Підвищення показників якості базової станції технології WiMax

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ Та ЗВ'ЯЗКУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО

«УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ'ЯЗКУ»

УДК 621.391:519.72

ПІДВИЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ БАЗОВОЇ СТАНЦІЇ ТЕХНОЛОГІЇ WIMAX

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВИГІВСЬКИЙ РОМАН ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному підприємстві «Український науково-дослідний інститут зв'язку» Міністерства транспорту та зв'язку України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Беркман Любов Наумівна,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій,

директор Навчально-наукового інституту телекомунікацій та інформатизації.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Савченко Юлій Григорович,

Національний технічний університет

України «Київський політехнічний інститут»,

професор кафедри звукотехніки і реєстрації інформації,

кандидат технічних наук,

Чумак Олександр Ілліч,

Воєнно-дипломатична академія

Міністерства оборони України,

заступник начальника факультету з навчальної роботи.

Захист відбудеться 5 листопада 2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.849.01 Українського науково-дослідного інституту зв'язку за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного підприємства «Український науково-дослідний інститут зв'язку» за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 3.

Автореферат розісланий 4 жовтня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Я. І. Торошанко

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

wimax лінія радіорелейний

Актуальність теми. Безпроводові мережі передачі інформації є флагманською галуззю телекомунікаційної індустрії, не маючи собі рівних за кількістю сервисів, гнучкості розгортання та економічної ефективності.

Передача даних по радіоканалу дозволяє швидко розгорнути мережу в офісі і організувати розподілену мережу масштабу регіону або країни. Безпроводові технології сприяють інформатизації віддалених районів, часто будучи єдиним економічно виправданим рішенням проблеми «останньої милі», забезпечують безпрецедентну оперативність підключення нових користувачів і гнучкість розгортання мережі.

У країнах з недостатньо розвиненою економікою, таких як країни СНД (у тому числі й Україна) існує набагато більше можливостей застосування нових технологій. За статистикою розвиненим західним країнам доводиться витрачати багато коштів на підтримку використовуваних IT-інфраструктур, у той час як держави, що розвиваються, можуть відразу ж вкласти кошти в придбання сучасних систем. За рахунок цього Україна може просунутися вперед дуже швидко, використовуючи найсучасніші рішення. Наприклад, можна широко використовувати технологію WiMах.

Ця технологія, заснована на стандарті 802.16, з однієї сторони відкриє можливості для інвестицій та створить нові робочі місця, а з іншої надасть користувачам високошвидкісний і недорогий доступ в Інтернет при мінімальних витратах на розгортання інфраструктури в порівнянні з проводовими мережами. WiMах - це стандартизована технологія широкосмугового безпроводового доступу, що дозволяє швидко забезпечити доступ в Інтернет і телефонізувати мало розвинуті райони.

Але іноді буває необхідно забезпечити якісний зв'язок не на всій зоні покриття базової станції, а в якому-небудь секторі (наприклад, велика федеральна автострада або важкодоступний малонаселений гірський район Карпат). Для цього випадку в рамках даної дисертаційної роботи запропоновано варіант збільшення зони покриття базової станції WiMax за допомогою багатопролітної радіорелейної лінії. У порівнянні з традиційним планом, в якому кожна базова станція під'єднується до контролера за допомогою проводових ліній, багатопролітна радіорелейна лінія може істотно збільшити розміри зони покриття однієї станції без використання будь-яких проводових з'єднань. За рахунок цього вартість системи може бути знижена.

Тема роботи, присвячена дослідженню можливості застосування як засобу збільшення зони покриття базової станції WiMax багатопролітної радіорелейної лінії та підвищенні її показників якості, є актуальною.

Безпроводовим телекомунікаційним технологіям в зарубіжній науково-технічній літературі приділяється дуже багато уваги. Значно менше - в Україні і СНД. Тим не менш, дослідження безпроводових технологій передачі даних (у тому числі і WiMax) пов'язано з іменами таких вчених, як Андрєєв Р. М., Воскресенський Д.І, Вишневський В.М, Гепко І.А, Чайка Ю.Д, Кучерявий О.О, Молчанов Д. А., Сюваткін В. С., Есіненко В. І., Andrews J. G., Ghosh A., Weiss M., Maqbool M., Hutter A. та інших.

У відомій науково-технічній літературі широко описуються можливості технології WiMax, висвітлюються питання конфіденційності та безпеки даних для передачі, описані застосовувані типи модуляції несучої і структура кадрів передачі. Але на сьогоднішній день не виконано розрахунок потужності міжканальної перехідної завади багатопролітної РРЛ і не зведені до мінімуму наслідки багатопроменевого розповсюдження сигналів. Недостатньо проаналізовані можливості Smart-антен та невизначено методи підвищення ефективності їх роботи та сумісності з базовою станцією WiMax.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розглянуті в дисертаційній роботі питання пов'язані з вирішенням науково-технічних задач, сформульованих у «Концепції розвитку зв'язку та інформатизації України до 2010 року», затвердженої Постановою КМУ № 223/8 від 09.12.99 р., а також цільової державної програми «Телекомунікаційні системи та інвестиційні ресурси». Результати дисертаційних досліджень були використані при виконанні науково-дослідних робіт, що проводилися в Державному підприємстві «Український науково-дослідний інститут зв'язку» (ДП «УНДІЗ»), а саме:

- Розробка доцільних варіантів реконструкції і розширення системи радіозв'язку ДК Укртрансгаз» НАК «Нафтогаз України» на принципах мереж наступного покоління (тема № П729/2009-24, держ. реєстр. № 0109U06852).

- Проведення досліджень щодо підвищення ефективності функціонування телекомунікаційних мереж (тема № К312/2007-25, держ. реєстр. № 0107U007482).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є збільшення розмірів зони покриття базової станції WiMax шляхом застосування багатопролітної радіорелейної лінії зв'язку.

Основним завданням досліджень, відповідно до поставленої мети, є підвищення показників якості базової станції WiMax, яке декомпозується на такі завдання:

- Аналіз можливостей технології WiMax;

- Розробка методики параметрів багатопролітної радіорелейної лінії зв'язку;

- Розробка методології синтезу системи управління багатопролітної РРЛ;

- Аналіз можливості модернізації мережі доступу на основі технології WiMax;

- Оптимізація критерію вибору напрямку випромінювання Smart-антен для технології WiMax;

- Розробка можливого варіанту побудови мережі зв'язку на основі технології WiMax.

Об'єктом дослідження є базова станція мережі доступу на основі технології WiMax.

Предмет дослідження - багатопролітна радіорелейна лінія зв'язку, яка призначена для збільшення зони покриття базової станції та її показники якості.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використані методи багатокритеріальної оптимізації, диференціального та інтегрального числення, теорії оптимального прийому і потенційної завадостійкості, теорії масового обслуговування, моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримані наступні наукові результати:

1. Виконано порівняльний аналіз методів побудови телекомунікаційної мережі і запропоновані принципи побудови багатопролітної РРЛ, з урахуванням особливостей технології WiMax, яку доцільно впровадити в телекомунікаційних мережах України.

2. Розроблено методологію розрахунку максимальної кількості прольотів з урахуванням впливу міжканальної перехідної завади і міжсимвольних спотворень.

3. Розроблено методику мінімізації затримки управляючої інформації для системи управління багатопролітної РРЛ. Це дозволяє отримати значний економічний ефект, що має велике значення для безпроводової мережі.

4. Виконано порівняльний аналіз методів побудови систем управління телекомунікаційними мережами, і запропоновано принципи побудови системи управління багатопролітної РРЛ.

5. Удосконалено критерій вибору напрямку випромінювання для Smart-антени, з допомогою якого система має як властивість адаптивності до поточних прогнозованим впливів, так і інваріантності до випадкових факторів.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Представлена оцінка електромагнітної сумісності та розрахунок норм частотно-територіального розносу двох базових станцій WiMax дозволяє визначити мінімально допустиму відстань між ними.

2. На основі розрахунків потужності міжканальної перехідної завади визначено максимальну оптимальну кількість прольотів радіорелейної лінії зв'язку. Це дозволить побудувати мережу доступу без застосування проводових з'єднань, отже зменшити час розгортання мережі та її вартість.

3. На основі векторного синтезу системи управління багатопролітної РРЛ визначені вирішальні показники, які необхідно враховувати перш за все: мінімально необхідну кількість управляючої інформації, затримку при передачі, ймовірність помилки, вартість системи. Це дозволить поліпшити експлуатаційні показники мережі.

4. Запропоновано оптимізувати критерій наведення променя для Smart-антени з урахуванням особливостей технології WiMax. Це дозволить скоротити апаратну частину базової станції, що призведе до зниження витрат на будівництво мережі доступу, а також зменшити час наведення променя, а отже поліпшити характеристики зв'язку під час руху абонента з великою швидкістю.

Особистий внесок автора. Всі результати, яки складають основний зміст роботи, отримані автором самостійно. У роботах, що були опубліковані у співавторстві, здобувачеві належить:

[6] - змінений критерій вибору напрямку наведення променя Smart-антени;

[9] - розробка методики оцінки ефективності адаптації Smart-антени для базової станції WiMax;

[14] - порівняльний аналіз варіантів побудови багатопролітної РРЛ зв'язку телекомунікаційної мережі WiMax і методика розрахунку параметрів для побудови багатопролітної РРЛ зв'язку;

[15] - розробка методології оцінки міжканальної перехідної завади для фазомодульованих сигналів WiMax.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи були висвітлені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Українського науково-дослідного інституту зв'язку; на науково-методичних конференціях Національного університету «Львівська Політехніка»; на науково-технічних конференціях "Проблеми телекомунікацій" 2008 і 2010 Інституту телекомунікаційних систем НТУУ "КПІ", 5-ій Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології» Лівадія, науково-практичному семінарі «Питання розвитку телекомунікаційних мереж», м. Київ, серпень-вересень 2010 р., 23-й науково-технічній конференції «Перспективне комп'ютерне управління і телекомунікаційні системи на залізничному транспорті», Алушта, 22-24 вересня 2010 р., «Проблеми управління мережами та послугами телекомунікацій», вересень 2010 р. (без публікації) та інших.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 16 наукових робіт, в тому числі: 6 - у фахових наукових виданнях за переліком Вищої атестаційної комісії України, 2 - в інших наукових виданнях; 8 - матеріали науково-практичних конференцій та семінарів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів з висновками, висновку до роботи, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 160 сторінках і містить 148 сторінок основного тексту з 5 таблицями і 43 рисунками, список використаних джерел із 126 найменувань на 11 сторінках, додаток на 1 сторінці (акт впровадження в НДР).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми і необхідність виконання досліджень, визначено мету і задачі роботи, вказано об'єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Вказано відомості про апробацію та кількість публікацій за матеріалами дисертації.

У першому розділі детально проаналізовано стан та перспективи розвитку технології WiMax, в тому числі і в Україні.

Сучасний підхід до розвитку системи електрозв'язку базується на концепції мережі NGN - Мережі Наступного Покоління (Next Generation Network). Оператори телекомунікацій припускають переходити до NGN за рахунок модернізації мереж телефонного зв'язку, у якій "вузьким місцем" є мережа доступу, створена для передачі інформації в смузі пропускання каналу тональної частоти. Проведений аналіз за такими параметрами, як швидкість обміну інформацією, коефіцієнт готовності, час усунення несправності та коефіцієнт помилок, дозволяє зробити висновок, що технологія WiMax цілком відповідає концепції мережі NGN. Це дозволить забезпечити абонентів новими видами послуг з наданням їм мобільності, особливо у важкодоступних районах, не вимагаючи значних капіталовкладень на модернізацію мережі. Технологія WiMax є прекрасною альтернативою хDSL, особливо у разі відсутності кабельної мережі доступу або необхідності забезпечення великої швидкості передачі даних на значні відстані.

Детально вивчені методи модуляції, що застосовуються в стандарті ІЕЕЕ 802.16, принципи формування та структура OFDM сигналу, висвітлені питання побудови мереж WiMах в різних частотних діапазонах.

Проведена оцінка електромагнітної сумісності та розрахунок норм частотно-територіального розносу двох базових станцій WiMax дозволяє визначити мінімально допустиму відстань між ними. Наприклад, між двома базовими станціями, Airspan MicroMAX, оснащеними круговими антенами з посиленням 12 dB, що працюють на суміжних (першому сусідньому) частотних каналах шириною 10 МГц у діапазоні частот 5.6 ГГц, забезпечується ЕМС при розносі антен по вертикалі не менше ніж 30 метрів, а по горизонталі не менш ніж 550 метрів в умовах прямої видимості. Для базових станцій WiMах з пороговим рівнем інтерференції -102 dBm норми територіального розносу ще більш значні. На дану обставину слід звернути увагу операторам, які мають ліцензії в суміжних частотних діапазонах.

Проаналізовані питання сумісності фіксованих та мобільних мереж WiMах, розглянуті переваги та недоліки технології.

У другому розділі у якості засобу збільшення зони покриття базової станції WiMax запропоновано багатопролітну радіорелейну лінію зв'язку.

План запропонованої системи показано на рис. 1. Даний рисунок показує, що мережа складається з однієї базової станції (BS) та декількох радіорелейних станцій (RS).

Рис. 1. План багатопролітної радіорелейної лінії, що розширює зону обслуговування BS

У порівнянні з традиційним планом, в якому кожна BS під'єднується до WANC (Wide Area Network - Глобальна Обчислювальна Мережа) за допомогою проводових ліній, багатопролітна радіорелейна лінія може істотно збільшити розміри зони покриття однієї BS без використання будь-яких проводових з'єднань. Завдяки цьому вартість системи може бути знижена.

При розрахунку параметрів сигналів для багатопролітної радіорелейної лінії були обрані такі параметри: смуга пропускання каналу, швидкість передачі інформації, кратність модуляції та кількість підканалів в структурі OFDM сигналу. В результаті дійшли висновку, що якщо тривалість перехідних процесів більше, ніж захисний інтервал, і сигнал встановлюється під час його обробки приймачем, то фільтрування групового сигналу супроводжується перехідною завадою, що виникає через порушення ортогональності OFDM сигналів системи WiMax. Це призвело до необхідності виконання оцінки величини міжканальної перехідної завади.

Залежності оm(Дфз) при N = 64, 128, 256, 512 для кількості RS рівному 5 і відповідно переприймань 1 - 5 представлені на рис. 2 - 6, підтверджуючи тим самим можливість при фіксованому N мінімізувати міжканальну перехідну заваду вибором фз (або Т), а також зменшити вплив частотних спотворень каналу із збільшенням N.

Рис. 2. Залежність оm від Дфз для одного переприймання при різних N

Рис. 3. Залежність оm від Дфз для двох переприйомів при різних N

Рис. 4. Залежність оm від Дфз для трьох переприйомів при різних N

Рис. 5. Залежність оm від Дфз для чотирьох переприйомів при різних N

Рис. 6. Залежність оm від Дфз для п'яти переприйомів при різних N

При виборі параметрів системи передачі необхідно забезпечити, що б міжканальна перехідна завада на фоні інших перешкод істотно не впливала на завадостійкість. Стандарт IEEE 802.16-2004 визначає для підтримки модуляції 64QAM на рівні помилок не вище BER = 10-6 з урахуванням корекції помилок значення відношення сигнал/шум для OFDM сигналу SNR рівне 24.4 dB. Для підтримки решти нижчих типів модуляції потрібні, відповідно, нижчі значення SNR. Для підтримки найнижчої модуляції BPSK стандарт IEEE 802.16e-2005 вимагається SNR рівний 3 dB. Для отримання необхідного рівня SNR потужність сигналу на вході приймача системи повинна бути вищою за відповідний для того або іншого типу модуляції пороговий рівень чутливості.

Виконаний розрахунок потужності міжканальної перехідної завади показує, що при збільшенні кількості прольотів досяжна для користувача інформаційна ємність знижується, збільшується потужність міжканальної перехідної завади. Використовування схем модуляцій високого порядку і збільшення кількості підканалів в структурі передаваного сигналу дозволяє істотно збільшити досяжну ємність доступу і зменшити наслідки багатопроменевого розповсюдження сигналів.

У технології WiMax для забезпечення високої швидкості передачі даних в декілька Мбіт/с необхідно оцінювати вплив міжсимвольних завад. Це найефективніше проводити в крайніх точках спектру, які мають найбільші спотворення каналу.

Розраховуються синфазна та квадратурна складові сигналу на виході приймальної системи xu, yu. Потім визначаються компоненти завади x1u, y1u на сусідній посилці. Визначається новий вектор сигналу, спотворений завадою:

. (1)

Обчислюються відхилення амплітуди і фази вектора сигналу внаслідок впливу міжсимвольних завад:

(2)

(3)

Результати розрахунку ілюструють графіки, приведені на рис. 7 і 8.

Залежність флуктуації фази вектора сигналу від швидкості передачі інформації для одного і двох переприйомів РРЛ системи WiMax зображені на рис. 7, а залежність амплітуди вектора сигналу від швидкості передачі інформації для одного і двох переприйомів на рис. 8.

Рис. 7. Залежність Дц0 від V для одного і двох переприйомів

Рис. 8. Залежність ДА від V для одного і двох переприймань

Графіки, зображені на рис. 7 і 8, підтверджують припущення про вплив міжсимвольних перешкод на якість зв'язку. Проведені розрахунки показують, що на малих швидкостях передачі даних близько 10 Мбіт/с флуктуація фази складає 1 - 30, а амплітуди не більш 15%.

Відповідно до розглянутих раніше умов було розраховано значення о як функції t0/ф. Результати розрахунків для різної кількості переприйомів РРЛ зображені на рис. 9.

Рис. 9. Результати розрахунків для різної кількості переприйомів РРЛ

З приведених на рис. 9 графіків випливає, що збільшення кількості підканалів в системі WiMax не тільки зменшує вплив міжканальної перехідної завади о, але і помітно розширює Дtдод - діапазон t0, усередині якого значення о не перевищує вибране допустиме значення. Тобто, Дtдод визначає допустиму похибку пристрою тактової синхронізації.

У третьому розділі запропоновано методику багатокритеріальної оптимізації системи управління розробленої багатопролітної радіорелейної лінії, що розширює зону обслуговування базової станції WiMax.

При підвищенні якості і збільшенні обсягу послуг, що надаються, кількість управляючої інформації в системі управління стрімко росте. Особливо це відноситься до новітніх систем безпроводового зв'язку.

Знаходженням оптимальної системи управління називатимемо процес синтезу системи. Задача синтезу полягає в знаходженні такої системи управління, яка компромісно оптимізує показники якості при обмеженні вхідних даних і спектру певних умов. Відзначимо, що синтез системи управління такого типу повинен бути векторним, тобто виконуватися з урахуванням значень сукупності (векторів) показників якості, включаючи і економічні, які повинні бути наперед враховані.

Рішення задачі оптимального синтезу - це процес вибору управляючих зміних х, що належать допустимій сфері D і забезпечують оптимальне значення характеристики системи управління Q(x). Характеристика, яка показує відносну "перевагу" одного варіанту порівняно з іншими, називається критерієм оптимальності (цільовою функцією, критерієм ефективності, функцією корисності тощо).

Екстремальне значення критерію оптимальності Q(x) (кількісне значення) характеризує одну з найбільш важливіших властивостей системи управління. У залежності від конкретного завдання, потрібно отримати або максимум, або мінімум цієї функції.

Таким чином, для кожного критерію Q1(x), Q2(x),..., Qs(x) необхідно знайти вектор х=(х1, х2, …, xn), що забезпечує мінімальне (максимальне) значення критерію оптимальності:

Qi=Qi(х1, х2, ... , хn), i=1, 2, ... , m; (4)

при рішенні системи нерівностей

Qi(x1,x2,... ,xn)0, i= 1, 2, ... , m, (5)

, j=1,2,... ,n. (6)

Отже, розв'язання задачі оптимізації системи управління зводиться до вирішення умови оптимізації - виразів (4) - (6), тобто до визначення оптимального значення х*, що задовольняє нерівностям (5), (6) та знаходження мінімального (максимального) значення критерію оптимальності.

Для системи управління багатопролітної радіорелейної лінії, що розширює зону обслуговування базової станції WiMax, наприклад, маємо такі часткові критерії:

Q1(x) - функція, яка характеризує кількість інформації, необхідної для забезпечення заданого спектру послуг;

Q2(x) - функція, що характеризує затримку інформації управління при визначеній кількості контрольованих вузлів центрів комутації пакетів системи управління;

Q3(x) - функція, яка характеризує надійність структури при заданих обмеженнях;

Q4(x) - функція, котра характеризує достовірність переданої інформації;

Q5(x) - функція, що характеризує вартість системи управління з урахуванням усіх перерахованих властивостей.

При однокритеріальному рішенні таких задач оптимізації мереж, перевага надавалася одному з вищенаведених критеріїв, а для інших визначалася сфера припустимих рішень.

Для сучасної системи управління технології WiMax такий підхід недостатньо ефективний, оскільки перераховані часткові критерії суперечать один одному.

Наприклад, критерій Q2 - "мінімум затримки" управляючої інформації суперечить критерію Q4 - "максимум достовірності". А виконання всіх критеріїв Q1 - Q4, суперечать критерію Q5 - "мінімум вартості".

При проектуванні системи управління багатопролітної радіорелейної лінії доцільно зупинитися на виборі кількості показників якості, що враховуються при синтезі. Як зазначалось, кількість показників, які характеризують якість реальної системи, може бути дуже великою. Це означає, що чим більша кількість показників якості враховується при синтезі системи, тим більш досконалою буде синтезована система. В той час, чим більше врахованих показників якості, тим складніше провести синтез без введення порівняно грубих припущень. Тому на практиці існує оптимальна кількість показників якості, яку необхідно враховувати. Введення додаткових показників призводить не до покращення, а до погіршення результатів синтезу.

При проектуванні системи управління багатопролітної РРЛ виникають певні труднощі у зв'язку з відсутністю точних даних про кількість абонентів, якість каналів зв'язку, обсягу трафіку тощо. Існують різні методи вирішення ускладнень, які виникають в зв'зку з апріорною неточністю вихідних даних та умов. Ефективність кожного з цих методів значно залежить від характеру неточності, тобто від того, які є апріорні дані та які з них відсутні. Найбільш характерними є два методи - синтез самоналагоджуваних систем і синтез мінімаксних систем. У першому випадку на синтезовану систему накладається додаткова вимога: проводити в процесі функціонування системи вимір (оцінку) апріорі невідомих характеристик збурень і відповідне коригування параметрів системи.

У другому - в процесі синтезу вирішується мінімаксна задача. При розв'язанні цієї задачі векторний синтез спочатку зводитися до скалярного, наприклад, введенням результуючого показника якості k, обумовленого вимогами до проектованої системи.

На відміну від мінімаксного синтезу при синтезі самоналагоджувальної системи, можна забезпечити оптимальну роботу системи в даних конкретних умовах.

Проте практично реалізувати систему управління, спроможну достатньо швидко, точно і повно аналізувати прогнозовані і непрогнозовані випадкові збурення, які призводять до виключення контрольованих показників і відповідно коригувати основні параметри, у деяких випадках дуже складно. Адекватні математичні методи синтезу самоналагоджуваних систем також достатньо складні. Але можна сподіватись, що використання потужних процесорів Intel - учасника WiMax форуму - дозволить успішно використовувати складні математичні алгоритми обробки сигналів та усунути ці недоліки.

У даний час мінімаксні методи використовуються, в основному, при синтезі різних складних систем. На відміну від цього синтез самоналагоджуваних систем застосовується в основному при проектуванні систем, які є компонентами великої системи. Тому в даному випадку побудови системи управління багатопролітної РРЛ використання цього методу є доцільним рішенням.

В четвертому розділі запропоновано оптимізувати роботу Smart-антени шляхом зміни критерію наведення променю.

Принцип роботи Smart-антен ґрунтується на припущенні того, що джерело корисного сигналу і завади рідко співпадають за напрямом. Це дозволяє, забезпечивши максимум посилення антени в потрібному напрямі і сформувавши мінімум її діаграми спрямованості на джерело завади, в багато разів підвищити робоче відношення сигнал-шум на вході приймача.

У існуючій класифікації виділяють два основні типи Smart-антен - антени з комутованим променем і адаптивні антенні системи. Антена з комутованим променем знаходить корисний сигнал і вибирає той з променів діаграми спрямованості, який направлений у бік приходу (випромінювання) корисного сигналу (рис. 10).

Рис. 10. Антенна система з комутованим променем

Адаптивна антенна система вирішує дві задачі: постійно відстежуючи положення мобільного абонента, вона орієнтує робочий промінь діаграми спрямованості відповідно до маршруту його переміщення, і одночасно формує “нулі” діаграми спрямованості антени у напрямі приходу завад (рис. 11).

Рис. 11. Адаптивна антенна система

В межах даного дисертаційного дослідження пропонується оптимізувати критерій вибору променя таким чином.

Для Smart-антен з комутованим променем критерій вибору променя звичайно ґрунтується на визначенні напряму приходу сигналу максимальної потужності.

У Smart-антенах з адаптивним управлінням орієнтацією проміння управляє цифрова схема, яка направляє їх на бажаних абонентів і далі здійснює супровід при переміщенні останніх.

Обслуговування абонентів, оснащених зовнішньою направленою антенною на найбільш швидкісній модуляції 64QAM, що підтримує максимальну символьну швидкість і відповідну швидкість передачі даних, забезпечується на дальності до 25 км, 16QAM - на дальності до 40-45 км. Здатність підтримки тієї або іншої модуляції є важливою особливістю технології WiMax і залежить від багатьох параметрів зв'язку, і, в першу чергу, від енергетичних параметрів системи. У загальному випадку можна сказати, що система вибирає тип модуляції, виходячи з енергетичних характеристик прийнятого сигналу.

Оптимізація критерію полягає в заміщенні складної схеми управління адаптивним променем або вимірника співвідношення сигнал/шум простим детектором BPSK або QPSK-модуляції. Система WiMax автоматично переходить до простішого типу модуляції при погіршенні співвідношення сигнал/шум і отже можна повторно цю операцію для Smart-антен не проводити. Даний критерій відмінно підходить як для антен з комутованим променем, так і для адаптивних систем.

Далі розглянуті питання визначення характеристик функціонування Smart-антен на основі непуассоновськіх моделей масового обслуговування, причому необхідний облік виду вхідного інформаційного потоку (телефонія, передача даних, IP-TV) або розподілу часу перетворення інформації виконується шляхом апроксимації відповідного розподілу А(t) або B(t) однієї з кускових функцій розподілу. Відмітною особливістю використовуваних моделей є наявність неординарних потоків подій.

Методики розрахунків параметрів, розглянуті раніше, можуть бути узагальнені таким чином, що жоден з розподілів, що описують потоки подій для Smart-антен не з'явився б експоненціальним, тобто потоки подій (стаціонарні, рекурентні) можуть бути досить довільного виду. Такий підхід вимагає використовування спеціальних методів аналізу моделей обслуговування з очікуванням. Розглянемо випадок визначення функцій розподілу часу очікування для Smart-антен з неординарними потоками подій, коли А (t) і В (t) - довільні функції розподілу. Для розрахунку такої системи використовуватимемо деяку допоміжну систему, що є еквівалентною початковою в деякому розумінні. Допоміжна Smart-антена вибирається так, щоб аналітичне рішення для неї або було б відомим, або могло б бути одержане без особливих ускладнень. Після визначення характеристик допоміжної Smart-антени можна перейти до параметрів початкової системи з використанням наявних співвідношень між основною і допоміжною. Розглянуті деякі випадки, коли введення допоміжної системи дозволяє одержати рішення для початкової Smart-антени.

Представлений можливий варіант побудови мережі зв'язку на основі технології WiMax із застосуванням оптимізованих Smart-антен.

Розроблено алгоритмічну послідовність, за якою доцільно проводити дослідження та розробку таких Smart-антен.

У висновках приводяться основні результати наукових досліджень відповідно до поставленої мети та сформульовані положення про практичну цінність та наукову новизну отриманих результатів.

В додатку приводиться акт впровадження.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є вирішенням комплексу актуальних питань, що мають наукове та прикладне значення, пов'язаних з поліпшенням показників якості роботи базової станції технології WiMax.

В ході дисертаційного дослідження отримані такі результати:

1. В результаті проведеного аналізу зроблено висновок, що технологія WiMax задовольняє умовам мережі доступу в концепції мережі наступного покоління NGN. Описані переваги та недоліки стандарту ІЕЕЕ 802.16 при розробці можливого варіанту побудови мережі.

2. Розроблений план багатопролітної радіорелейної лінії зв'язку, що дозволяє розширити зону обслуговування базової станції WiMax без застосування будь-яких проводових з'єднань.

За рахунок цього зменшується вартість мережі та збільшується оперативність її розгортання. Використання тільки радіоканалів в мережі доступу дозволить розгортати її за будь-яких умов та в цілому значно спрощує вирішення проблеми “останньої милі”.

3. Розроблено методику розрахунку потужності міжканальної перехідної завади та міжсимвольних спотворень для декількох варіантів побудови багатопролітної радіорелейної лінії зв'язку, що дозволило зробити висновок про оптимальну кількість прольотів в залежності від типу використовуваної модуляції (або підканалів в структурі OFDM сигналу).

Наприклад, якщо вважати допустимим рівень міжканальної перехідної завади оm = 4%, то згідно розрахункам при кількості підканалів N = 64 прийнятний рівень міжканальної перехідної завади без коректування АФЧХ може забезпечуватися за наявності в каналі не більш одного переприйому. Якщо N = 512, то ті самі умови забезпечуються за наявності в каналі до п'яти переприйомів РРЛ.

4. Проведений аналіз методів багатокритеріальної оптимизації системи управління, визначення їх переваг та недолікив дозволило зробити висновок, що для розробки системи управління РРЛ доцільно використовувати синтез самоналагоджувальних систем.

5. При проектуванні системи управління багатопролітної радіорелейної лінії зв'язку зроблено висновок, що необхідно враховувати такі показники:

- кількість управляючої інформації (отже, і необхідну пропускну спроможність каналів), що забезпечує задану точність параметрів об'єктів мережі. При цьому визначається мінімальна кількість управляючої інформації, яка дозволяє системи управління мати як властивість адаптивності до прогнозованих збурюючих факторів, так і інваріантність до різних, заздалегідь не прогнозованих заважаючих впливів;

- затримка управляючої інформації, при якій час передавання команд управління до контрольованих об'єктів не перевищує заданого;

- достовірність (імовірність помилки) при передаванні управляючої інформації;

- вартість системи управління, особливо в сьогоднішніх умовах світової фінансової кризи.

6. Запропонований абсолютно новий критерій наведення променя Smart-антен за допомогою детектору типу модуляції. Це забезпечить спрощення апаратної частини базової станції, а значить і її вартість, а також збільшить швидкодію переміщення променя і покращить “безшовність” мережі та якість зв'язку під час руху користувача, особливо на великий відстані від базової станції.

7. На основі непуассоновськіх моделей масового обслуговування проведено оцінку ефективності Smart-антен за оптимізованим критерієм по модуляції.

Використання переваг описаних вище технологій в порівнянні із стандартними радіосистемами дозволяє збільшити радіус зони покриття більш ніж в 1,5 рази, тим самим розширивши площу покриття базової станції майже в 2,5 рази. Випробування устаткування фіксованого і мобільного WiMах, проведені фахівцями компанії «ЕС ЕНД ТІ УКРАЇНА», підтвердили ці співвідношення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Выговский Р. В. Выбор метода позиционирования для сети UMTS /

Р. В. Выговский // Наукові записки Українського науково-дослідного інституту зв'язку. - 2008 . - №2(4) . - С.95-103.

2. Выговский Р. В. Использование многопозиционных сигналов с АФМ в технологии WiMax / Р. В. Выговский // Моделювання та інформаційні технології». Зб. наук. праць. Львів - 2008. - Вип. 49. - С.159-165.

3. Выговский Р. В. Анализ мощности межканальной переходной помехи многопролетной РРЛ / Р. В. Выговский // Наукові записки Українського науково-дослідного інституту зв'язку. - 2009 . - №2(10). - С.40-47.

4. Roman Vygivskiy. The variant of increase area coverage of the base station for WiMax system / Roman Vygivskiy // Lviv Polytechnic National University. Lviv. - 2010.

5. Выговский Р. В. Использование технологии WiMax на сетях доступа в концепции NGN / Р. В. Выговский // Зв'язок, №3 (91), 2010. - С.25-28.

6. Беркман Л. Н. Оптимизация критерия адаптации Smart-антенн для технологии WiMах / Л. Н. Беркман, Р. В. Выговский // Наукові записки УНДІЗ. - 2010. - №2(14). - С. 5-14.

7. Выговский Р.В. Основные принципы построения многопозиционных ФМ сигналов сети CDMA / Р. В. Выговский // Матер. Другої міжнародної науково-технічної конференції «Проблеми телекомунікацій», 20-23 травня 2008 р., м. Київ: Збірник тез НТУУ «КПІ» ІТС. - К.: Політехніка - 2008.

8. Выговский Р. В. Основные принципы построения фазомодулированных сигналов сети WiMax / Р. В. Выговский // Матер. IV Міжнар. наук.-практ. конф. «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології COMINFO-2008», 15-19 вересня 2008 р., Ялта. - К.:ДУІКТ - 2008.

9. Беркман Л. Н. Модернизация Smart-антен для технологии WiMах / Л. Н. Беркман, Р. В. Выговский // Вісник УНДІЗ. - 2010. - № 1. - С. 19-22.

10. Выговский Р. В. Вопросы увеличения зоны покрытия системы WiMax / Р. В. Выговский // Наук.-практ. семінар «Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології» червень-липень 2009 року, м. Київ: Вісник УНДІЗ. - 1/2009. - С.46-49.

11. Roman Vygivskiy. The Increase Distance of Communication for WiМax System / Roman Vygivskiy // Xth International Conference Dedicated to the 165th Anniversary of Lviv Polytechnic National University «Modern problems of radio engineering, telecommunications, and computer science» Lviv-Slavske, Ukraine, February 23-27, 2010.

12. Выговский Р. В. Модернизация сети доступа с использованием технологии WiMax / Р. В. Выговский // Матер. Четвертої Міжнародної науково-технічної конференції «Проблеми телекомунікацій» 20-23 квітня 2010 року, м. Київ: Збірник тез НТУУ «КПІ» ІТС. - К.: Політехніка, 2010 р. - С. 103.

13. Выговский Р. В. Адаптация Smart-антенн для базовой станции технологии WiMах / Р. В. Выговский // Матер. 23-й наук.-техн. конф. «Перспективне комп'ютерне управління і телекомунікаційні системи на залізничному транспорті», Алушта, 22-24 вересня 2010 р. Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2010. - №5. - С. 39-40.

14. Выговский Р. В. Технология WiMах как сеть доступа / Р. В. Выговский, Кокиза С. В. // Матер. наук.-практ. семінару «Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології», м. Київ, червень-липень 2010 р. - С. 10-11.

15. Беркман Л. Н., Выговский Р. В. Методы модуляции, применяемые в технологии WiMах / Л. Н. Беркман, Р. В. Выговский // Вісник УНДІЗ. - 2010. - № 3. - С. 17-19.

16. Выговский Р. В. Увеличение дальности связи в технологии WiMах / Р. В. Выговский // Матер. наук.-практ. семінару «Питання розвитку телекомунікаційних мереж», м. Київ, серпень-вересень 2010 р. - С. 11-12.

 АНОТАЦІЯ

Вигівський Р.В. Підвищення показників якості базової станції технології WiMax. - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі. - Державне підприємство «Український науково-дослідний інститут зв'язку». Київ, 2010.

Проведені наукові дослідження, пов'язані з підвищенням показників якості базової станції WiMax шляхом збільшення розмірів зони покриття за рахунок застосування багатопролітної радіорелейної лінії зв'язку, а також оптимізації критерію вибору напряму випромінювання Smart-антен для роботи на межі зони обслуговування базової станції технології WiMax.

Представлений аналіз можливості використовування технології WiMax у якості мережі доступу в концепції мережі NGN. Розроблений можливий варіант побудови мережі.

Розроблено методику врахування впливу збільшення кількості прольотів радіорелейної лінії, виконаний розрахунок потужності міжканальної перехідної завади для різної кількості підканалів в структурі OFDM сигналу.

Збільшена зона обслуговування базової станції WiMax без використовування будь-яких проводових з'єднань, що значно знижує вартість і час розгортання мережі доступу.

Запропонований абсолютно новий критерій наведення променя Smart-антен за допомогою детектора типу модуляції. Це забезпечить спрощення апаратної частини базової станції, її вартість, а також збільшить швидкодію переміщення променя і поліпшить “безшовність” мережі і якість зв'язку при русі користувача, особливо на великій відстані від базової станції.

Ключові слова: базова станція, багатопролітна радіорелейна лінія, міжканальна перехідна завада, система управління, Smart-антена, багатокритеріальна оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Выговский Р. В. Повышение показателей качества базовой станции технологии WiMax. - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. - Государственное предприятие «Украинский научно-исследовательский институт связи». Киев, 2010.

Проведены научные исследования, связанные с повышением показателей качества базовой станции WiMax путем увеличения размеров зоны покрытия за счет применения многопролетной радиорелейной линии связи, а также оптимизации критерия выбора направления излучения Smart-антенн для работы на границе зоны обслуживания базовой станции технологии WiMax.

Объектом исследования является базовая станция сети доступа на основе технологии WiMax.

Предмет исследования - многопролетная радиорелейная линия связи, которая предназначена для увеличения зоны покрытия базовой станции и ее показатели качества.

Проведен детальный анализ стандарта WiMax: представлены рабочие частоты, рассмотрены методы модуляции и принципы построения многопозиционных фазомодулированных сигналов, разработаны сигнальные диаграммы для применяемых в стандарте 802.16 методов модуляции.

Представлен анализ возможности использования технологии WiMax в качестве сети доступа в концепции сети NGN, описаны возможности стандарта IEEE 802.16. Проведено сравнение технических характеристик технологий WiMax и ADSL. Разработан возможный вариант построения сети.

Разработана методика учета влияния увеличения количества пролетов радиорелейной линии, произведен расчет мощности межканальной переходной помехи для различного количества подканалов в структуре передаваемого OFDM сигнала.

В диссертационной работе для повышения показателей качества базовой станции беспроводной телекоммуникационной сети использованы следующие методы исследования:

- Теории инвариантности, с помощью которой разработана комбинированная структурная схема многопролетной радиорелейной линии связи;

- Многокритериальной оптимизации, математический аппарат которой применен для оптимального проектирования многопролетной радиорелейной линии связи;

- Теории массового обслуживания для расчета и минимизации задержки настройки луча Smart-антенн с различными критериями наведения;

- Моделирование на ПЭВМ позволило получить результат оптимального проектирования многопролетной радиорелейной линии связи без сложных экспериментов.

В результате выполнения диссертационной работы увеличена зона обслуживания базовой станции WiMax без использования каких-либо проводных соединений, что в свою очередь значительно снижает стоимость и время развертывания сети доступа.

Предложен абсолютно новый критерий наведения луча Smart-антенн с помощью детектора типа модуляции. Это обеспечит упрощение аппаратной части базовой станции, а значит и ее стоимость, а также увеличит быстродействие перемещения луча и улучшит «бесшовность» сети и качество связи при движении пользователя, особенно на большом расстоянии от базовой станции.

Представлен вариант построения сети связи на основе технологии WiMax с применением оптимизированных Smart-антенн.

Ключевые слова: технология WiMax, базовая станция, многопролетная радиорелейная линия, межканальная помеха, система управления, Smart-антенна, многокритериальная оптимизация.

SUMMARY

Vygivskiy R.V. Increase of quality indices for WiMax base station. - Manuscript.

Dissertation for obtaining a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on 05.13.02 speciality - Telecommunication systems and networks. State enterprise - “Ukrainian research institute of communications”. Kyiv, 2010.

Research activity related to the increase of quality indices of the WiMax base station by the increase of the coverage area due to an application of multiflight radio-relay links and at the expense of criterion optimization for the choice of the direction of Smart-aerials radiation to operate on the border of coverage area of the WiMax base station of the WiMax technology is conducted.

The analysis is presented of the possibility to use WiMax technology as an access network within the concept of NGN. The possible version for the network construction is developed.

Effect of increasing the number of flights of the radio-relay links is analyzed; power calculations of inter-channel interference for different numbers of sub-channels in the OFDM signal structure are produced.

The coverage area of the WiMax base station is extended without any use of wired connections that reduces the cost and time of deployment time of access network.

As a result of implementation of dissertation work the area of maintenance of the base station WiMax without the use of some wire connections is megascopic, that in the turn considerably reduces a cost and time of development of network of access.

An absolutely new criterion for Smart aerials beam pointing using the modulation type detector is proposed. It will provide the simplification of hardware of the base station, reduce its cost and increase the rate of the beam, and improve the seamless of the network and the quality of communication during the user movement especially at a long distance from the base station.

Keywords: base station, multi-flight radio-relay link, inter-channel interference, Smart-aerial, multi-criterion optimization.

Размещено на Allbest.ru

...