Исследование и разработка методов оптимального частотно-территориального планирования в сетях радиосвязи

Актуальность темы

.

Развитие современных радиосистем различного назначения влечет за собой использование большого количества стационарных и мобильных радиоэлектронных средств (РЭС). Обеспечение их частотным ресурсом в условиях его дефицита требует оптимизации присвоения частот. Условия решения этой задачи отличаются многообразием, определяемым количеством и плотностью размещения РЭС, степенью их взаимовлияния, объемом выделяемого частотного ресурса и ограничениями на его использование. Такое многообразие не позволяет разработать универсальный метод присвоения частот, так как многие известные методы обладают ограничениями либо по точности получаемых результатов, либо по размерности задачи. Для разработки практически пригодных методов необходим учет особенностей постановки задач для различных случаев и поиск рациональных алгоритмов оптимизации. Поэтому актуальна задача анализа эффективности различных алгоритмов оптимального присвоения частот при различных условиях частотного планирования. Данной проблеме посвящены работы Arno G., Heil W., Jensen Т. R., Struzak R.G., Gamst.A., Быховского M.A., Дотолева В. Г., Дудкина С. Н., Зубарева Ю. Б., Гитлица М. В., Носова В. И., Зеленина А. Ю., Тигина J1.B.

В рамках традиционного подхода минимизации ширины используемой полосы частот выделяется новый тип задачи присвоения минимального порядка, под которым понимается число частотных каналов реально использованных в пределах выделенной полосы частот при частотном планировании, то есть на множестве планируемых радиопередающих средств определяется такое распределение частотных каналов, которое использует минимум каналов из множества возможных. Это обеспечивает эффективное использование частотного ресурса для группы радиосредств, которым выделена ограниченная полоса частот, а возможность возникновения помех определяет для них совокупность частотно-пространственных ограничений. Данные ограничения требуют, чтобы передатчики, использующие некоторые комбинации частотных каналов были разнесены в пространстве на соответствующее этим комбинациям минимальное расстояние., ф При планировании передающих сетей радиовещания широко применяются методы, основанные на использовании регулярной сетки элементарных треугольников, в вершинах которых располагаются передатчики. В последнее время при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи все чаще используется теория графов. В этом случае сеть радиовещания моделируется в виде графа, множество вершин которого однозначно соответствует множеству передающих станций. Ребрами соединяются те вершины, соответствующие станции которых могут создавать в зонах обслуживания друг друга недопустимые помехи. Множество выделенных для назначения частотных каналов представляется в виде совокупности цветов. При разработке данного вопроса автор опирался на работы Хейла У. К., Носова В.И.

Многолетняя практика использования радиочастотного спектра показала целесообразность перспективного частотного планирования. Время от времени действующие частотные планы пересматриваются или составляются новые при введении нового диапазона частот. Например, в нашей стране в начале 80-х годов был пересмотрен частотный план сети телевизионного вещания, а в конце 80-х, в связи с переходом на стереофоническое радиовещание, пересматривался частотный «* план ОВЧ ЧМ сети.

В настоящее время одним из направлений развития систем радиосвязи является переход к использованию многопозиционных методов модуляции, для которых вопрос частотно-территориального планирования недостаточно полно разработан, поэтому тематика работы является актуальной. Об актуальности рассматриваемой проблемы говорит и тот факт, что в исследовательских программах МСЭ — Р вопрос 43/11 (том XI — часть 1), вопросы 46/10 и 461 710 (том X — часть 1) указывается, что важнейшей целью планирования является улучшение использования радиочастотного спектра и что должны быть проведены исследования по разработке технических основ планирования, которые приведут к наиболее эффективному использованию выделенной полосы частот.

Цель работы и задачи исследований.

Целью настоящей работы является исследование и разработка методов оптимального частотно-территориального планирования (ЧТП) сетей наземного цифрового звукового радиовещания и систем сотовой связи и разработка рекомендаций по оптимизации частотно-территориального плана систем наземного цифрового звукового вещания (Н-ЦЗВ) и систем сотовой связи (ССС). Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1 Разработать методику определения технических параметров в сетях радиосвязи при многопозиционной модуляции, необходимых для проведения ЧТП сети.

2 Разработать методику определения радиохроматических чисел для систем Н-ЦЗВ и ССС с учетом множественности помех при многопозиционной модуляции.

3 Разработать методику ЧТП с использованием метода координационных колец, модифицированного методом ветвей и границ.

4 Разработать методику оценки эффективности использования выделенного частотного ресурса при многопозиционной модуляции.

5 Разработать методику ЧТП при использовании в сетях радиосвязи каналов с перекрывающимися спектрами.

6 Разработать алгоритм и программное обеспечение для экспериментального исследования эффективности модифицированного метода координационных колец при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, теории графов, математического моделирования, теории распространения радиоволн, а так же методы вычислительной математики и статистического моделирования. Часть результатов получена с использованием численных методов, реализованных на компьютере в среде МаЛсас! Для подтверждения полученных теоретических результатов разработан алгоритм и реализовано программное обеспечение с применением языка программирования С++, с помощью которого и выполнены экспериментальные исследования.

Научная новизна результатов работы.

Результат диссертационной работы заключается в разработке методов оптимального ЧТП сетей радиосвязи и состоит в следующем:

1 Разработана методика определения радиохроматических чисел для систем цифрового радиовещания и систем сотовой связи с учетом множественности помех при многопозиционной модуляции.

2 Разработана методика частотно-территориального планирования с использованием метода координационных колец модифицированного методом ветвей и границ.

3 Разработана методика оценки эффективности использования выделенного частотного ресурса при многопозиционной модуляции.

4 Разработана методика частотно-территориального планирования при использовании в сетях радиосвязи каналов с перекрывающимися спектрами.

Практическая ценность результатов.

Проведенные исследования, разработанные методики и полученные зависимости используются при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи в ФГУП Радиочастотный центр Сибирского федерального округа, что подтверждается актом использования результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актами внедрения.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1 Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2002 г.

2 Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2003 г.

3 Научно-техническая конференция «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Томск, 2003 г.

4 Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2004 г.

5 Научно-техническая конференция «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций», Иркутск, 2004 г.

6 Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2005 г.

Основные положения работы, выносимые на защиту.

1 Методика определения технических параметров в сетях радиосвязи при многопозиционной модуляции, необходимых для проведения частотно-территориального планирования сети.

2 Методика определения радиохроматических чисел для систем Н-ЦЗВ и ССС с учетом множественности помех при многопозиционной модуляции.

3 Методика частотно-территориального планирования с использованием метода координационных колец, модифицированного методом ветвей и границ.

4 Методика оценки эффективности использования выделенного частотного ресурса при многопозиционной модуляции.

5 Методика частотно-территориального планирования при использовании в сетях радиосвязи каналов с перекрывающимися спектрами.

6 Алгоритм и результаты экспериментального исследования эффективности разработанного метода координационных колец и метода ветвей и границ при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в их числе 2 статьи и 6 тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 165 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 41 таблицу. В библиографию включены 65 наименований.

Выводы по главе 4.

1 Разработан алгоритм и программное обеспечение для назначения частотных каналов линейным методом и методом координационных колец;

2 По результатам распределения каналов видно, что модифицированный метод координационных колец дает выигрыш от 7,7% при 64-КАМдо 31% при 32-КАМ при назначении частотных каналов в сети радиосвязи регулярной структуры по сравнению с линейным методом;

3 Проведен анализ эффективности использования выделенного диапазона частот с точки зрения зависимости от кратности модуляции и от радиуса зоны обслуживания. Полученные результаты показывают, что при увеличении кратности модуляции увеличивается размерность кластера, что приводит к уменьшению числа физических каналов, отводимых каждой станции, в результате чего снижается эффективность использования выделенного диапазона частотувеличение радиуса зоны обслуживания значительно снижает коэффициент эффективности по числу физических каналов.

Проведен анализ каналов с перекрывающимися спектрами. Полученные результаты показывают, что.

• при применении каналов с перекрывающимися спектрами целесообразно использовать в сетях Н-ЦЗВ и ССС 4-ОФМ, причем в Н-ЦЗВ оптимальным разносом при данной кратности модуляции является величина 342,6 кГц;

• использование каналов с перекрывающимися спектрами дает выигрыш в коэффициенте эффективности по числу каналов, выделяемых на каждой станции, при 16-КАМ лишь при разносе несущих частот до 513,9 кГц для сетей Н-ЦЗВ, а в ССС при разносе несущих не более чем на 60 кГц;

• применение 64-КАМ не увеличивает коэффициент эффективности в сетях Н-ЦЗВ, а в ССС возможно использование данной кратности модуляции при разносе несущих частот, равном 60 кГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Целью настоящей работы является исследование и разработка методов оптимального частотно-территориального планирования (ЧТП) сетей наземного цифрового звукового радиовещания и систем сотовой связи и выработка рекомендаций по оптимизации частотно-территориального плана систем Н-ЦЗВ и ССС.

В первой главе обсуждаются вопросы построения сетей наземного цифрового звукового вещания и сетей сотовой связи. Рассматриваются вопросы частотно-территориального планирования сетей Н-ЦЗВ с использованием методики МККР и сетей сотовой связи на основе модели Хата. Из рассмотрения определяются технические параметры, необходимые для планирования сетей. Также рассматриваются известные методы частотно-территориального планирования сетей радиосвязи — линейные методы, основанные на косоугольной системе координат в регулярной треугольной решетке и метод координационных колец, основанный на универсальной модели сети с сотовой структурой. Приводится сравнительный анализ методов частотно-территориального планирования сетей радиосвязи и делается вывод о необходимости использования метода координационных колец на основе универсальной модели сети с сотовой структурой, который необходимо модифицировать для оптимального распределения каналов в ромбе совмещенных каналов.

Во второй главе рассматривается математическая модель тракта передачи, на основе которой разработана методика для определения основных технических параметров необходимых для проведения оптимального частотно-территориального планирования таких сетей. К таким параметрам относятся относительное защитное отношение, которое определяется при расстройке фильтра приемника относительно принимаемого сигнала. Другим техническим параметром, необходимым для частотно-территориального планирования, является минимальная напряженность поля в точке приема для обеспечения необходимого его качества.

На основе разработанной методики рассчитаны защитные отношения для многопозиционных методов модуляции 4-, 8-ОФМ и 16-, 32-, 64-КАМ.

На основе разработанной методики проведено определение минимальной напряженности поля в сетях Н-ЦЗВ при различных кратностях модуляции. В сетях ССС для определения минимальной напряженности поля используется чувствительность приемника.

В третьей главе подробно описывается метод координационных колец, дополненный методом ветвей и границ для оптимизации частотных присвоений в ромбе совмещенных каналов.

Для использования метода координационных колец был разработан метод определения частотно-пространственных ограничений, на основе которого были получены радиохроматические числа для сетей Н-ЦЗВ и ССПО при многопозиционных методах модуляции.

Разработан метод определения частотно-пространственных ограничений и получены радиохроматические числа для случая использования в сетях Н-ЦЗВ и ССС частотных каналов с перекрывающимися спектрами.

Разработан метод оценки эффективности использования частотного ресурса, выделенного для Н-ЦЗВ и ССС при многопозиционной модуляции.

В четвертой главе представлен алгоритм разрабанного программного обеспечения. Программное обеспечение написано с применением языка программирования С++. Оно позволяет провести распределение каналов в сетях регулярной структуры Н-ЦЗВ и ССС с использованием линейного метода назначения каналов и предложенного метода координационных колец, исходя из наложенных частотно-пространственных ограничений. В основе заложенного алгоритма лежит метод ветвей и границ, который позволяет автоматически находить число каналов, близкое к оптимальному.