях) внутри помещений.

АТ,-0 коэффициент затухания, обусловленный потерями сигнала с учетом переходов из открытого пространства внутрь помещений или обратно.

Ь потери передачи о нормаль к поверхности в точке отражения

Р мощность

РЬ (сГ) потери в дБ на расстоянии с1

Ра величина случайного отклонения мощности

Рк излучаемая А>м излучателем мощность (дБм), г расстояние от точки передачи до точки приема расстояние между антеннами г (г') суммарный принимаемый сигнал

5д действующая площадь приемной антенны плоскость отражения

О идеальный модулированный сигнал передатчика текущее время, а коэффициент поглощения на единицу длины фазовая постоянная у угол скольжения относительная диэлектрическая проницаемость г] коэффициент передачи фидера приемной антенны

Л длина волны излучения р1 относительная магнитная проницаемость, а удельная проводимость эф эффективная площадь рассеяния (ЭПР) х время распространения копии сигнала от передатчика к приемнику р угол потери фазы при отражении луча фаза множителя ослабления Ф*(б>) диаграмма направленности в вертикальной плоскости антенны кго излучателя (дБи), Ч? фазовый множитель коэффициента отражения со круговая частота сигнала

03с номинальная рабочая частота передатчика хо к> Уок >2 о к ~ координаты расположения антенны к-то излучателя (м), <�р0к — азимут антенны к-го излучателя (град.), в0к — наклон антенны к-то излучателя (град.),

Выводы:

1. Применение антенных систем с когерентным и некогерентным сложением сигналов позволяет увеличивать зону обслуживания мобильной беспроводной сети путем перераспределения потоков распространения информации в направлении наиболее вероятного расположения мобильных абонентов.

2. Показано, что в зависимости от частоты и разноса между антеннами существует такое значение расстояния между передающей и приемной антеннами ниже которого предпочтительнее суммировать сигналы некогерентно, а выше — когерентно.

3. Совместное применение методов перераспределения потоков информации и адаптации частотного плана сети позволяет повысить ее производительность на 10 — 20%.

Заключение

В данной работе проанализированы различные факторы, влияющие на показатели качества передачи информации беспроводных сетей, работающих в неоднородных географических и климатических условиях.

Качество системы управления ресурсами беспроводных сетей определяется положенной в ее основу математической моделью сети. Географические и климатические факторы оказывают определяющее влияние на показатели надежности работы радиолинийв случае неоднородных таких условий необходимо предпринимать специальные меры для предотвращения их неблагоприятного влияния и изменения качества передачи информации при резком изменении внешних условий. В регионах с тропическим климатом большое значение приобретает адаптация параметров системы при переходе от засушливого периода времени года к сезону дождей. Корректная оценка условий распространения радиосигнала и регулирование параметров системы в зависимости от их изменения позволяет улучшить надежность работы системы в условиях интерференционных замираний и неоднородного рельефа местности.

Влияние осадков на надежность работы системы зависит от ее географического местоположения. Разработанная МАТЪАВ-программа позволяет рассчитывать характеристики распространения радиосигнала в любом регионе с заданными географическими координатами. Использую климатические особенности регионов с резко выраженными засушливым периодом и сезоном дождей можно получить энергетический выигрыш в 5−6 дБ на 1 км трассы.

В неоднородных географических условиях для систем, расположенных в горной или сильно-пересеченной местности целесообразно использовать полную информацию о рельефе. В данной работе предложен уточненный алгоритм расчета времени нарушения связи. В зависимости от пересеченности местности, выражаемой среднеквадратичным отклонением неровностей, и длины радиолинии расчеты с помощью предложенного алгоритма по сравнению с известными моделями дают как заниженные (для радиолиний длиной более 10 км), так и завышенные (для радиолиний длиной менее 10 км) значения времени нарушения качества передачи информации.

Применение антенных систем с когерентным и некогерентным сложением сигналов позволяет увеличивать зону обслуживания мобильной беспроводной сети путем перераспределения потоков распространения информации в направлении наиболее вероятного расположения мобильных абонентов. Показано, что в зависимости от частоты и разноса между антеннами существует такое значение расстояния между передающей и приемной антеннами ниже которого предпочтительнее суммировать сигналы некогерентно, а выше — когерентно. Совместное применение методов перераспределения потоков информации и адаптации частотного плана сети позволяет повысить ее производительность на 10−20%.

Эффективность предложенных в данной работе подходов проиллюстрирована на многочисленных примерах проектирования беспроводных сетей в республике Мьянма.