авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Многоканальные антенные системы сотовой связи нового поколения с оптимальной пространственно - частотной фильтрацией

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СКОРОДУМОВ АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ

сотовой связи нового поколения С оптимальной пространственно - частотной фильтрациЕЙ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2010

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиофизика, антенны и микроволновая техника» Московского авиационного института (государственного технического университета) - МАИ

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Пономарев Леонид Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бей Николай Арсеньевич

доктор технических наук, профессор Громаков Юрий Алексеевич

доктор физико-математических наук Калошин Вадим Анатольевич

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский институт радио» (НИИР), г.Москва

Защита состоится 8 июня 2010 года в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.125.03 Московского авиационного института (государственного технического университета) МАИ по адресу: Россия, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, т. 158-58-62.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) МАИ.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просьба выслать по адресу: Россия, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, МАИ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.125.03.

Автореферат разослан "___" ______________ 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.125.03

кандидат технических наук, доцент М.И. Сычев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегодня около 4,5 млрд. абонентов по всему миру пользуются услугами сотовой связи. Расширение спектра услуг, внедрение систем сотовой связи (ССС) нового поколения, развитие мобильного широкополосного доступа являются особенно важными для решения государственных задач по модернизации российской экономики и вовлечения населения нашей страны в мировое информационное сообщество.

Происходящий в настоящее время многократный рост трафика передачи данных вызывает необходимость ускоренного развития всей телекоммуникационной инфраструктуры. Существенное повышение пропускной способности ССС при экономически обоснованных затратах операторов может быть достигнуто внедрением новых, более совершенных технологий сотовой связи и широкополосного доступа (рис. 1).

Рис. 1. Технологии сотовой связи и широкополосного доступа

Перспективы широкого распространения мобильного широкополосного доступа и необходимость повышения пропускной способности ССС оказали большое влияние на решения Всемирной конференции радиосвязи 2007 года (ВКР-2007): в интересах развития сотовой связи на всемирной основе было дополнительно выделено 136 МГц в диапазонах 450…470 МГц, 790…862 МГц, 2300…2400 МГц и 3400…3600 МГц. Ранее для сетей сотовой связи было выделено около 400 МГц в диапазонах 806…900 МГц, 1710…1800 МГц, 1920…2170 МГц и 2500…2690 МГц. Общие же потребности ССС в радиочастотном ресурсе (РЧР) с учетом роста трафика передачи данных оцениваются в объеме около 1 300 МГц к 2015 году. Принимая во внимание российские особенности выделения радиочастотного ресурса для радиоэлектронных средств (РЭС) гражданского назначения, важнейшим условием успешного внедрения перспективных технологий сотовой связи является разработка предложений и рекомендаций по повышению эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС) в диапазонах, определенных на всемирной основе для развертывания ССС нового поколения [1]. Существенный вклад в области повышения эффективности использования радиочастотного спектра внесли российские ученые: Ю.Б. Зубарев, Ю.А. Громаков, М.А. Быховский, Л.Я.Кантор, В.Я.Канторович, М.Г.Локшин, О.Ю. Перфилов, Б.Г. Тележный, В.О. Тихвинский, Г.И. Трошин, В.Д. Челышев.



Необходимость повышения пропускной способности ССС нового поколения требует освоения все более высокочастотных диапазонов волн, в которых можно обеспечить широкие рабочие полосы частот. При этом уменьшение дальности распространении радиоволн с увеличением частоты вызывает сокращение радиуса сот и, соответственно, увеличение их числа. Для передачи служебной информации и обеспечения непрерывности радиосвязи при перемещении абонента из одной соты в другую приходится задействовать все более значительные сетевые ресурсы. С учетом глобального покрытия земной поверхности системами спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, российскими учеными предложен новый способ сотовой связи, в котором функция определения местоположения абонента переносится на абонентский терминал (АТ), что позволяет снизить нагрузку на инфраструктуру сети, повысить ее пропускную способность и сократить затраты на ее создание и эксплуатацию [2]. После получения координат абонента центр управления сетью передает команду на определенную базовую станцию (БС) установить с ним связь и сопровождать его перемещение путем соответствующего перенацеливания максимума диаграммы направленности (ДН) многолучевой антенны. Применение в составе базовых станций многолучевых антенн позволяет увеличить дальность связи по сравнению с секторными антеннами или антеннами с круговой диаграммой направленности, а также сократить время установления связи по сравнению с адаптивными антеннами. Исследования по реализации нового способа сотовой связи, запатентованного в России, США и Китае, ведутся в настоящее время в ОАО «Интеллект Телеком» совместно с компаниями «Nokia Siemens Networks» и «ZTE». Ключевым моментом исследований является создание многолучевых антенных систем, обеспечивающих пространственную фильтрацию сигналов.

Решение задачи повышения пропускной способности перспективных ССС и качества обслуживания абонентов особенно актуально для сложных условий распространения сигналов в условиях города. Для обеспечения связи в городе характерными являются случайные каналы с релеевскими замираниями амплитуды сигналов вследствие эффекта многолучевого распространения радиоволн и с доплеровской частотной дисперсией при перемещении абонентов. Релеевские замирания, обусловленные интерференцией большого числа рассеянных сигналов и сильным ослаблением основного сигнала, являются наиболее глубокими и приводят к увеличению вероятности ошибки при приеме сообщений [3]. При наличии нескольких антенн на передаче и приеме в реальных условиях распространения радиоволн существует несколько пространственных каналов, по которым можно осуществлять независимый обмен сообщениями, что и реализуется с помощью многоканальной технологии MIMO (Multiple Input - Multiple Output). C применением в перспективных ССС технологии MIMO (CCC-MIMO) уменьшение вероятности ошибки на бит принимаемого сообщения достигается разнесением сигнала на передаче и приеме, а повышение пропускной способности – использованием методов адаптивной пространственной обработки сигналов для обеспечения одновременного приема сообщений по нескольким независимым радиоканалам. Однако с увеличением числа независимых радиоканалов происходит снижение энергии на бит передаваемого сообщения и соответствующее повышение вероятности ошибки на бит принимаемого сообщения, что делает актуальным поиск компромисса между повышением пропускной способности CCC - MIMO и уменьшением вероятности ошибки на приеме [4].

Таким образом, успешное внедрение ССС нового поколения требует научно-обоснованных подходов к решению двух основных проблем их современного развития: выделение полос радиочастот в новых диапазонах и повышение спектральной эффективности существующих и разрабатываемых ССС. В диссертационной работе данные проблемы исследуются в комплексе, причем решение второй проблемы осуществляется применением многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией.

Применение методов пространственно-частотной фильтрации сигналов с использованием технологии MIMO, многолучевых адаптивных антенных систем с коммутируемыми лучами, высокодобротных полосно-пропускающих фильтров на основе материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП) позволяет увеличить энергетический потенциал радиолинии и пропускную способность перспективных ССС и, следовательно, повысить их спектральную эффективность. Для достижения данного результата наряду с внедрением передовых научных разработок требуется обеспечить всестороннее экономическое, нормативно-техническое и организационно-правовое сопровождение проектов по развертыванию перспективных ССС, в том числе – в области выделения радиочастотного ресурса (РЧР), частотно-территориального планирования, электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств, лицензирования, сертификации, межсетевого взаимодействия и конвергенции технологий.

Целью диссертационной работы является разработка теории, методов анализа и принципов построения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией для повышения спектральной эффективности ССС нового поколения.

Для достижения цели в диссертационной работе решены следующие научные задачи:

1. Проанализированы потребности сотовой связи в радиочастотном ресурсе и возможные способы повышения эффективности использования радиочастотного спектра, разработаны предложения по выделению радиочастотного ресурса в диапазоне 2,1 ГГц для развертывания систем сотовой связи третьего поколения в России.

2. Проведено исследование эффективности применения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов в перспективных системах сотовой связи в условиях многолучевого распространения радиоволн и воздействия помех, сосредоточенных по направлениям прихода.

3. Определены требования к характеристикам направленности многоканальных антенных систем базовых станций и абонентских терминалов с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов с учетом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс и эффектов взаимодействия элементов антенных решеток (АР), предложены варианты построения многоканальных антенных систем перспективных ССС.

4. Предложены и исследованы полифокальные антенные системы со сферическими диэлектрическими линзами, обоснована эффективность их применения в качестве широкополосных многоканальных антенных систем базовых станций перспективных ССС.

5. Исследованы характеристики канальных ВТСП фильтров и определены потенциальные возможности их применения для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприемном тракте базовой станции, пропускной способности и спектральной эффективности перспективных систем сотовой связи.

Методы исследования. При проведении исследований использовались теория дифракции электромагнитных волн, методы спектрального разложения канальных матриц по собственным векторам, аналитические методы оптимизации при заданных ограничениях, матричная теория взаимодействия излучателей антенных решеток, методы теории фильтров и адаптивных антенных решеток. Разработанные алгоритмы использовались для математического моделирования антенно-фильтрующих систем и численного исследования их электрических характеристик. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартного измерительного оборудования, в том числе и в ходе натурных испытаний на сетях сотовой связи в процессе их развертывания в России.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы определяется применением корректных математических методов и физических моделей, подтверждается хорошим соответствием теоретических результатов данным математического моделирования и экспериментальных исследований в ходе развертывания систем сотовой связи стандартов GSM и UMTS в России.





На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Повышение эффективности использования РЧС в диапазоне 2,1 ГГц позволяет развернуть на территории России четыре полнофункциональные ССС стандарта UMTS.

2. Теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов позволяет исследовать потенциальные возможности повышения спектральной эффективности ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн.

3. Многоканальные антенные системы с управляемыми диаграммами направленности позволяют повысить спектральную эффективность сотовой связи путем выбора радиоканала с максимальным собственным значением либо при соответствующем возбуждении радиоканалов с близкими собственными значениями.

4. Многоканальные антенные системы со сферическими диэлектрическими линзами, коммутируемыми облучателями и дополнительными цепями адаптации позволяют расширить возможности сотовой связи путем обеспечения работы базовой станции в широком секторе пространства и в нескольких диапазонах частот с усилением до 40 дБ.

5. Канальные фильтры 3-7 порядков, адаптированные к параметрам сигналов и помех на входе радиоприемного устройства базовой станции, позволяют повысить спектральную эффективность сотовой связи в 1,5 - 2 раза.

Научная новизна. В диссертационной работе развиты теория, методы анализа и принципы построения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией с целью повышения спектральной эффективности систем сотовой связи нового поколения, а именно:

1. Разработана теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов сотовой связи и исследованы потенциальные возможности повышения спектральной эффективности перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Выявлена зависимость спектральной эффективности ССС с многоканальными антенными системами от параметров пространственно-неоднородной радиотрассы, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода, определены закономерности и условия применения многоканальных антенных систем.

2. Разработан метод анализа адаптивных многоканальных антенных систем с учетом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода. Доказано, что повышение спектральной эффективности CCC нового поколения достигается применением многоканальных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности и обеспечивается выбором радиоканала с максимальным собственным значением в случае радиоканалов с существенно различными собственными значениями либо выбором соответствующего возбуждения радиоканалов с близкими собственными значениями.

3. Определены требования к характеристикам направленности антенных устройств базовых станций и абонентских терминалов перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Доказано, что применение многоканальных антенных систем повышает спектральную эффективность перспективных ССС в случае, когда ДН антенных устройств являются собственными ДН соответствующих радиоканалов, а отношение РC/(РШ+РП) на входе радиоприемного устройства превышает 10 дБ. Разработаны схемы и способы реализации ДН многоканальных антенных систем перспективных ССС, установлено, что собственные ДН радиоканалов являются аналогом ДН многолучевых антенн, но отличаются от них по своей форме и ориентации лучей, которые зависят от параметров пространственно-неоднородной радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода.

4. Предложен метод анализа полифокальных антенн со сферическими диэлектрическими линзами с произвольным амплитудно-фазовым распределением (АФР) возбуждающего поля, разработан численный алгоритм расчета их электродинамических характеристик. Проведены исследования и оптимизация электродинамических характеристик антенн с однородной, двухслойной и многослойной сферическими линзами с учетом потерь в диэлектрике и отражений от границ слоев. Обоснована эффективность применения многоканальных антенных систем со сферическими линзами из однородного диэлектрика с коммутируемыми облучателями и дополнительными цепями адаптации в БС перспективных ССС.

5. Разработан метод анализа характеристик канальных ВТСП фильтров с учетом параметров сигналов и помех в сетях сотовой связи разных стандартов. Определены потенциальные возможности применения канальных ВТСП фильтров для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприемном тракте базовых станций ССС стандартов GSM и UMTS, обоснована целесообразность использования канальных ВТСП фильтров для повышения пропускной способности и спектральной эффективности перспективных ССС.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что на основе разработанной теории и предложенных способов реализации многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией сигналов определены пути и возможности дальнейшего повышения спектральной эффективности систем сотовой связи нового поколения, что позволяет улучшить энергетические характеристики радиоканалов, расширить возможности частотно-территориального планирования и создает необходимые предпосылки для успешного развертывания перспективных систем сотовой связи. Результаты диссертационной работы использованы в ходе проектирования опытной зоны систем сотовой связи стандарта UMTS, при проведении исследований в области ЭМС и разработке норм частотно-территориального разноса (ЧТР), при обосновании конкурсных требований к претендентам и подготовке тендерных документов в ходе лицензирования операторской деятельности в сетях связи третьего поколения, явились основой для формирования научно-технической и нормативно-правовой политики органов государственного регулирования в области развития сотовой связи в Российской Федерации, а также нашли отражение в исследованиях, проводимых ОАО «Интеллект Телеком» по реализации нового способа сотовой связи. Результаты исследований были одобрены НТС Мининформсвязи России (протоколы №2-001 от 28.05.2001, № 5 от 11.07.2001 и № 7 от 16.01.2007), приняты к реализации решениями Государственной комиссией по радиочастотам (протоколы ГКРЧ № 4650-ОР от 12.02.2001, № 5702-ОР от 25.01.2002, № 32/5 от 24.02.2004, №06-17 от 23.10.2006, №07-21 от 25.06.2007) и постановлениями Коллегии Мининформсвязи России (протоколы № 5-КМ от 22.06.2007 и № 8-КМ от 16.10.2007), использовались в ходе развертывания систем сотовой связи стандарта UMTS на территории России.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.