Методика аналізу електромагнітної сумісності систем абонентського радіодоступу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.3.006.357

Методика аналізу електромагнітної сумісності систем абонентського радіодоступу

05.12.02 Телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Москалець Микола Вадимович

Харків 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Телекомунікаційні системи” Харківського національного університету радіоелектроніки.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Коляденко Юлія Юріївна,

докторант кафедри “Телекомунікаційні системи” Харківського національного університету

радіоелектроніки,

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Горобець Микола Миколайович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна;

завідувач кафедри прикладної електродинаміки.

кандидат технічних наук, доцент

Батаєв Олег Петрович, Українська державна академія залізничного транспорту,

доцент кафедри транспортного зв'язку.

Провідна установа :

Український науково-дослідний інститут радіо та телебачення Державного комітету зв'язку та інформатизації України, віділ “Радіочастот” (м.Одеса).

Захист відбудеться “21” червня 2006 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м.Харків, пр.Леніна 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166 м.Харків, пр.Леніна. 14.

Автореферат розісланий “19” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук

АНОТАЦІЯ

Москалець М.В. Методика аналізу електромагнітної сумісності систем абонентського радіодоступу - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи і мережі. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків 2006.

В дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача - розробка методики аналізу ЕМС в радіолініях САРД з метою прогнозування ЕМС РЕЗ САРД шляхом вибору відповідних критеріїв ЕМС та адекватних моделей, що враховують множинний імовірносний характер електромагнітної взаємодії мережних елементів САРД, на підставі яких будується методика аналізу. Показано, що методи аналізу ЕМС РЕЗ і методи експертних оцінок, що використовуються при введенні нових САРД і ґрунтуються на методиці розробленої для стаціонарних систем радіозв'язку, більше придатної для дуельних взаємодій. Аналіз таких методів показав, що для САРД детермінований підхід до аналізу ЕМС припустимий лише в окремих випадках. В умовах же динамічної і важко прогнозованої сигнально-завадової обстановки потрібен більш загальний стохастичний підхід, що дає можливість враховувати групові взаємодії. Таким чином, виникла необхідність удосконалення методики аналізу ЕМС. Запропонована методика аналізу ЕМС САРД базується на виборі критеріїв оцінки ЕМС САРД і адекватних моделях взаємодії мережних елементів САРД. Моделі взаємодії мережних елементів САРД містять моделі випадкового розміщення мережних елементів, моделі поширення радіохвиль САРД, модель динаміки взаємодії і фазових станів угруповань РЕЗ САРД. В якості найбільше важливих показників оцінки якості функціонування САРД рекомендовано вибрати: відношення сигнал/завада+шум; імовірність помилки в каналі зв'язку; пропускну здатність каналу.

Методика дає можливість фахівцям обґрунтовано проводити аналіз ЕМС угруповання мереж систем абонентського радіодоступу, оцінювати ЕМО вже діючих мереж і розробляти рекомендації з мереж, що розгортаються, здійснювати якісне планування мереж САРД із погляду виконання умов ЕМС.

Ключові слова: Електромагнітна сумісність, система абонентського радіодоступу, безпровідна мережа, угруповання радіоелектронних засобів.

АННОТАЦИЯ

Москалец Н. В. Методика анализа электромагнитной совместимости систем абонентского радиодоступа - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков 2006.

В диссертационной работе решена актуальная научно-прикладная задача - разработка методики анализа ЕМС в радиолиниях САРД с целью прогнозирования ЭМС РЭС САРД путем выбора соответствующих критериев ЭМС и адекватных моделей, которые учитывают множественный вероятностный характер электромагнитного взаимодействия сетевых элементов САРД, на основании которых строится методика анализа.

Показано, что методы анализа ЭМС РЭС и методы экспертных оценок, использующиеся при вводе новых САРД, основываются на методике, разработанной для стационарных систем радиосвязи больше пригодной для дуэльных взаимодействий. Анализ таких методов показал, что для САРД детерминированный подход к анализу ЭМС допустим лишь в частных случаях. В условиях же динамической, быстро изменяющейся и трудно прогнозируемой СПО требуется более общий стохастический подход, позволяющий учитывать групповые взаимодействия. Таким образом, возникла задача усовершенствования методики анализа ЭМС. Методика анализа ЭМС САРД базируется на выборе критериев оценки ЭМС САРД и адекватных моделях взаимодействия сетевых элементов САРД.

В качестве наиболее важных показателей оценки качества функционирования САРД рекомендовано выбрать: отношение сигнал/помеха+шум; вероятность ошибки в канале связи; пропускную способность канала. Перечисленные показатели являются центральными при рассмотрении вопросов ЭМС в диапазонах частот САРД и широко представлены в рекомендациях Европейских организаций.

Для создания методики анализа ЭМС группировки РЭС САРД разработано ряд моделей, среди которых: модель размещения группировки в офисе; модель взаимодействующих группировок; математическая модель динамических взаимодействий в группировке, связанных между собой элементов с учетом линейных и нелинейных взаимодействий; модель распространения радиоволн в зависимости от окружающей среды и типичных для офисной обстановки препятствий; модели приемник-передатчик при частотных несовпадениях.

По разработанной методике проведен анализ ЭМС САРД. Анализ с помощью машинного эксперимента проводился для различных ситуаций. Для проверки адекватности моделей взаимодействия проведены так же экспериментальные исследования. Натурный и расчетный эксперимент подтверждает адекватность математических моделей и работоспособность методики.

Методика дает возможность специалистам обоснованно проводить анализ ЭМС группировки сетей систем абонентского радиодоступа, оценивать ЭМО уже действующих сетей и разрабатывать рекомендации по вновь вводимым сетям, осуществлять качественное планирование сетей САРД с точки зрения выполнения условий ЭМС.

Ключевые слова: Электромагнитная совместимость, система абонентского радиодоступа, беспроводная сеть, группировка радиоэлектронных средств.

ABSTRACT

Moskalets N.V. A technique of the analysis of electromagnetic compatibility of systems of a user's radio-access - the manuscript.

Dissertational work on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.12.02 - telecommunication systems and networks - the Kharkov national university of radio electronics, Kharkov 2006.

In the dissertation actual applied sciences problem is solved. It is devoted to the development of a technique of the analysis of electromagnetic compatibility (EMC) of systems of a user's radio-access for the purpose prediction EMC of radio-electronics means of systems of a user's radio-access by choice corresponding criterions EMC and appropriate models which account plural probabilistic conditions of electromagnetic to influence of elements of systems of a user's radio-access according to develop the technique.

It is shown, that methods of the analysis EMC radio-electronics means and the methods of expert estimations used at input new systems of a user's radio access, are based on a technique developed for stationary systems of a radio communication more suitable for duel of interactions. The analysis of such methods has shown, for systems of a user's radio-access the determined approach to the analysis is allowable only in special cases. In conditions of dynamic, quickly changing and difficult predicted interferencing conditions the general stochastic approach is required more, allowing to take into account group interactions. Thus, there was a problem of improvement of a technique of the analysis electromagnetic compatibility. The technique of the analysis EMC systems of a user's radio-access is based on a choice of criteria of an estimation EMC of a user's radio-access and adequate models of interaction of network elements of a user's radio access. Models of interaction of network elements of a user's radio-access include models of casual accommodation of network elements, models of distribution of radiowaves systems of a user's radio access, model of dynamics of interaction and phase conditions of groupings radio electronics means of a user's radio access. In quality of the most important parameters of an estimation of quality of functioning systems of a user's radio-access it is recommended to choose: the attitude a signal to interference + noise ratio; probability of a mistake in a liaison channel; throughput of the channel.

The technique enables experts to carry out the analysis EMС groupings of wireless access networks, to estimate electromagnetic conditions already working networks and to develop recommendations on again entered networks, to carry out qualitative planning wireless access networks from the point of view of performance of conditions EMС.

Key words: Electromagnetic compatibility, system of a user's radio access, a wireless access network, a grouping of radio-electronic means.

радіолінія абонентський частота

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Системи абонентського радіодоступу (САРД) все більше здобувають популярність як серед фахівців, так і користувачів. Підвищену привабливість до таких систем викликають відносно невисокі витрати на організацію зв'язку, простота розгортання і згортання мережі, зручність експлуатації, гнучкість архітектури мережі та ін. Поряд з перевагами в таких системах існують і недоліки. Найбільш важливим серед яких є проблема електромагнітної сумісності (ЕМС), що виникає в результаті відкритості ефіру, а також у зв'язку з тим, що в діапазонах частот, які використовуються в САРД працюють і другі радіоелектронні системи: засоби радіозв'язку інших служб, медичні, промислові, побутові та інші установки. Природно, що в такій ситуації між системами радіозв'язку виникають завади та взаємні впливи. Особливо складна електромагнітна обстановка (ЕМО) може виникнути в угрупованнях радіоелектронних засобів (РЕЗ) САРД, в ділових і культурних центрах. Наприклад, у межах одного будинку чи офісу, можлива ситуація, коли діє декілька локальних безпровідних мереж. У результаті такого збільшення щільності РЕЗ на обмеженій території можуть значно порушуватись умови ЕМС. Порушення ЕМС проявляються в зниженні якості зв'язку, у збільшенні імовірності помилки, зниженні пропускної здатності каналу та ін. На даний час теорія ЕМС уже досить розроблена і, по суті, є класичною наукою. Разом з тим, в існуючих методиках аналізу ЕМС, що створювались в першу чергу для стаціонарних систем зв'язку, вид оцінки ЕМС РЕЗ в значній мірі має детермінований характер і зводиться до розгляду дуельної моделі впливів.

Для САРД детермінований підхід до аналізу ЕМС припустимий лише у випадках стаціонарної ЕМО. Особливість проблеми ЕМС для САРД пов'язана з тим, що РЕЗ цих систем утворять динамічну множину, ЕМО в якій швидко змінюється, з важко прогнозованою сигнально-завадовою обстановкою (СЗО). Це виключає можливість застосування дуельної детерміністської моделі, а вимагає розгляду результатів множинних випадкових взаємодій.

Таким чином, у рамках вирішення проблеми ЕМС САРД виникає актуальна науково-прикладна задача розробки методики аналізу ЕМС САРД з урахуванням відповідних критеріїв ЕМС та вибору адекватних моделей, що враховують множинні імовірнісні електромагнітні взаємодії мережних елементів САРД, на підставі яких будується методика аналізу.

Як відомо, методика - сукупність способів, форм, заходів, процедур, які можуть бути використані у визначенні логічної послідовності для ефективного рішення тієї чи іншої задачі. Існуючі методики аналізу та оцінки ЕМС спрямовані на вирішення задачі забезпечення спільної роботи РЕЗ різного призначення в умовах взаємних радіозавад на основі детерміністської моделі без істотного зниження ефективності їхнього функціонування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з рядом НДР та ДКР, що виконувались і виконуються Харківським національним університетом радіоелектроніки, зокрема, кафедрою телекомунікаційних систем за участю дисертанта, згідно з тематичним планом Центру “Укрчастотнагляд”. У результаті цих робіт були обрані математичні моделі розміщення мережних елементів САРД, математичні моделі взаємодії мережних елементів, моделі динаміки взаємодії і фазових станів, проведені дослідження з адекватності обраних моделей, розроблено методику аналізу ЕМС САРД. Дані розробки і дослідження використані в звітах по НДР та ДКР таких як, “Смуга 2003” (№ ДР 0103U004932, виконавець), “CАРД 2003” (№ 0103U007151 виконавець), “CАРД 2004” (№ 0105U002123 відповідальний виконавець).

Мета і задачі досліджень.

Мета досліджень. Розробка методики аналізу та прогнозування ЕМС САРД, яка враховує динаміку сигнально-завадової обстановки та множинний імовірнісний характер електромагнітної взаємодії між елементами мережі.

Задачі досліджень:

Проведення аналізу умов функціонування САРД і сигнально-завадової обстановки в смугах діапазону частот, які виділено для роботи САРД.

Розробка моделі множинних імовірнісних взаємодій в угрупованні РЕЗ САРД.

Вибір та обґрунтування прийнятних критеріїв оцінки ЕМС САРД.

Розробка методики аналізу ЕМС в радіолініях САРД на основі створених моделей.

Об'єктом досліджень є електромагнітні взаємодії в САРД і умови ЕМС у радіолініях цих систем.

Предметом досліджень є аналіз ЕМС між мережними елементами САРД в межах однієї мережі, а також ЕМС між мережами САРД.

Методами досліджень є методи системного аналізу, методи машинного моделювання типових структур в системах абонентського радіодоступу і функціональних особливостей процесів взаємодії в них, метод статистичного аналізу, методи теорії імовірностей, математичної статистики і теорії випадкових процесів, методи електродинаміки і статистичної радіофізики, методи математичного програмування та оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше розроблена структурно-функціональна математична модель стохастичного розміщення і групової взаємодії мережних елементів САРД з використанням методів Монте-Карло.

2. Для аналізу ЕМС САРД запропонована нелінійна модель взаємодії мережних елементів і динаміки фазових станів в угрупованні РЕЗ і проведено аналіз цих взаємодій в САРД.

3. Вперше розроблена методика аналізу і прогнозування ЕМС САРД з урахуванням групових методів взаємодії, за умов характерних для САРД особливостей поширення радіохвиль.

Практична значимість результатів полягає в тому, що розроблена методика забезпечує проведення досить повного аналізу умов ЕМС в угрупованнях РЕЗ САРД, оцінювати ЭМО вже діючих мереж і надавати рекомендації щодо мереж, які розгортаються. Дана методика протестована і отримано акт про впровадження регламентуючої організації “Центр Укрчастотнагляд”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто і опубліковані в роботах [1-9]. У роботі [1] автору належить аналіз критеріїв оцінки ЕМС і вибір найбільш важливих параметрів для оцінки ЕМС систем абонентського радіодоступу. У роботі [3] автору належить проведення аналізу ЕМС при взаємодії угруповань РЕЗ. У роботі [4] автору належить методика аналізу існуючих інформаційних систем радіочастотного моніторингу. У роботі [5] автору належить проведення аналізу граничних характеристик САРД в офісі. У роботі [6,7] автору належить вибір і обґрунтування математичних моделей розміщення мережних елементів. У роботі [8] автору належить розробка методики оцінки ЕМС систем абонентського радіодоступу. У роботі [9] автору належить проведення аналізу за розробленою методикою функціонування мереж в різних умовах. Усі публікації за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Результати доповідались на наукових семінарах кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ, а також на Міжнародній конференції 2 і 3-х Міжнародних радіоелектронних форумах 4,5,7. Усі доповіді за темою дисертації.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 робіт, у тому числі 5 робіт у фахових виданнях ВАК України [1,3,6,8,9]. Усі роботи - за темою дисертаційної роботи. Крім того, ці матеріали були опубліковані в тезах доповідей на конференціях [2,4,5,7].

Структура і обсяг роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних першоджерел і додатка. Повний обсяг дисертації складає 153 сторінки, у тому числі використаних першоджерел із 100 найменувань на 10-ти сторінках, 2 додатків на 15 сторінках, 53 рисунків, 6 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, подані інші необхідні характеристики дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено огляд існуючих принципів організації зв'язку в САРД. Огляд показав, що існує 4 основні методи організації, які відрізняються масштабом мережі і використанням їх для радіодоступу: в окремому приміщенні, в офісі, в мікрорайоні, приміській чи сільській місцевості. При цьому САРД, що орієнтовані на використанні в окремому приміщенні чи офісі використовують неліцензовані ділянки частотного спектру, інші - як правило, ліцензовані. Класифікація технологій САРД наведена на рис.1.

Одним з основних сегментів ринку устаткування WLAN (Wireless Local Area Network) складають рішення, орієнтовані на організацію внутріофісних мереж, призначених для створення безперервної зони покриття в межах офісного будинку. Таке щільне компонування устаткування неминуче призводить до виникнення проблеми ЕМС. Безпровідні мережі персонального радіовиклику WPAN (Wireless Personal Area Network) також додають складності в сигнально-завадову обстановку.

Дані технології призначені для роботи в середовищі з багатьма користувачами і при їх використанні в сусідніх офісах можливе виникнення завад різноманітним радіосистемам. Високошвидкісні системи широкополосного доступу BWA (Broadband Wireless Access) призначені для організації зв'язку в мікрорайоні і приміській зоні. Дані технології пропонують використання ліцензованих ділянок частотних діапазонів, що з одного боку полегшує сигнально-завадову обстановку в цих радіолініях, а з другого - великі енергопотенціали цих ліній також призводять до виникнення проблеми ЕМС

Як показує аналіз використання радіочастотного ресурсу, САРД спільно працюють у смугах частот із системами Фіксованої служби, Фіксованої супутникової служби, медичними і побутовими приладами, промисловими установками, що ще більше погіршує сигнально-завадову обстановку і створює проблему міжсистемної ЕМС.

Проведено огляд існуючих методик аналізу ЕМС РЕЗ. Огляд показав, що методи аналізу ЕМС РЕЗ і методи експертних оцінок, що використовуються при введенні нових САРД, ґрунтуються на методиці, розробленій для стаціонарних систем радіозв'язку, більше придатній для дуельних взаємодій. Аналіз таких методів показав, що для САРД детермінований підхід до аналізу ЕМС обмежено припустимий лише в окремих випадках. В умовах же динамічної і важко прогнозованої сигнально-завадової обстановки потрібно більш загальний стохастичний підхід, що дозволяє враховувати групові взаємодії. Таким чином, виникла задача удосконалення методики аналізу ЕМС, що має базуватись на групових методах взаємодії. Моделі групової взаємодії мережних елементів САРД повинні включати моделі випадкового розміщення цих елементів, моделі поширення радіохвиль (ПРХ) САРД, модель динаміки взаємодії і фазових станів угруповань РЕЗ САРД.

В другому розділі проведено огляд, обгрунтування і вибір критеріїв оцінки ЕМС САРД. Складність рішення цієї задачі пов'язана з тим, що в багатьох радіосистемах параметри корисних сигналів, шумів і завад є випадковими, а часто і нестаціонарними процесами з невідомими поточними характеристиками. Спектри частот корисних сигналів і завад, як правило, різні, з різним ступенем перекриття. Усе це стало причиною різноманіття критеріїв і неоднозначності в оцінці стану ЕМС.

У документах МСЕ (МСЕ-Р S.466, S.483, S.1429, S.1432, S.1560, S.1593, SF.356, SF.357, SF.615, SF.674, SF.1572, F.1094, F.1241, F.1331, F.1398, F.1565) регламентовані критерії оцінки ЕМС засновані на впливі завади на якісні показники передачі сигналу - імовірність помилки . Використовується також коефіцієнт надійності, що виражається у відсотках часу, протягом якого виконується вимога до якості , коефіцієнт зіпсованих секунд, зменшення пропускної здатності лінії чи системи в цілому та інш.

Одним з досить простих і універсальних методів оцінки стану ЕМС є використання захисного відношення. Захисним відношенням вважається мінімально припустиме відношення сигнал/завада, при якому якість зв'язку не погіршується

, (1)

де - рівень потужності сигналу, дБм; - рівень потужності завадового сигналу, дБм.

Разом з тим, поряд із простотою захисне відношення є досить наближеною оцінкою.

Найбільш строгим і обґрунтованим критерієм є критерій TD - поріг деградації приймача через вплив завади:

, (2)

де - мінімальний рівень потужності сигналу на вході приймача при наявності завади для заданої , дБм; РSR - чутливість приймача, дБм.

З рекомендованих методик відомо, що для захисту фіксованих ліній від адитивної завади величина TD не повинна перевищувати 1 дБ, при цьому завада повинна знаходитись нижче рівня шуму на 6 дБ. Даний критерій є досить жорстким, хоча і дає гарантований результат. Разом з тим, в існуючій динамічній сигнально-завадовій обстановці САРД його застосування неможливе, тому що потужності як сигналів, так і завад змінні в часі.

Для оцінки змінних у часі сигналів і завад надана рекомендація використовувати показник зменшення енергетичного запасу (Energy Margin Loss)

, (3)

де - значення відношення сигналу до шуму і відношення сигналу до суми шуму і завади при заданій для показника якості імовірності . Недоліком критерію EML є те, що при цьому не враховується ступінь збитку від завади з тією чи іншою частотно-часовою структурою.

Більш точним є урахування особливостей структури спектрів, що приводить до відношення згортки спектрів сигналу і завади:

, (4)

де - згортка спектра корисного сигналу з частотною смугою приймача, - згортка спектра завади з частотною смугою приймача, - спектральна густина потужності шуму в приймальному пристрої. Недоліком цього критерію є те, що на практиці такі залежності часто невідомі.

В умовах наявності групових випадкових впливів різних передавальних засобів і невизначеності аналітичної залежності рівня спектральної густини потужності цих впливів раціональним є використання простого, доступного для розрахунків критерія. В таких умовах доцільно використовувати критерій у вигляді показника відношення рівня корисного сигналу до суми завад і шуму (ВСЗШ):

. (5)

Критерій ВСЗШ менш точний у порівнянні з розглянутими вище критеріями для аналізу сигнально-завадової обстановки. Однак прирівнюючи потужність групової завади до потужності білого гаусівського шуму в смузі приймання можливість помилитись в той або в іншій бік буде мінімальною. Така апроксимація, вочевидь, призведе до дещо завищених показників, тобто реальна обстановка виявиться трохи кращою.

Таким чином, найбільш важливими показниками оцінки якості функціонування САРД рекомендовано вибрати: відношення сигнал/завада+шум; імовірність помилки в каналі зв'язку; пропускну здатність каналу. Перелічені показники є головними при розгляді питань ЕМС у діапазонах частот САРД і широко представлені в рекомендаціях Європейських організацій.

У третьому розділі розроблена узагальнена математична модель взаємодії РЕЗ САРД. Математична модель містить модель випадкового розміщення мережних елементів, моделі поширення радіохвиль (ПРХ) у залежності від зони, що досліджується, модель взаємодії за рахунок частотних розбіжностей сигналів і завад і модель динаміки взаємодії і фазових станів угруповань РЕЗ САРД (рис.2).

В якості моделі розміщення устаткування САРД запропоновано випадковий механізм з використанням методу Монте-Карло. Суть даної задачі полягає в тому, щоб в області обмеженої території вибрати випадково розподілені абонентські станції (АС) і точки радіодоступу (ТРД) з щільністю розподілу , де - кількість АС і ТРД. Для моделювання випадкового розміщення АС і ТРД генеруються їх координати з різними законами розподілу: рівномірним, нормальним або з використанням різних їх комбінацій.

В якості моделі ПРХ в радіолініях використана модель, заснована на рівнянні передачі, всі величини в дБ:

(6)

де - потужність прийнятого сигналу визначається в дБ; - потужність передавача в дБ; - відповідно: коефіцієнти підсилення передавальної і приймальної антен; - коефіцієнти корисної дії приймального і передавального фідерів; - загасання у вільному просторі; - втрати у вільному просторі; - додаткове загасання енергії сигналу.

Додаткові загасання енергії сигналу визначаються, виходячи з оточуючої обстановки і навколишніх предметів.

Для визначення додаткових згасань у міському середовищі, передмісті, сільській місцевості і відкритому просторі обрана напівемпірична модель Хата, для діапазону частот від 30 до 3000 МГц для стаціонарних і мобільних систем зв`язку, в якій враховано характер забудови. Якщо висоти передавальної і приймальної антен вище 30м, то рекомендується використовувати модель, викладену в рекомендації ITU-R P.1546.

Розрахунок додаткових загасань при ПРХ у будинку проводиться згідно з виразом, дБ:

, (7)

де - додаткове згасання, викликане впливом стін і перекриттів поверхів.

, (8)

де ; - втрати за рахунок впливу стіни (=8,38 дБ); - втрати за рахунок міжповерхових перекриттів (=18,3 дБ, =0,46); - довжина кімнати; - висота кожного поверху (за замовчуванням 3м); , - висоти передавальної та приймальної антен (м).

- додаткові втрати енергії сигналу при заповненні простору різними предметами, ( - коефіцієнт погонного загасання, що враховує заповнення простору різними предметами).

- випадковий компонент додаткового згасання, де - відображають відповідно: повільні і швидкі випадкові завмирання.

- додаткові втрати при повній частотній розбіжності завади і робочої смуги пропускання приймача, що виникають за рахунок нелінійних спотворень.

- додаткові втрати за рахунок часткової частотної розбіжності завади і робочої смуги пропускання приймача.

Розглянуті моделі нелінійних динамічних систем. Показано, що на практиці нелінійну динамічну систему можна розглядати у вигляді з'єднання двох частин - лінійної інерційної частини, що задається лінійними диференційними рівняннями і нелінійної безінерційної частини, що задається нелінійними алгебраїчними рівняннями. Розглянуто різні види апроксимації нелінійних частин системи: кусочно-лінійну апроксимацію, функціональну апроксимацію, ступінну апроксимацію. Розглянуто апроксимацію нелінійних динамічних систем у вигляді рядів Вольтерра.

У роботі показано, що аналіз взаємодій мережних елементів при частковій розбіжності частотних характеристик доцільно використовувати огинаючі (маски) АЧХ приймачів і АЧС сигналів, що задається у вигляді кусочно-лінійної функції частоти. Це обумовлено відносною простотою всіх розрахунків з використанням лінійних функцій. Така маска може бути розбита на декілька ділянок, причому, площа під кривою кожної ділянки являє собою його "внесок" у спектр сигналу.

Розроблено динамічну модель множинних взаємодій -елементів складної системи, в якій враховано рівень і характер міжелементних зв'язків і фазових станів.

Модель динамічних взаємодій і фазових станів угруповання РЕЗ САРД задається у вигляді:

, (9)

де - випадкові взаємодії , , , - число РЕЗ, апріорна імовірність розподілу ресурсу.

З використанням даної моделі стає можливим проведення аналізу динамічного поводження сукупності елементів системи при різному рівні лінійних і нелінійних взаємодій. Сукупний характер множинних взаємодій відображається нормованим значенням ВСЗШ - . Значення даного показника залежить, у свою чергу, від змінних параметрів ЕМО, зокрема від сумарного рівня завади, при якому відбуваються впливи з боку РЕЗ, відстаней між РЕЗ, наявності додаткових коефіцієнтів згасання і т.д.

На рис.3 представлені залежності взаємодії двох мереж при низьких (), середніх () та великих () значеннях інтенсивностей взаємодій.

При низьких інтенсивностях взаємодій припускається, що реальне значення ВСЗШ на багато більше мінімально допустимого. Номери кривих відповідають номеру мережі. З рис.3 видно, що при малих та різних значеннях залежність впливу між РЕЗ двох мереж практично лінійно зростає в часі і при подальшому збільшенні зростання припиняється. Друга мережа створює більший за потужністю загальний шумовий фон ніж перша, тому і .

При середніх значеннях (рис.3) відмічається стаціонарна, нерівноважна частина з послідовними помітними коливаннями в часі, що пов`язано з перерозподілом і обмеженням наявного ресурсу.

Проаналізована робота мережі у випадку збільшення значень інтенсивностей (рис.3), при яких система переходить межу насиченого стану. Отримані результати свідчать про те, що при достатньо великих значеннях параметру динаміка взаємодії РЕЗ стає непередбаченою: може виникати як різке збільшення взаємодії, так і різке зниження, характерне для тих ситуацій, які виникають в САРД при некерованому режимі доступу АС до ресурсів мережі. Як виявилось, критичним числом , при якому угруповання мереж ще не втрачає стійкості, є .

В області зміни стану системи можуть виявитися значними і неоднозначними при незначних змінах інтенсивностей взаємодії.

Даний аналіз дає можливість визначення рівноважного стану і стійкості динамічних взаємодіючих угруповань мереж САРД, при різних значеннях інтенсивності взаємодії .

У четвертому розділі на підставі обраних критеріїв ЕМС і запропонованих моделей взаємодії мережних елементів розроблено методику аналізу ЕМС САРД. Методика складається з наступних етапів.

1. Визначення складу і щільності угруповання РЕЗ САРД. Даний етап містить:

- аналіз кількості безпроводових мереж, ТРД, АС, що працюють у зоні взаємодії;

- формування угруповання РЕЗ САРД у межах територіальної зони;

- визначення робочих частотних каналів РЕЗ функціонуючих САРД;

оцінка щільності розміщення РЕЗ САРД.

Вибір математичної моделі взаємодії елементів САРД. Даний етап містить:

- вибір математичної моделі ПРХ (вибір проводиться виходячи з аналізу умов використання САРД: у міській місцевості, у сільській місцевості, чи у приміщенні у середині будинку);

вибір математичної моделі випадкового розміщення мережних елементів згідно з методом Монте-Карло;

вибір математичної моделі частотних розбіжностей АЧС сигналів і АЧХ приймачів САРД;

вибір параметрів моделі нелінійної динамічної системи (оцінка інтермодуляційного впливу і блокування);

вибір параметрів моделі динаміки взаємодії та фазових станів угруповань РЕЗ САРД (оцінка імовірнісної характеристики якості функціонування САРД).

Розрахунок енергетики корисного сигналу і завад. Для прогнозування ЕМС зі складу угруповання вибирається приймальний пристрій САРД і довкола нього формується угруповання діючих станцій, що попадають у зону взаємодії. При цьому, під зоною взаємодії мається на увазі територіальна зона, у межах якої можуть існувати взаємні завади між діючими РЕЗ САРД. Зі складу угруповання формуються всі можливі пари “приймач - передавач”. Після цього проводиться визначення відстані між парою РЕЗ.

З огляду на специфічність роботи САРД, доцільно розглядати вплив завади на приймач від основного випромінювання передавача по основному каналу приймання і інтермодуляційний вплив.

Розрахунок завади по основному каналу приймання аналізується за умови впливу максимально можливого рівня завади на вході приймача коли:

1) частоти каналу випромінювання і приймання збігаються;

2) весь спектр потужності завади, що випромінюється передавачем, приймається приймачем;

3) коефіцієнти підсилення передавальної і приймальної антен взаємодіючих РЕЗ максимальні.

Розрахунок рівня завади і шуму по основному каналу приймання проводиться для всіх пар РЕЗ угруповань.

Далі проводиться аналіз існуючої ЕМО з метою визначення характеру впливу діючих завад, оцінки результатів цього впливу і вирішення питання - чи забезпечується ЕМС.

Комплексна оцінка ЕМС угруповання РЕЗ САРД. Цей етап передбачає урахування впливу завад, що обумовлено функціонуванням усієї сукупності РЕЗ, які належать угрупованню САРД. Комплексна оцінка базується на використанні групової оцінки, групова -- на використанні парної оцінок ЕМС. Таким чином, цей метод базується на використанні результатів розрахунку, отриманих за допомогою парного і групового методів і стосовно них є більш високою ієрархічною ланкою, що дає системну оцінку ЕМС РЕЗ.

5. Визначення граничних рівнів впливів РЕЗ САРД. Після визначення сумарного рівня завад і шуму всієї сукупності РЕЗ угруповання САРД проводиться розрахунок граничних значень рівнів впливів і ймовірнісної характеристики якості функціонування елементів і груп САРД в сформованій ЕМО. Після цього здійснюється порівняння отриманого значення ВСЗШ із граничним (граничним значенням рівня впливу). Якщо поріг перевищено здійснюється розробка науково-технічних рекомендацій щодо поліпшення умов виконання ЕМС. Якщо поріг не перевищено, що може означати нормальне функціонування САРД, то здійснюється оцінка інтермодуляційного впливу.

6. Розрахунок інтермодуляційних завад. При розрахунку інтермодуляційних завад зі складу угруповання формуються групи “приймач два передавачі” і “приймач три передавачі”. Потім проводиться розрахунок інтермодуляційної завади на вході приймача розглянутої групи. Якщо завада має місце, то формується таблиця завад інтермодуляції. У випадку існування інтермодуляційних завад також надаються рекомендації щодо забезпечення ЕМС. При їхній відсутності здійснюється перевірка умови - чи всі приймачі розглянутої САРД проаналізовані.

Алгоритм методики аналізу ЕМС РЕЗ САРД наведено на рис. 4.

За розробленою методикою проведено аналіз ЕМС САРД. Аналіз за допомогою машинного експерименту проводився для різних ситуацій. Для перевірки адекватності моделей взаємодії проведені натурні експериментальні дослідження. На рис. 5а наведено графіки залежності пропускної здатності від відстані між приймачем і передавачем корисного сигналу, одержані за допомогою математичного моделювання. Криві 1, 2 і 3 (рис. 5а) відповідають випадкам впливу одного, двох і трьох джерел завад.

На рис. 5б наведено графік залежності пропускної здатності в каналі мережі від часу, яка отримана при натурному експерименті, при трьох джерелах завад и при відстані між приймачем і передавачем корисного сигналу 10 м. На графіку показані дані середнього значення пропускної здатності в мережі Rx avg: 2,9 Мбит/с. Середнє значення пропускної здатності 2,9 Мбит/с співпадає із значенням пропускної здатності, що отримано за допомогою математичного моделювання на рис. 5а при відстані 10 м між приймачем і передавачем.

Таким чином, можна зробити висновок, що натурний і розрахунковий експеримент підтверджує достовірність математичної моделі і працездатність методики.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача - розробка методики аналізу ЕМС в радіолініях САРД з метою прогнозування ЕМС РЕЗ САРД шляхом вибору відповідних критеріїв ЕМС та адекватних моделей, що враховують множинний імовірносний характер електромагнітної взаємодії мережних елементів САРД, на підставі яких будується методика аналізу.

Це дає можливість оцінювати ЭМО вже діючих мереж, прогнозувати ЕМС і надавати рекомендації щодо мереж, які розгортаються, що в цілому підвищить якість функціонування РЕЗ САРД.

Основною відмінною рисою розробленої в дисертації методики є те, що вона базується на імовірнісній моделі множинних взаємодій великої кількості випадково розташованих приймально-передавальних елементів у відмінності від відомих методик, де випадковий механізм враховується в основному лише, в умовах поширення радіохвиль і деяких інших параметрах, детерміновано заданих, при фіксовано і стаціонарно розташованих об'єктах взаємодії. Випадковість також укладена і у самій сигнально-завадовій обстановці, що є досить складною в САРД у неліцензованих діапазонах частот. Таким чином, розроблена методика аналізу ЭМС, що враховує випадковість мінливих параметрів ЕМО, дає можливість проведення більш якісної оцінки функціонування того чи іншого РЕЗ, чи мережі САРД в цілому.

При цьому в дисертаційній роботі отримані такі основні результати.

1. Проведено аналіз сигнально-завадової обстановки в угрупованні РЕЗ САРД. У результаті аналізу виявилось, що незважаючи на цілий ряд заходів по підвищенню завадостійкості, які засновані в САРД, включаючи послідовну перебудову по частоті, методи кодування, протокол управління потужністю та інші частотно-часові заходи, рівень завад може виявитись досить значним, і може перевищувати на 10-20 дБ рівень корисних сигналів. Серед завад, що погіршують сигнально-завадову обстановку основними є:

- міжсистемні завади, що виникають між різними САРД, розташованими в сусідніх офісах чи у територіальній зоні взаємодії;

- завади між РЕЗ різних призначень, до числа яких відносяться індустріальні завади, завади від побутових, медичних чи інших засобів;

- внутрішньосистемні завади, що виникають за рахунок продуктів нелінійностей у різних трактах САРД.

2. Проаналізована особливість функціонування РЕЗ в угрупованнях САРД і структури угруповань РЕЗ, що утвориться в результаті організації офісних телекомунікаційних систем. Стосовно до складу і особливостей функціонування угруповання РЕЗ САРД, виявилось, що широко застосовувані методики аналізу ЕМО і методики розрахунку параметрів ЕМС безпосередньо на зазначені угруповання не можуть бути поширені в першу чергу через випадкове розташування випромінюючих і приймаючих РЕЗ, динаміки їхнього функціонування, неможливості використання детерміністських вихідних даних, а також множинного характеру зазначених взаємодій. Для аналізу ЕМО і розрахунку параметрів ЕМС необхідно перейти від дуельного розгляду взаємодії з конкретно зазначеними параметрами до завдання і аналізу імовірнісних характеристик як по розміщенню взаємодіючих елементів, так і по результатах цих взаємодій. Таким чином, виникла необхідність переглянути критерії, що характеризують якісні і кількісні характеристики електромагнітних взаємодій.

3. У результаті розгляду і аналізу критеріїв ЕМС, які використовуються у різних методиках показано, що критерії, які зводяться до розрахунку захисного відношення, граничного еквівалентного зростання і т.д. не підходять у силу того, що для їхнього використання потрібно застосовувати велику кількість апріорних даних про параметри взаємодіючих елементів чи про детерміністські механізми взаємодії деяких параметрів РЕЗ. Безпосереднє застосування даних критеріїв до методики, заснованої на імовірнісних механізмах взаємодії, пов`язане з великими помилками. Тому в роботі прийнято використовувати критерій, заснований на виборі припустимого рівня ВСЗШ, що також є певним наближенням, але його використання значно спрощує аналіз ЕМО і розрахунок параметрів ЕМС.

4. Для створення методики аналізу ЕМС угруповання РЕЗ САРД необхідно було розробити ряд моделей серед яких:

моделі розміщення угруповання;

моделі взаємодіючих угруповань;

математична модель динамічних взаємодій в угрупованнях елементів САРД, як з наявністю лінійних і нелінійних впливів;

модель поширення радіохвиль у залежності від навколишнього середовища і типових завад;

моделі електромагнітних взаємодій в тракті приймача при наявності частотних розбіжностей сигналу та завади.

Суть цих моделей у наступному:

а) модель розміщення елементів САРД являє собою випадково розташовані в просторі по визначеному закону взаємодіючі елементи. В якості законів використані рівномірні, гаусівські, подвійні гаусівські і ін. Групова взаємодія між цими елементами моделюється за допомогою методу Монте-Карло, що дозволяє одержувати стійкі результати, які є притаманні обраному варіанту того чи іншого закону;

б) модель взаємодіючих угруповань припускає наявність множинних взаємодій між угрупованнями, розташованими в різних рівнях, у межах сусідніх поверхів з урахуванням параметрів окремих угруповань і відстаней між ними;

в) розроблена динамічна модель множинних взаємодій -елементів складної системи, у якій враховано характер міжелементних зв'язків і фазових станів. З використанням даної моделі стає можливим проведення аналізу динамічного поводження сукупності елементів системи при різному рівні лінійних і нелінійних взаємодій. Сукупний характер множинних взаємодій відображено нормованим значенням ВСЗШ- . Значення даного показника залежить, у свою чергу, від мінливих параметрів ЕМО, зокрема від сумарного рівня завади, при якій відбуваються вплив з боку РЕЗ, відстаней між РЕЗ, що впливають, наявністю додаткових коефіцієнтів загасання сигналів і завад і т.д.;

г) модель ПРХ базується на класичному рівнянні передачі. Модернізація даного рівняння полягала в тому, що в показнику додаткового загасання були враховані параметри стін, міжповерхових перекриттів та інших будівельних конструкцій;

д) проведені експериментальні дослідження метою, яких була перевірка адекватності обраних моделей. Натурний і розрахунковий експеримент підтверджує математичні моделі і працездатність методики.

5. На основі аналізу сигнально-завадової обстановки в САРД і додаткових машинних експериментах розроблена методика аналізу ЕМС у радіолініях САРД, що дозволяє враховувати випадкове розміщення мережних елементів САРД, розподіл щільності розміщення елементів мереж, особливості ПРХ у залежності від умов використання САРД, а також робити розрахунок ВСЗШ в угрупованнях РЕЗ САРД з урахуванням ймовірнісно-статистичного підходу на базі методу Монте-Карло, що кардинально відрізняє її від відомих методик з детерміністською оцінкою ЕМО. Особливістю розробленої методики є визначення граничних рівнів групових впливів, при яких САРД може втратити стійкість унаслідок зменшення критерію ВСЗШ нижче припустимого значення для кожного мережного елемента. Після розрахунку ВСЗШ відповідно до розробленої методики визначаються пропускні здібності каналів і імовірнісна характеристика якості функціонування, відповідно до якої оцінюється реальна можливість функціонування мережі в сформованій ЕМО. Методика дає можливість фахівцям обґрунтовано проводити аналіз ЕМС угруповання мереж САРД, оцінювати ЕМО вже діючих мереж і розробляти рекомендації для мереж, що розгортаються, здійснювати якісне планування мереж САРД з погляду виконання умов ЕМС. Дана методика протестована і отримано акт про впровадження регламентуючої організації “Центр Укрчастотнагляд”.

6. Подальший розвиток тематики даних дисертаційних досліджень може йти в напрямку створення інженерної методики, що буде розроблена для кожного типу САРД, з розробкою кінцевого програмного продукту, що може бути зареєстрований і рекомендований для практичного використання для планування та моніторингу мереж САРД .

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1 Коляденко Ю.Ю., Москалец Н.В. Выбор критериев для оценки электромагнитной совместимости систем абонентского радиодоступа // Східно-Європейський журнал передових технологій. - Харьков, 2005. - № 7/2 (15). - С. 102-104.

2 Москалец Н.В. О фильтрации сигналов близких по частоте // Тез. докл. 7-я Международная научная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации".- Харьков: ХНУРЭ, 2001. - С. 66-67.

3 Олейник В.Ф., Москалец Н.В. Условия электромагнитной совместимости при взаимодействии в группировке радиоэлектронных средств // Проблемы транспорта. - Харьков: Международная академия транспорта, 2003. - Выпуск 8.- С.281 - 288.

4 Блинов В.С., Москалец Н.В. Системные аспекты создания информационной системы радиочастотного мониторинга. // Сб. науч. тр.- 1-й Международного Радиоэлектронного Форума “Прикладная радиоэлектроника. Cостояние и перспективы развития”.- Харьков: ХНУРЭ. - 2002.-№ 1.- с.527-530.

5 Корсак В.Ф., Москалец Н.В Исследование предельных характеристик с точки зрения ЭМС при расположении САРД в офисе // Тез. докл. 8-й международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в 21-м веке”.- Харьков: ХНУРЭ. - 2004. - с.98.

6 Коляденко Ю.Ю., Корсак В.Ф., Москалец Н.В. Анализ эффективности по критерию электромагнитной совместимости системы абонентского радиодоступа // Праці УНДІРТ. Теоретичний та науково-практичний журнал радіозв'язку, радіомовлення і телебачення. - Одеса: УНДІРТ.- 2004. - № 4(40). - с. 53-58.

7 Коваленко А.В., Москалец Н.В. Оценка взаимных влияний в системах абонентского радиодоступа // Тез. докл. 9-й международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в 21-м веке”. -Харьков:ХНУРЭ. -2005. - с.88.

8 Коляденко Ю.Ю., Москалец Н.В. Анализ электромагнитной совместимости группировки беспроводных локальных сетей // Радиотехника. Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - Харьков: ХНУРЭ.- 2005. - Вып. 142. - С. 135-141.

9 Коляденко Ю.Ю, Москалец Н.В. Оценка взаимных влияний в системах абонентского радиодоступа в условиях распространения радиоволн в городской среде // Східно-Європейський журнал передових технологій. - Харьков, 2005. - № 3/2 (15). - C. 102-104.

Размещено на Allbest.ru

...