Оптимизация построения цифровых радиолиний и сетей фиксированной наземной радиосвязи в условиях воздействия внутрисистемных помех

На правах рукописи

ДАНИЛОВИЧ

Дмитрий Андреевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ

ЦИФРОВЫХ РАДИОЛИНИЙ И СЕТЕЙ ФИКСИРОВАННОЙ НАЗЕМНОЙ РАДИОСВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНУТРИСИСТЕМНЫХ ПОМЕХ

Специальности 05.13.01 – Системный анализ,

управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт - Петербург

2009

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель Сиверс Мстислав Аркадьевич

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты Семенов Георгий Алексеевич

кандидат технических наук, доцент

Попов Евгений Александрович

Ведущая организация ВАС им. С.М. Буденного

Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «___» ____________ 2009 г. в ______ часов

на заседании диссертационного совета Д 219.004.02

при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «____» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Специфические особенности территории России, слабо развитая инфраструктура связи во многих регионах страны, а также экономическая целесообразность обуславливают перспективу широкого использования беспроводных технологий на транспортных сетях связи и в сетях доступа.

«Транспортное» направление беспроводной связи ориентировано в основном на использование цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ) плезиохронной (PDH) и синхронной (SDH) иерархий, входящих в состав магистральных и внутризоновых сетей, а также местных сетей и сетей технологической связи c различной топологией. В настоящее время ЦРРЛ работают в широком диапазоне частот от 160 МГц до 38 ГГц и даже выше.

В сравнении с волоконно - оптическим линиям связи (ВОЛС) ЦРРЛ выгодно отличаются слабой зависимостью от природно - географических условий, высокой надежностью линейного тракта и меньшими капитальными затратами при строительстве.

При этом в соответствии с современными рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ) требования к показателям качества передачи являются одинаковыми как для ВОЛС, так и для ЦРРЛ, поэтому с точки зрения качественных показателей ВОЛС и ЦРРЛ не должны отличаться.

Следует также отметить полную совместимость ВОЛС и ЦРРЛ при построении современных транспортных сетей связи, а также наличие свободного частотного ресурса в большинстве районов страны, что способствует широкому применению ЦРРЛ на сетях связи России.

Беспроводные сети доступа формируются на основе систем подвижной связи (СПС) и систем беспроводного широкополосного доступа (БШД). При этом развитие и совершенствование СПС и БШД стимулирует строительство высокоскоростных и надежных транспортных сетей на основе ЦРРЛ для соединения базовых станций и передачи их трафика магистральным сетям и узлам коммутации.

Важной задачей при построении любых беспроводных систем связи является повышение эффективности использования частотного ресурса, которое обеспечивается, прежде всего, за счет повторного использования частот на линиях и в сетях радиосвязи.

Во всех случаях повторное использование частот неизбежно ведет к увеличению уровней внутрисистемных помех, непосредственно влияющих на показатели качества передачи, поэтому учет влияния указанных помех является одной из основных задач при проектировании ЦРРЛ и сетей радиосвязи.

Основным методом борьбы с внутрисистемными помехами при заданных характеристиках радиорелейного оборудования и антенн является оптимизация выбора проектного решения на основе адекватного учета влияния внутрисистемных помех.

Помимо внутрисистемных помех при проектировании ЦРРЛ и сетей радиосвязи следует учитывать их влияния на региональную электромагнитную обстановку (ЭМО).

В реальных условиях проектирования многоинтервальных ЦРРЛ и сетей радиосвязи часто имеют место дополнительные неформальные или трудно формализуемые ограничения, которые во многих случаях даже не известны на этапе проектирования. В этих условиях наряду с оптимальным решением рассматриваемой задачи оптимизации желательно иметь еще несколько ранжированных лучших вариантов ее решений с тем, чтобы на завершающем этапе можно было выбрать наилучший вариант решения с учетом всех дополнительных ограничений, не вошедших в математическую модель задачи. Таким образом, практический интерес представляют задачи многовариантной оптимизации построения ЦРРЛ и сетей радиосвязи.

В настоящее время в литературе отсутствуют решения основных задач многовариантной оптимизации построения цифровых РРЛ и сетей радиосвязи с учетом влияния внутрисистемных помех.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является моделирование и разработка алгоритмов решения задач многовариантной оптимизации построения многоинтервальных цифровых радиорелейных линий и сетей фиксированной радиосвязи со звездообразной и кольцевой топологией с учетом влияния внутрисистемных помех.

Для достижения этой цели сформулированы и решены следующие задачи:

- разработка усовершенствованных моделей и исследование на их основе влияния внутрисистемных помех на многоинтервальных ЦРРЛ и в сетях местной и технологической радиосвязи;

- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на многоинтервальных ЦРРЛ;

- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ;

- моделирование и решение задачи многовариантной совместной оптимизации выбора размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;

- моделирование и решение задачи оптимизации характеристик ответвления от существующей многоинтервальной ЦРРЛ с учетом влияния взаимных помех;

- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- моделирование и решение задачи многовариантной совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- моделирование и решение задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией;

- оценка эффективности разработанных алгоритмов оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ и сетей радиосвязи.

Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, математической статистики, математического моделирования, а также методы дискретной оптимизации, основанные на принципах динамического программирования.

Прикладное программное обеспечение, необходимое для моделирования многоинтервальных участков ЦРРЛ, сетей фиксированной радиосвязи и проведения вычислительных экспериментов, реализовано в среде Visual Basic.

Научная новизна. В диссертации впервые решены основные задачи многовариантной оптимизации построения цифровых РРЛ и сетей радиосвязи с учетом влияния внутрисистемных помех. При этом получены следующие новые научные результаты:

- исследовано влияние внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на многоинтервальных ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной совместной оптимизации размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации характеристик ответвления от существующей многоинтервальной ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации мощностей передатчиков на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- разработаны методика и алгоритм решения задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией;

- исследована эффективность многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ и характеристик ответвлений от существующих ЦРРЛ;

- исследована эффективность оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией.

Практическая ценность.

Основными результатами диссертационной работы, имеющими очевидную практическую значимость, являются:

- результаты исследования влияния внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией;

- программное обеспечение для решения задач многовариантной оптимизации размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;

- программное обеспечение для решения задач многовариантной оптимизации мощностей передатчиков и частотно - территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- результаты оценки эффективности разработанных алгоритмов оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ и сетей связи со звездообразной топологией, подтверждающие высокую эффективность указанных алгоритмов.

Указанные результаты могут быть использованы в проектных организациях и подразделениях при автоматизированном проектировании многоинтервальных ЦРРЛ, а также местных и технологических сетей радиосвязи со звездообразной топологией. Кроме того, полученные в диссертации результаты могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий.

Достоверность полученных результатов обеспечена: учетом реальных условий оптимального проектирования многоинтервальных ЦРРЛ и сетей местной и технологической связи при разработке математических моделей рассматриваемых задач оптимизации; учетом статистических характеристик распространения радиоволн и особенностей влияния внутрисистемных помех различного вида на ЦРРЛ и в сетях радиосвязи; использованием математического аппарата, обеспечивающего нахождение заданного числа точных решений рассматриваемых задач многовариантной оптимизации; непротиворечивостью полученных теоретических результатов и результатов многочисленных вычислительных и натурных экспериментов; апробацией основных полученных результатов в печатных трудах, на международном симпозиуме и научно-технических конференциях.

Личный вклад автора. Все основные научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, а также результаты вычислительных и натурных экспериментов, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Реализация результатов работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в практической деятельности ЗАО "Радиан" (Санкт-Петербург) и в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь», а также на НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 2008 и 2009 гг.

По результатам диссертации опубликованы 7 печатных работ, из них 3 в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования влияния внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией.

2. Математические модели и алгоритмы решения задач многовариантной оптимизации выбора мощностей передатчиков, размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ.

3. Математические модели и алгоритмы решения задач многовариантной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией.

4. Методика и алгоритм решения задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией.

5. Результаты оценки эффективности многовариантной оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ, а также местных и технологических сетей со звездообразной топологией.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Работа содержит 151 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 74 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи работы, кратко изложено содержание работы по главам, приведены сведения об апробации результатов работы, сформулированы выносимые на защиту основные положения, отражающие научную новизну и практическую значимость результатов проведенных исследований.

В первой главе представлены результаты исследования влияния внутрисистемных помех от сигналов обратного направления и узлообразования на радиорелейных линиях с линейными трассами и трассами с ответвлениями, а также в местных сетях радиосвязи со звездообразной топологией. При этом рассмотрены возможности использования антенн с разными характеристиками направленности и автоматической регулировки мощности передатчиков. Отличительной особенностью всех проведенных исследований является учет различного характера влияния теплового шума и внутрисистемных помех, а также зависимости битового коэффициента ошибок BER(SES) от скорости передачи информации.

В общем случае с учетом внутрисистемных помех запас на плоские замирания на интервале для значения битового коэффициента ошибок BER = BER(SES), соответствующего сильно пораженным (ошибками) секундам (SES), определяется выражением, дБ:

, (1)

где – средний уровень принимаемого сигнала при номинальной мощности передатчика, дБм; – пороговый уровень приемника для BER = BER(SES), дБм;

– деградация запаса на плоские замирания из-за влияния внутрисистемных помех для BER(SES), зависящая от уровня внутрисистемных помех на интервале, дБ,

Для расчета энергетических характеристик интервалов ЦРРЛ с учетом указанных выше особенностей разработана программа РЭПИ-ЦРРЛ, обеспечивающая широкие возможности для автоматизированного исследования влияния внутрисистемных помех.

На многоинтервальных линейных трассах ЦРРЛ с достаточной зигзагообразностью при использовании двухчастотных планов внутрисистемные помехи возникают из-за влияния сигналов обратного направления (СОН). При этом уровни суммарной средней мощности помех на интервале n для направлений слева-направо и справа-налево, определяются соответственно выражениями, дБм:

, (2)

, (3)

где и , и – соответственно средние мощности помех от сигналов обратного направления 1-го и 2-го видов для направлений слева-направо и справа-налево, дБм.

Были выполнены вычислительные эксперименты, в результате которых исследованы зависимости запаса на замирания и величины его деградации на линейных трассах ЦРРЛ от соотношения длин соседних интервалов и характеристик направленности антенн, а также от диапазона АРМП (рис. 1, 2).

Вычислительные эксперименты проводились для среднескоростных ЦРРЛ диапазона частот 7 ГГц. Результаты этих экспериментов позволяют сделать следующие основные выводы:

- даже при использовании антенн с высокими характеристиками направленности (типа НР) с коэффициентом защитного действия B > 60 дБ деградация запаса на замирания может достигать больших значений, превышающих 5 – 7 дБ, что обуславливает обязательный учет ее при проектировании многоинтервальных ЦРРЛ с двухчастотными планами при использовании оборудования без АРМП;

- применение стандартных антенн с В

- полученные зависимости деградации запаса на замирания от соотношения длин соседних интервалов качественно подтверждают известные ранее результаты, однако использование усовершенствованной модели влияния СОН позволило повысить точность оценки величины деградации на 1 – 3 дБ;

- при использовании оборудования с АРМП применение стандартных антенн в условиях, когда длины соседних интервалов не меньше длины рассматриваемого интервала, возможно лишь в случае, если диапазон АРМП не менее 20 дБ, а в случае коротких соседних интервалов – не менее 25 дБ, поэтому диапазон АРМП 20 дБ, используемый в большинстве радиорелейных систем, во многих случаях может оказаться недостаточным;

- при использовании антенн НР для эффективного ослабления помех от сигналов обратного направления диапазон АРМП, как правило, должен быть не меньше 10 – 15 дБ.