Методи та засоби підвищення ефективності безпровідних систем та мереж з нестаціонарним каналом зв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ БЕЗПРОВІДНИХ СИСТЕМ ТА МЕРЕЖ З НЕСТАЦІОНАРНИМ КАНАЛОМ ЗВ'ЯЗКУ

Пелішок Володимир Олексійович

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

Львів - 2010

Анотація

Пелішок В.О. Методи та засоби підвищення ефективності безпровідних систем та мереж з нестаціонарним каналом зв'язку.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2010.

Дисертаційна робота присвячена розробці методів проектування систем та мереж безпровідного зв'язку. Безпровідні системи проаналізовано з врахуванням особливостей каналу зв'язку - багатопроменевого поширення хвиль мобільності актуального місця знаходження абонента, що приводить до нестаціонарного характеру каналу зв'язку . Розглянуто протиріччя між тривалістю символів , які повинні передаватись через безпровідний канал зв'язку, та вимогами даного каналу до тривалості символів. Особливу увагу приділено питанням підвищення пропускної здатності безпровідних систем та зменшення ймовірності появи бітових помилок.

У роботі проведено аналіз властивостей окремих функціональних вузлів безпровідних систем та мереж і вперше запропоновано використовувати узагальнені характеристики частотної та енергетичної ефективностей окремих вузлів при синтезі ефективних систем на основі врахування введеного інтегрального критерію ефективності. Проаналізовано ефективність використання технічних ресурсів окремих функціональних вузлів безпровідних систем , розроблено шляхи методи та засоби підвищення даного показника системи в цілому.

В розробленому методі синтезу обґрунтовано поетапний вибір окремих функціональних вузлів для синтезу ефективних безпровідних систем. Запропоновано на початковому етапі синтезу розглянути вибір ефективних видів модуляції/ демодуляції. Залежно від отриманих результатів приймається рішення про необхідність застосування інших функціональних вузлів та методика їх вибору.

Запропоновано враховувати результати аналізу безпровідних систем для підвищення надійності діючих систем шляхом програмного резервування.

Ключові слова: безпровідні мережі та системи, підвищення ефективності, моделювання системи, рознесене приймання, широкосмугові системи, інтелектуальні антени та адаптивні системи

безпровідний мережа інтегральний

Аннотация

Пелишок В.А. Методы и средства повышения эффективности беспроводных систем и сетей с нестационарным каналом связи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Национальный университет «Львивська политэхника», Львов, 2010. Диссертация посвящена исследованию проблем повышения эффективности систем и сетей беспроводной связи, созданию математических моделей процессов, выполняемых в отдельных функциональных узлах и системе в целом.

Развита теория процессов модуляции / демодуляции путем формирования обобщенных характеристик энергетической и спектральной эффективностей. На базе данных характеристик осуществлено сравнение эффективности различных видов модуляции с целью повышения эффективности беспроводных систем.

Разработан метод структурного и параметрического синтеза эффективных систем беспроводной связи по заданным техническим требованиям, основанный на применении предложенного интегрального критерия эффективности. Данный критерий учитывает спектральную и энергетическую эффективность, влияние сужения спектра модулированного сигнала и изменения отношения сигнал / шум на приемной стороне. Предложено учитывать особенности беспроводного канала связи - его нестационарный характер, наличие многолучевого распространения волн. Проанализирована эффективность применения адаптивных систем и широкополосных технологий, включая модуляции со многими поднесущими частотами.

Особое внимание уделено анализу длительности символов, которые должны передаваться через беспроводный канал связи. Показано, что длительность импульсов ограничена снизу, что вызвано задержкой сигнала вследствие многолучевого распространения сигналов. Рекомендовано выбор путей устранения данного противоречия: использование канального кодирования или временного разделения каналов.

Предложен способ построения антенных решеток адаптивных антенн, который позволяет увеличить уровень выходного сигнала в случае малого углового расстояния между полезным сигналом и помехой. Также предложен метод повышения надежности действующих систем беспроводной связи путем резервирования с использованием графического интерфейса пользователя, разработанного на этапе проведения анализа и синтеза.

Разработана методика структурного и параметрического синтеза эффективных систем беспроводной связи с использованием предложенного выбора кодирующих сигналов и методов их фильтрации для повышения эффективности различных видов модуляции. Исследованы методы использования в эффективных беспроводных системах способов канального кодирования на основании их сравнительного анализа путем сравнения соотношения между уменьшением скорости передачи информации и вероятностью появления битовых ошибок. Также развита теория исследования широкополосных систем, которая включает исследование методов формирования расширяющих последовательностей и влияние их корреляционных функций на повышение эффективности систем.

Использование разработанных в работе теоретических положений и математических моделей дает возможность оценить эффективность действующих систем и определить пути их дальнейшей модернизации для улучшения частотной и энергетической эффективностей.

Ключевые слова: беспроводные сети и системы, повышение эффективности, моделирование системы, разнесенное приема, широкополосные системы, интеллектуальные антенны и адаптивные системы

Summary

Pelishok V.A. Methods and means of increase on efficiency of wireless systems and networks with a non-stationary communication channel. - Manuscript.

A thesis submitted in fulfillment of D.Sc. degree in technical sciences on specialty 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2010.

The thesis is devoted to developing methods for designing systems and wireless communication networks. Wireless systems are analyzed taking into account the characteristics of communication channel - the multipath wave propagation mobility actual location of the caller, which leads to the unsteady nature of the communication channel. A contradiction considered between the length of characters to be transmitted through wireless communication channel, and the requirements of the channel to length characters. Particular attention is paid to increase the bandwidth of wireless systems and reduce probability of bit errors.

The paper analyzes the properties of individual functional units of wireless systems and networks and was first proposed to use generalized characteristic frequency and the energy efficiency of individual nodes in the synthesis of efficient systems taking into account the integral imposed criteria. The effectiveness of using the technical resources of individual functional units of wireless systems, methods developed ways and means of this index as a whole was analyzed.

In the methods of synthesis phased was grounded choice of separate functional units for synthesis of efficient wireless systems. Initially, considering the choice of effective synthesis types of modulation / demodulation is proposed. Depending on the results the decision about the need to use different functional units and their method of choice was carried out.

Taking into account the results of analysis for wireless systems let to improve the reliability of existing software systems through redundancy.

Keywords: wireless networks and systems, efficiency increasing, the system modeling, carried receiving, broadband systems, intellectual antennas and adaptive systems.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Подальший розвиток суспільства вже неможливо уявити без широкого застосування сучасних цифрових безпровідних систем. Таким системам властивий бурхливий процес їх розвитку та вдосконалення. Наприклад, для успішного проведення престижних змагань «Євро-2012» Україна повинна виконати ряд зобов'язань, щодо вдосконалення інфокомунікаційної структури, зокрема систем безпровідного зв'язку. Безпровідні системи знаходять різні області застосування: від відомчого зв'язку на окремій території до загальнонаціональних мереж та систем. Особливо актуальним є питання підвищення ефективності безпровідних систем в зв'язку з їх великою масштабністю застосування та вартістю. Тому збільшення ефективності, навіть на декілька відсотків, може привести до значної економії, як технічних так і економічних ресурсів.

Для безпровідних мереж характерний ряд специфічних особливостей, зокрема те, що в каналі зв'язку наявне багатопроменеве поширення хвиль та необхідно враховувати ефекти, пов'язані з мобільністю абонентів. Тому сучасні методи та засоби підвищення ефективності радіомереж , використовуючи результати досліджень провідних систем та простіших безпровідних (в яких враховується тільки вплив втрат, наприклад, при збільшенні віддалі зв'язку, та білого гаусового шуму) повинні враховувати специфічні особливості каналу радіозв'язку

Дослідження безпровідних систем та мереж, в тому числі підвищення їх ефективності, нерозривно пов'язно з роботами таких вчених як Прокіс Дж., Скляр Б., Столінг В., Голд Р., Іпатов В.П., Галкін В.А., Волков Л.Н., Вишневський В.М., Шахнович І.В., Шлома В.А., Варакін Л.Є., Невдяєв Л.М., Беркман Л.Н., Поповский В.В., Слюсар В.І., Семенко А.І., Безрук В.М., Проценко М.Б., Голяницкий І.А., Рощін Б.В., Величко В.В., Ільченко М.Ю., Олійник В.Ф.

В роботах зазначених та багатьох інших вчених досліджені структури безпровідних систем в цілому та їх основні функціональні вузли, такі як модулятори/демодулятори, кодери/декодери і т.д. Велика кількість робіт сучасних вчених присвячена розвитку нових технологій, які стали невід'ємною складовою новітніх безпровідних систем зв'язку: системам з розширеним спектром сигналів та множинним доступом, методам рознесеного приймання та адаптивним системам.

Науково-прикладною проблемою, вирішенню якої присвячена дисертаційна робота, є розробка методів проектування безпровідних систем з метою підвищення їх ефективності за технічними показниками з врахуванням специфічних особливостей каналу зв'язку, зокрема його нестаціонарного характеру. На початку роботи над дисертацією існував ряд невирішених проблем:

а) наявність лише часткових показників ефективності систем (частотної , енергетичної та спектральної ефективностей), що ускладнює проектування та синтез систем з врахуванням вимог підвищення їх ефективності;

б) в результаті дослідження окремих функціональних вузлів системи отримані залежності та характеристики, які являються найбільш зручними та прийнятними для кожного з вузлів, але малопридатними для дослідження систем в цілому;

в) відсутність методів обґрунтованого розподілу наявних технічних вимог до системи на вимоги до окремих функціональних вузлів, що при наявності можливостей багатоваріантної реалізації кожного з окремих вузлів, приводить до значних ускладнень проектування систем в цілому.

Дисертаційна робота є розвитком та узагальненням проектування систем безпровідного зв'язку з метою підвищення ефективності їх функціонування на основі вирішення вищезгаданих проблем.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами. Тематика дисертаційної роботи пов'язана з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки в рамках державних програм розвитку та інформатизації Кабінету Міністрів України, координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України «Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, систем зв'язку» та «Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природничих, суспільних та гуманітарних наук».

В даній дисертаційній роботі узагальнені та систематизовані результати досліджень, проведених автором на кафедрі «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка», її структурних підрозділах та лабораторіях у період з 2004 р. по 2010 р. Результати досліджень увійшли до складу 2 науково-технічних звітів, пов'язаних з дослідженнями в галузі систем передавання інформації: «Дослідження і оптимізація структури і топологій інфокомунікаційних систем та мереж» (ДБ/Структура, 2006-2007 р.р.), № держреєстрації 0106U009587; госпдоговірної НДР «Дослідження та оптимізація міських транспортних інфокомунікаційних мереж (2007р.), № держреєстрації 0107U000822.

Мета роботи. Мета дисертаційної роботи полягає у розвитку теоретичних засад оптимізації структур і параметрів безпровідних систем та мереж зв'язку для підвищення їх ефективності та синтезі ефективних структур.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались такі основні завдання:

1. Дослідження типових характеристик окремих функціональних вузлів та визначення шляхів їх зміни до виду, орієнтованого на проектування систем.

2. Розробка методу побудови змінених характеристик, який практично не вимагає збільшення обчислювальних ресурсів порівняно з отриманням типових характеристик .

3. Формування єдиного інтегрального показника ефективності систем безпровідного зв'язку, який базується на наявних часткових показниках ефективності.

4. Розробка єдиного концептуального підходу, придатного до проектування кожного з функціональних вузлів та максимально придатного до проектування системи в цілому.

5. Розробка алгоритмів та програмного забезпечення, які реалізують єдиний концептуальний підхід та вирішують наявні питання проектування, що допускають чисельне отримання необхідних результатів.

6. Дослідження особливостей безпровідного каналу зв'язку та вирішення часткових можливостей ослаблення його дестабілізуючого впливу на показники системи в цілому.

7. Забезпечення можливості використання розроблених для аналізу програмних засобів в реально функціонуючих системах з метою підвищення надійності, шляхом програмного резервування найбільш функціонально важливих вузлів

8. Апробація створених методів, алгоритмів аналізу та оптимізації шляхом проведення моделювання існуючих безпровідних систем та мереж для підтвердження необхідного рівня адекватності отриманих результатів з існуючими.

Об'єкт дослідження - процес підвищення спектральної та енергетичної ефективності безпровідних систем та мереж зв'язку.

Предмет дослідження - методи структурного та параметричного синтезу безпровідних систем та мереж за умови нестаціонарності каналу зв'язку.

Методи дослідження. В роботі виконано дослідження на основі використання методів і основних положень теорії радіосистем та електрозв'язку, теоретичної радіотехніки, теорії випадкових процесів, лінійної алгебри та матричного аналізу, теорії ймовірностей та математичної статистики, математичного та комп'ютерного моделювання, а також на основі експерментальних досліджень.

Наукова новизна. У ході виконання дисертаційної роботи отримано нові наукові результати:

1. Вперше запропоновано використання узагальнених характеристик, кожна з яких замінює сімейство типових (загальноприйнятих) характеристик окремих функціональних вузлів, причому узагальнені характеристики являються найбільш орієнтованими на проектування безпровідних систем з метою підвищення їх ефективності.

2. Вперше запропоновано метод «2D - 3D - 2D^/», призначений для формування узагальнених характеристик, який практично не вимагає додаткових затрат обчислювальних ресурсів та замінює розв'язування систем складних рівнянь

3. Вперше запропоновано інтегральний критерій ефективності систем безпровідного зв'язку, який враховує частотну і енергетичну ефективність системи та наявні технічні вимоги до системи. Вперше запропоновано методи структурного та параметричного синтезу систем безпровідного зв'язку на основі інтегрального критерію ефективності, що дозволяє синтезувати ефективні системи з врахуванням заданих технічних вимог до системи.

4. Вперше для антенних решіток адаптивних приймальних антен обґрунтовано та розроблено метод збільшення рівня вихідного сигналу у випадку малої кутової відстані між сигналом та завадою, що забезпечує підвищення енергетичної ефективності безпровідних систем .

5. Отримали подальший розвиток методи проектування систем безпровідного зв'язку з метою підвищення їх ефективності , які базуються на сумісному використанні запропонованих узагальнених характеристик кожного з функціональних вузлів.

6. Класифіковані та розвинуті методики врахування особливостей безпровідного каналу зв'язку: його нестаціонарного характеру та наявності багатопроменевого поширення хвиль, що приводить до необхідності, застосування рознесеного приймання, широкосмугових та адаптивних систем.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що:

· на основі запропонованого критерію ефективності створено програмний комплекс для структурного та параметричного синтезу як окремих функціональних вузлів безпровідних систем та мереж, так і систем в цілому;

· розроблено методику оцінки ефективності функціонуючих безпровідних систем і мереж та визначення засобів підвищення ефективності;

· розроблено методику підвищення експлуатаційної надійності систем та мереж шляхом резервування, при якій використовуються результати, отримані на етапі проектування систем;

· розроблено високоефективний метод застосування антенних решіток в адаптивних антенних системах (Патент України на корисну модель №50458 від 16.06.2010 «Спосіб формування вихідного сигналу адаптивних приймальних антен»), що дозволило збільшити вихідний сигнал, у випадку малої кутової відстані між сигналом та завадою, в 2.5 - 3 рази.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати теоретичних та практичних досліджень, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

У роботах, написаних у співавторстві, автору належать наступні результати: [1,5,8] - формування концептуального напрямку роботи та теоретичні дослідження, [2,13] - постановка задачі та аналіз радіосистем за показником підвищення ефективності; [7,6] - аналіз формування результуючого сигналу в антенних решітках; [3,4] - аналіз основних властивостей радіосистем; [9,15,19] - підхід до формування вимог для окремих функціональних вузлів лише на кінцевому етапі після формування та визначення показника ефективності системи.

Апробація результатів дисертації. Представлені в даній дисертаційній роботі результати теоретичних досліджень, аналізу, обчислювальних експериментів і проектування доповідалися автором на 9 міжнародних науково-технічних конференціях та 1 науково-технічному симпозіумі. Серед них: науково-технічні конференції «Сучасні проблеми телекомунікацій і підготов. фахівців в галузі телекомунікацій» (Львів, 2005, 2006 та 2007); «Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці» (Львів - Поляна, 2007); «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії» (Львів - Славсько, 2008, 2010); «Сучасні проблеми телекомунікацій» (Львів, 2008); «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології» (Київ, 2009); «Теорія та техніка антен » ( Львів, 2009); науково-технічний симпозіум «Нові технології в телекомунікаціях» (Київ - Вишків, 2010).

2. Основний зміст роботи

У вступі наведено базові концепції дисертаційної роботи. Розкрито суть і стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, наукову новизну, практичну значимість. Наведено дані про результати роботи: практичне значення та дані про їх застосування; презентацію цих результатів на семінарах, симпозіумах і наукових конференціях, а також про особистий внесок автора. Приведено короткі анотації розділів дисертаційної роботи.

Показано, що сучасні системи безпровідного зв'язку представляють собою складні комплекси, які складаються з багатьох функціональних вузлів. Кожен з функціональних вузлів, в загальному випадку, являється досконало проаналізованим. Але при синтезі ефективних систем виникають специфічні проблеми. Наприклад, аналіз окремих вузлів здійснюється , як правило, у виді залежності вихідного параметру від решти вхідних параметрів, тобто у виді b=f₁(a₁,a₂,…a_n). Але для побудови ефективних систем безпровідного зв'язку часто необхідні результати аналізу, при іншому розподілі вхідних та вихідних параметрів, наприклад, a₂=f₂(a₁,a₃,…a_n, b), b/a₁=f₃ (a₂/ a₁,… a_n/a₁) і т.д. Тому необхідно аналіз відомих вузлів здійснювати заново, з врахуванням вимог до системи.

В першому розділі - «Аналіз методів та засобів підвищення ефективності систем безпровідного зв'язку » розглядаються концепції розвитку безпровідних систем та мереж зв'язку в сучасних технологічних та економічних умовах. Приведено основні відомості про стан сучасних систем безпровідного зв'язку, які ввібрали в себе значну кількість останніх наукових і технічних досягнень в даному напрямку.

Розглянуто основні обмеження до смуги частот, відношення сигнал/шум, які необхідно враховувати при аналізі та синтезі безпровідних систем. Особливу увагу приділено наявним науково-технічним проблемам, які виникають при синтезі ефективних систем безпровідного зв'язку з врахуванням нестаціонарного характеру каналу зв'язку. На базі розглянутих проблем сформовано задачі, які необхідно вирішити для розробки методу синтезу ефективних систем. Враховуючи складність сучасних систем безпровідного зв'язку розглянуто критерії вибору програмного забезпечення, як необхідної та важливої складової при проведенні аналізу та синтезу.

В результаті проведеного аналізу безпровідних систем різного призначення виявлено загальні закономірності їх побудови (рис. 1).

Рис.1. Узагальнена структурна схема системи безпровідного зв'язку.

На основі узагальненої структурної схеми систем безпровідного зв'язку розглянуто основні вимоги до системи: передавання інформації від джерела до отримувача зі швидкістю R не меншою R _ном при забезпеченні ймовірності P_b появи бітових помилок ( BER) - не більшої P_bном. Враховано те, що BER при заданій швидкості передавання R залежить від смуги частот B та відношення сигнал/шум E_b/N_o, тобто P_b=f(R, B, E_b/N_o). Тому, для виконання вимог R? R_ном та P_b ? P_bном ефективна система не повинна вимагати перевищення заданого частотного та енергетичного ресурсу каналу зв'язку: В ?В_ном , E_b/N_o? (Eb/No) _ном , де В_ном, (E_b/N_o) _ном - номінальні значення смуги частот та відношення сигнал/шум, відповідно.

В результаті проведеного аналізу класифіковано основні протиріччя між необхідністю забезпечення заданих технічних вимог до системи та підвищення її ефективності (рис. 2)

Рис. 2. Основні проблеми синтезу ефективних систем та мереж безпровідного зв'язку.

Розглянуто суть основних протиріч, вказаних на рис. 2.

1. Протиріччя між значеннями параметрів системи, необхідними для забезпечення заданих технічних вимог та ефективності. Однією з основних задач дослідження та синтезу безпровідних систем зв'язку являється підвищення їх ефективності. З однієї сторони відомі бажані зміни основних показників системи для підвищення її ефективності (рис. 3) при Pb=const. З іншої сторони наявні обмеження для систем безпровідного зв'язку :

згідно теореми Шенона-Хартлі

(1,а)

де С=Rmax -пропускна здатність системи, яка вказує максимальну швидкість R; S/N - відношення сигнал/шум;

згідно критерію Найквіста

( 1,б)

де В - смуга пропускання системи.

Видно, що між вимогою (рис. 3, б) та залежністю (1, а) наявні протиріччя. Також наявні протиріччя між вимогою (рис. 3, в) та обмеженням (1, б).

Рис. 3. Вимоги при Pb=const (а) до параметрів системи зв'язку для підвищення її ефективності: (б) Eb/No, (в) R/В.

2. Неефективність застосування загальноприйнятих характеристик окремих функціональних вузлів для синтезу ефективних систем. При аналізі М-рівневих модуляцій ( М=2^k , k - кількість бітів в одному символі) широко використовується сімейство загальноприйнятих характеристик P_b=f(E_b/N_o) при k=const (рис. 4, а-в), які вказують на енергетичну ефективність модуляції

Рис. 4. Залежність ВЕR для М-PSK, M-ASK та M-QAM модуляцій.

При синтезі систем важливим являється забезпечення умови P_b= P_bном. З характеристик (рис. 4) можна виділити необхідні дані при P_b= const (позначені знаком «о» при Pb=10^-6 ) та шляхом додаткового аналізу отримати дані, необхідні для порівняння різних видів модуляцій та їх вибору для синтезу ефективних систем. Але при наявності багатьох рівнів (до 10 і більше) М-рівневих модуляцій, та багатьох видів модуляції ( декілька десятків) синтез ефективних систем при необхідності виконання додаткового аналізу являється трудомістким та ненаглядним. Тому при проведенні синтезу ефективних структур замість сімейства залежностей (рис. 4) доцільно розробити та використовувати узагальнені характеристики енергетичної ефективності модуляції - виду Eb/No =f(k) при P_b= const.

Також при аналізі різних видів М-рівневих модуляцій широко використовується сімейство загальноприйнятих характеристик для спектральної густини потужності (PSD), тобто PSD=f(B/R) при k=const (рис.5), які вказують на частотну ефективність модуляції

З приведених характеристик видно, що визначення ширини смуги частот В модулюваного сигналу (як ширини головного пелюстка) для кожного рівня М-рівневої модуляції вимагає додаткових побудов. Але при наявності багатьох рівнів М-рівневих модуляцій, та багатьох видів модуляції синтез ефективних систем при необхідності виконання додаткових побудов (рис. 5) також являється трудомістким та ненаглядним. Тому при проведенні синтезу ефективних структур замість сімейства залежностей (рис. 5) доцільно розробити та використовувати узагальнені характеристики частотної ефективності модуляції - виду k=f(B) при PSD= const.

Рис. 5. PSD для M-ASK модуляції у випадку полярного NRZ модулюючого сигналу.

3.Вибір ефективної системи при наявності декількох часткових критеріїв ефективності. Часто використовуються наступні показники ефективності системи, кожен з яких враховує швидкість передавання R:

· частотна ефективність - як степінь використання частотного ресурсу системи, г=R/В;

· енергетична ефективність - як степінь використання енергетичного ресурсу ( в даному випадку потужності передавача, Рс) системи, в=R/(Р_с/N_o);

· інформаційна ефективність, як ступінь наближення швидкості передавання до пропускної здатності С, з=R/C.

Отже, постає питання, як серед декількох систем навіть з відомими значеннями показників ефективності вибрати ефективну. Тому виникає проблема формування інтегрального критерію ефективності, який повинен враховувати ряд часткових показників ефективності.

4. Обґрунтований вибір початкових етапів синтезу. Систему безпровідного зв'язку (рис. 1) на початковому етапі синтезу можна вважати «плаваючою», тобто в ній не задано конкретну структуру кожного з функціональних вузлів та рівні сигналів на вході/виході даних вузлів. Якщо задати тільки структуру хоча би одного з вузлів (наприклад, вид модуляції і т.д.) або рівні сигналів на вході одного з вузлів, то можна вважати, що система з «плаваючої» перетворилась в «заземлену». Тому при синтезі ефективних структур систем безпровідного зв'язку виникає проблема: з чого почати синтез ефективної структури, адже необґрунтовано задавши структуру одного з функціональних вузлів, або рівні сигналів, немає гарантії, що синтезована на подальших етапах структура буде ефективною.

5. Протиріччя, властиві безпровідному каналу зв'язку . Основні протиріччя полягають в наступному:

· наявність багатопроменевого поширення хвиль приводить до затримки на різні часові інтервали окремих копій сигналу, що спричинює завмиранння сигналу (федінг) та вимагає збільшення тривалості передаваних символів Ts;

· мобільність абонентів та перешкод спричинює нестаціонарний характер безпровідного каналу, тобто залежність його параметрів від часу , що вимагає зменшення тривалості Ts передаваних символів.

6. Вибір ефективної системи при наявності великої кількості варіантів забезпечення заданих технічних вимог. Забезпечити задані вимоги до системи може значна кількість варіантів узагальненої структурної схеми (рис. 1) з врахуванням значної кількості варіантів кожного з функціональних вузлів. Досить зауважити, що лише самих видів цифрової модуляції наявні десятки варіантів. Тому вибір серед значної кількості варіантів ефективного вимагає додаткових досліджень з метою зменшення затрат для забезпечення такого вибору.

Також розглянуто декілька додаткових протиріч: великі затрати на розробку та синтез ефективних безпровідних систем, в тому числі і програмного забезпечення, та відсутність його застосування після введення системи в експлуатацію; наявність великої кількості комп'ютерних програм, придатних для аналізу та синтезу систем та вибір серед них оптимальної.

В другому розділі «Дослідження впливу модуляції та кодування сигналу на ефективність безпровідних систем» розроблено метод вибору видів модуляції та кодування сигналів при синтезі систем з метою забезпечення заданих вимог Pb?(Pb)ном, (R/B)ном при одночасному забезпеченні підвищення ефективності синтезованих систем. Даний метод базується на застосуванні запропонованих узагальнених характеристик енеретичної та частної ефективностей модуляції. Формування узагальнених характеристик здійснюється на основі запропонованого методу «2D-3D-2D^/» в результаті застосування якого паралельно з формуванням типових характеристик автоматично формуються узагальнені характеристики частотної та енергетичної ефективностей модуляції.

На рис. 6 приведено характеристики енергетичної ефективності BFSK, MFSK модуляції при когерентному детектуванні, отримані на основі наступних залежностей

при k=1 (2,а)

при k?2 (2,б)

де Q - інтеграл похибок Гауса, M=2^k

Використання типових (загальноприйнятих) характеристик (рис. 6,а) являється малофективним та ненаглядним при проведенні порівняльного аналізу різних рівнів модуляції (при Pb=const, як того вимагається на практиці). Даний недолік згаданих характеристик пояснюється тим, що вони являються надлишковими відносно значень Pb - замість одного або декількох значень Pb=const приводяться дані для всієї множини значень Pb.

Рис. 6. Характеристки енергетичної ефективності для M-PSK модуляції: (а) типові характеристики; (б) формування узагальненої характеристики; (в) узагальнена характеристика.

При виборі видів модуляції, кількість варіантів яких становить декілька десятків, у випадку синтезу систем безпровідного зв'язку (з одночасним підвищенням їх ефективності) на основі типових характеристик енергетичної ефективності виникає ряд проблем :

· характеристики (рис. 6, а) являються досить близькими, тому наявні труднощі порівняння між собою різних варіантів модуляції та вибору ( на основі результатів порівняння) доцільних для практичного використання варіантів модуляції;

· вибір конкретного варіанту модуляції серед доцільних до використання, при наявності конкретних вимог до системи, з метою підвищення її ефективності.

Відносно усунення труднощів порівняння близьких характеристик запропоновано застосування узагальнених характеристик енергетичної ефективності модуляції. Для побудови узагальнених характеристик запропоновано використовувати метод «2D-3D-2D^/», який для даного випадку полягає в наступному:

· кожну з сімейства 2D характеристик для даного виду модуляції (рис.6,а) необхідно представити (рис.6,б) як просторову 3D залежність P_b=f(E_b/N_o,k) ;

· побудувати площину (рис.6,б), яка перетинає отримані залежності при заданому значенні Pb=const (в даному випадку Pb=10^-6);

· проекції точок (рис.6,в) отриманих перерізів на площину (k, E_b/N_o) містять дані про енергетичну ефективність модуляції;

· лінія, яка з'єднує отримані сусідні точки (рис.6, в), являється узагальненою характеристикою енергетичної ефективності модуляції .

Очевидно, що практичний інтерес представляють лише точки при цілих значеннях k , а узагальнена характеристика лише наглядно вказує тенденцію зміни розташування даних точок при зміні значень k, Eb/No. Таким чином, згідно запропонованого методу «2D-3D-2D^/» будується спочатку одна більш інформативна «3D» залежність Pb=f(Eb/No, k), причому її формування не потребує додаткових обчислювальних затрат ( порівняно з формуванням загальноприйнятих залежностей, рис. 6,а), але її проекції на відповідні площини містять інформацію про обидві часткові залежності: типові (типу рис. 6,а) та узагальнені (типу рис. 6.б).

Розглянуто застосування узагальнених характеристик енергетичної ефективності модуляції при синтезі ефективних систем безпровідного зв'язку. Наприклад, за допомогою модуляції MFSK необхідно забезпечити вимоги P_b?(Pb)ном=10^-5 при відношенні сигнал шум E_b/N_o?(Eb/No)ном= 7 дБ. Видно (рис. 6,в), що в даному випадку можна використовувати MFSK модуляцію при значеннях k?8.

Вибір серед різних видів модуляції ефективного виду здійснюється на основі запропонованого інтегрального критерію ефективності модуляції

Е_m=[h_mi]max - при Pb? (Pb)_ном ; R/B? ( R/B)_ном ; Eb/No ? (Eb/No)_ном (3)

де h_mi =(R/B)_i/(Eb/No)_i -показник ефективності і-го варіанту модуляції, (R/B)_ном =R_ном/ В_ном , (Pb)_ном, R_ном, B_ном , (Eb/No)_ном - номінальні значення відповідних технічних вимог до системи.

Ще однією перевагою узагальнених характеристик являється те, що вони наглядно вказують на бажані корекції вимог до систем з метою збільшення їх ефективності. Наприклад , з даних (рис. 6,в) видно, що незначно (на 1-2 дБ) збільшивши значення E_b/N_o можна перейти на використання більш ефективної MFSK модуляції ( при меншому значенні k), що вимагає меншого розширення необхідної смуги частот.

В результаті аналізу узагальнених характеристик енергетичної ефективності та можливостей, які вони надають, зроблено наступні висновки:

· одна узагальнена характеристика (наприклад, рис. 6, в) при синтезі систем з заданим значенням P_b?(P_b)_ном замінює сімейство загальноприйнятих характеристик (наприклад, рис. 6,а);

· узагальнені характеристики спрощують процес синтезу ефективних систем, дозволяючи наглядно вибрати найбільш ефективний рівень М-рівневих модуляцій при заданих вимогах до системи;

· особливою перевагою являється наглядність при виборі компромісів між окремими параметрами та вимогами з врахуванням того, що компроміси часто складають основу синтезу ефективних систем.

Показано, що аналогічно можна отримати узагальнені характеристики для даного виду М-рівневої модуляції (рис. 7, а) при декількох значеннях Pb=(P_{b ном} )_і , (і=1,2…) та для різних видів М-рівневих модуляцій (рис. 7, б)

Рис. 7. Узагальнені характеристики енергетичної ефективності: (а) - для MFSK модуляції при різних значеннях Pb; (б) - для різних видів модуляцій при Pb=const.

Але найбільш суттєвою перевагою використання узагальнених характеристик енергетичної ефективності модуляції являється те, що їх можна апроксимувати простими залежностями. В даному розділі проведено апроксимацію узагальнених характеристик (виду, рис. 6, в) енергетичної ефективності модуляції: менш точну- лінійною залежністю Eb/No=m₁k+m₀, більш точну - квадратним тричленом Eb/No=m₂₁k²+m11k+m₁₀. Така апроксимація дозволяє замінити застосування трансцендентних рівнянь типу (2,a,б) використанням значно простіших апроксимованих залежностей.

Показано, що аналогічна ситуація виникає при розгляді частотної ефективності модуляцій. На (рис. 5) приведені спектральні характеристики для МASK модуляції та вказано, що застосування спектральних характеристик в даному представленні являться неефективним при синтезі та виникає потреба створення більш узагальненої характеристики. Тому запропоновано використовувати при синтезі узагальнену характеристику частотної ефективності, справедливу для різних рівнів М-рівневої модуляції даного виду при заданій формі модулюючого сигналу. На рис. 8, а приведено характеристики частотної ефективності MАSK модуляції , отримані на основі наступної залежності

(4)

де Т_b - тривалість біту, A - амплітуда біту.

Але використання даної залежності(рис. 8,а) являється малофективним та ненаглядним при проведенні порівняльного аналізу різних рівнів М-рівневої модуляції (при PSD=const, як того вимагається на практиці). Даний недолік згаданих характеристик пояснюється тим, що вони являються надлишковими відносно значень PSD - замість одного або декількох значень PSD=const приводяться дані для всієї множини значень Pb.

Рис. 8. PSD для M-ASK модуляції при полярному NRZ модулюючому сигналі (а, б) та узагальнена характеристика частотної ефективності (в).

Тому в даному розділі також запропоновано застосування узагальнених характеристик частотної ефективності. Для їх побудови запропоновано використовувати метод «2D-3D-2D^/», який для даного випадку полягає в наступному:

· кожну з сімейства 2D характеристик для даного виду модуляції (рис.8,а) необхідно представити (рис. 8,б) як просторову 3D залежність PSD=f(B/R,k) ;

· побудувати площину (рис.8,б), яка перетинає отримані залежності при малому значенні PSD (ідеально - при нульовому значенні у випадку визначення ширини смуги модульованого сигналу за шириною головного пелюстка , але практично достатньо при будь-якому значенні не більшому мінус 40 дБ) ;

· серед проекцій на площину (k, B/R) точок перетину вказаних залежностей та даної площини будуть точки 1-го порядку (позначені знаком «о» на рис. 8,в) , які розміщені найближче до нульового значення B/R та формують дані, що відображають ширину PSD, тобто технічну смугу частот (для випадку її визначення за шириною 1-го , тобто головного пелюстка ) модульованого сигналу;

· фактично інтерес представляють лише згадані точки , які містять інформацію про узагальнену характеристику частотної ефективності модуляції, причому лінія, яка з'єднує між собою сусідні точки являється узагальненою характеристикою частотної ефективності 1-го порядку;

· аналогічно, серед точок перетину будуть точки 2-го порядку, які також відображають ширину РSD, але з врахуванням 2-х пелюстків (головного та першого симетричного бокового пелюстка ), а утворена даними точками відповідна характеристика УЧ також буде 2-го порядку і т.д.

Дана характеристика 1-го порядку ( точніше її окремі точки, які відповідають цілим значенням k ) вказують на те, які рівні М-рівневої модуляції кожного виду можуть забезпечити задане значення частотної ефективності (B/R- за шириною 1-го, головного пелюстка ), тобто дана характеристика описує частотну ефективність узагальнено - одночасно для багатьох рівнів М-рівневої модуляції даного виду при заданій формі модулюючого сигналу. Наприклад, з характериcтики 1-го порядку (рис. 8,в) можна наглядно визначити, що значення спектральної ефективності B/R<0.4 даний вид модуляції може забезпечити лише при k>3.

Найбільший інтерес , очевидно, представляє узагальнена характеристика частотної ефективності 1-го порядку, а аналогічні характеристики вищих порядків видаються, на перший погляд, зайвими. Але як показано в даному розділі роботі узагальнені характеристики частотної ефективності різних порядків дуобінарного сигналу містять інформацію про різні види модулюючого сигналу: чотири типи модулюючих сигналів прямокутньої форми, а також про два типи модулюючих сигналів непрямокутньої форми (рис. 9).



Рис. 9. Узагальнені характеристики частотної ефективності для M-ASK модуляції у випадку модулюючого сигналу : 1- дуобінарного (1-го порядку) ; 2- модифікованого дуобінарного , полярного NRZ (1-го порядку) та дуобінарного (2-го порядку); 3- косинусоїдольного (1-го порядку) та дуобінарного (3-го порядку); 4- «Манчестер» , уніполярного RZ (1-го порядку) , «припіднятий косинус» та дуобінарного (4-го порядку).

Але застосування характеристик УЧ модульованих сигналів корисне не тільки для порівняння різних рівнів М-рівневої модуляції , а також являється зручним та наглядним при синтезі. Наприклад, можна зробити висновок, що задані технічні вимоги до частотної ефективності системи (2B /R=1.2 або B/R ?0.6) можуть забезпечити:

· дуобінарний сигнал при k?1;

· модифікований дуобінарний та полярний NRZ при k?2;

· косинусоїдальний сигнал при k?3;

· «Манчестер» , уніполярний RZ та припіднятий косинус при k?4.

На основі запропонованого методу застосування узагальнених характеристик енергетичної та частотної ефективностей в даному розділі проаналізовано використання різних варіантів модуляцій при різних видах модулюючого сигналу та розроблено рекомендації з їх застосування. Також отримано апроксимовані залежності (лінійні та більш точні у виді квадратного тричлена), які замінюють систему трансцендентних рівнянь, сформовану на основі рівнянь (4). Апроксимовані залежності мають як окреме застосування, так і знаходять подальше застосування при підвищенні ефективності синтезованої системи в цілому.

У третьому розділі «Вплив застосування канального кодування на підвищення ефективності безпровідних систем» розроблено метод забезпечення вимог Pb?(Pb)ном, (при одночасному підвищенні ефективності систем), в системах з обмеженою потужністю шляхом застосування канального блокового кодування. При цьому використовуються коди Ріда-Соломона, Голея БХЧ, та їх частковий випадок - коди Хемінга. Також проведено порівняльний аналіз інших видів канального кодування - застосування каскадних, згорткових та турбокодів, решітчатого кодування та розроблено рекомендації з їх використання в залежності від технічних вимог до системи безпровідного зв'язку.

Канальне кодування (рис. 10) з використанням блокових кодів застосовується у випадку систем з обмеженою потужністю , в яких при застосуванні вибраного виду модуляції для забезпечення умови Pb?(Pb)ном необхідне відношення сигнал/шум Eb/No?(Eb/No)доп, але реально наявне відношення (Eb/No)р?(Eb/No)доп.

Рис. 10. Значення Pb для модуляції BPSK: (а)- без кодування; (б) - з застосуванням канального кодування ( коди БХЧ, n-31).

Блокові коди використовують принцип надлишковості: тобто замість k інформаційних бітів передається n бітів (надлишковість становить n-k бітів) в результаті чого в прийнятому сигналі наявна можливість виправлення помилки для t помилково прийнятих бітів. На рис. 10 приведено приклад використання BPSK модуляції з кодуванням при застосуванні блокових БХЧ. Енергетична ефективність кодування визначається як різниця значень G= (Eb/No)нк - (Eb/No)к у випадку не кодованого сигналу та наявності кодування. Видно, що в даному випадку ефективність кодування (рис. 10) становить 2-4 дБ. Також з приведених результатів видно, що при менших значеннях Eb/No (орієнтовно 5 дБ) блокове кодування перестає бути ефективним.

Приведені характеристики для модуляції BPSK з використанням кодування (степінь кодування, Ак=n/k) отримані на основі розв'язування системи інтегральних рівнянь

при k=ki (i=1,2,…) (5)

при n=31 j=t+1 t=ti ti (1, 2, 3, 5, 7)

де Q -інтеграл похибок Гауса, k-кількість інформаційних бітів, n - кількість всіх бітів з врахуванням надлишкових n-k бітів, t - кількість помилкових бітів яку може виправити даний код.

При дослідженні модуляції з використанням блокових кодів, кількість варіантів яких становить декілька десятків, виникає ряд проблем:

· характеристики кодування являються (рис. 10, б) досить близькими, тому наявні труднощі порівняння між собою різних варіантів кодування та вибору вибору ( на основі результатів порівняння) доцільних для практичного використання варіантів кодів;

· вибір конкретного варіанту коду, серед доцільних до використання, при наявності конкретних вимог до системи, з метою підвищення її ефективності.

Відносно усунення труднощів порівняння близьких характеристик кодування запропоновано застосування узагальнених характеристик кодування.

На рис. 11 приведено приклад формування та застосування узагальнених характеристик для випадку використання блоків БХЧ (рис. 10)

Рис. 11. Значення Pb для BPSK модуляції з кодуванням (БХЧ, при n=31): (а) - типові характеристики; (б) - формування узагальнених характеристик; (в) - узагальнені характеристики.

Узагальнені характеристики формуються на основі запропонованого методу «2D -3D -2D^/», який полягає в наступному:

· сімейство (рис. 11,а) типових характеристик (2D характеристик) розміщується (рис. 11,б) в просторовій (3D) системі координат (Eb/No, t, Pd);

· отримані просторові характеристики перетинаються площиною Pb=(Pb)ном;

· формується проекція просторових залежностей на площину (t, Eb/No), в результаті чого отримуємо(2D^/ ) залежності, які являються узагальненими характеристиками.

Також, для порівняння, на узагальненій характеристиці приведено (при t=8) значення Eb/No необхідне для BPSK модуляції без застосування кодування з метою забезпечення Pb=(Pb)ном. При інших значення t приведені аналогічні дані для кодів БХЧ з відповідним значенням t, наприклад, другий ряд знизу при t =2 відповідає кодові БХЧ також при t =2. Таким чином, застосування узагальнених характеристик кодування усуває одну із вищезгаданих проблем - трудність порівняння близьких характеристик.

На основі використання узагальнених характеристик наглядно видно переваги та недоліки застосування кожного з можливих варіантів кодування (t=1,..5, рис. 11). Наприклад, кодам (при t=2 , t=3, та t=5) властива найбільша енергетична ефективність G?2 дБ, а для інших кодів значно менша. Отже, використання узагальнених характеристик дозволяє наглядно оцінити ефективність кодування для кожного з кодів та обґрунтовано вибрати доцільні для практичного застосування варіанти.

Для вибору конкретного варіанту коду , серед доцільних для практичного використання кодів, з метою підвищення ефективності системи зв'язку при заданих технічних вимогах запропоновано наступний критерій ефективності систем у випадку використання канального кодування

Е_к=[h_ki]max при P_b=(P_b)_ном (6)

де h_ki =(Eb/No)_нк/(Eb/No)_к*k_i/n -показник ефективності і-го варіанту кодування.

На рис. 12 приведено значення показника ефективності кодування

Рис. 12. Показник ефективності канального кодування при (Pb)ном=10^-6 (BPSK модуляція, коди БХЧ , n=31).

З приведених результатів видно, що в даному випадку ефективність кодування Ек=1.3 та визначається показником ефективності для коду БХЧ при t=1. Але недоліком варіанту коду при t=1 являється менше значення коефіцієнта G (порівняно з варіантами кодів при t=2 - t=4). Якщо наявне відношення сигнал/шум менше необхідного значення для варіанту коду при t=1, то необхідно переходити на використання наступного варіанту коду, при t=2. Таким чином, на основі аналізу узагальнених характеристик кодування (рис. 11,в) та з врахуванням критерію ефективності (5) , при використанні BPSK модуляції та кодів БХЧ (n=31) висновок : доцільно використовувати лише 2(при t=1, t=2) з 5 варіантів кодів.

Узагальнені характеристики кодування, аналогічні приведеним на рис.11,в можна отримати для різних значень Pb.

Рис. 13. Узагальнені характеристики кодування при використанні BPSK модуляції, кодів БХЧ (n=31) та різних значеннях Pb.

З приведених даних видно, що навіть при різних значеннях Pb доцільно використовувати ті ж самі два варіанти кодів ( при t=1, t=2). Тобто, залежності для кодів , доцільних для практичного застосування, можна представити (рис. 13) у виді лінійної залежності виду Eb/No= a₁t+a₂.

На рис. 14 приведені дані застосування канального кодування з використанням більш складних кодів БХЧ.



Рис. 14. BPSK модуляції з кодуванням (БХЧ, при n=31): (а) - типові характеристики для Pb; (б) - узагальнені характеристики при Pb=10^-6; (в) - показник ефективності кодування при Pb=10^-6.

З приведених даних видно, що в даному випадку доцільно використовувати варіанти кодів ( при 1<t<10), для яких при збільшенні t коефіцієнт енергетичної ефективності збільшується до значення Gmax? 4 дБ, а показник ефективності кодування більший одиниці. Для даних варіантів кодів ( при 1<t<10) застосована апроксимація у виді лінійної залежності ( та більш точна - у виді квадратного тричлена).

Показано, що можливість апроксимації для узагальнених характеристик кодування у виді простих залежностей являється суттєвою перевагою застосування запропонованих узагальнених характеристик. При їх застосуванні розв'язування системи інтегральних рівнянь замінюється аналізом апроксимованих залежностей ( лінійної або у виді квадратного тричлена). Все це значно спрощує процес синтезу ефективних систем з застосуванням канального кодування.

Також враховано, що збільшення кількості бітів вимагає збільшення смуги частот В_с , яку реально використовує система в Ав=n/k разів. Тому в системі , для здійснення канального кодування, наявна смуга частот В_ном повинна бути надлишковою, причому повинна виконуватись наступна умова

В_ном/В_с ? Ав (7)

На основі перевірки умови (7) можна відкинути ті варіанти, які не задовольняють поставленим технічним вимогам. Але проблема полягає в тому, що наявна значна кількість різних кодів, тому їх вибір при синтезі методом простого перебору не являється ефективним. Крім того, умова (6) може не виконуватись в різній мірі: бракує декілька відсотків, або декілька десятків відсотків. Так як синтез ефективних систем являється в значній мірі вибором компромісів , тому доцільна наявність інформації про ті варіанти, для яких бракує декілька відсотків та приймати відносно них компромісні рішення. Тому запропонована наступна методика вибору кодів та оцінки можливих компромісів, щодо смуги пропускання (рис. 15).

...