Управление самоорганизующимися пакетными радиосетями на основе радиостанций с направленными антеннами

На правах рукописи

Фокин

Григорий Алексеевич

Управление

самоорганизующимися пакетными радиосетями

на основе радиостанций

с направленными антеннАми

Специальность 05.13.13. –

телекоммуникационные системы

и компьютерные сети

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 руководитель	доктор технических наук, профессор Валерий Юрьевич Бабков
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, проф. Михаил Александрович Семисошенко кандидат технических наук, с.н.с. Валерий Алексеевич Степанец
Ведущая организация	ФГУП ЛОНИИР (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. р. 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. Самоорганизующиеся пакетные радиосети (СПРс) представляют собой динамическую самоорганизующуюся топологию построения сетей мобильной радиосвязи, предполагающую отсутствие фиксированной инфраструктуры и централизованного управления. Все узлы сети мобильны и обмениваются информацией непосредственно между собой или применяют ретрансляцию передаваемых пакетов. Под узлами самоорганизующейся пакетной радиосети понимаются радиостанции, оснащенные радиоконтроллерами и реализующие функции маршрутизации.

В настоящее время самоорганизующиеся пакетные радиосети находятся вне конкуренции по оперативности развертывания, мобильности и широте возможных приложений, а во многих случаях представляют собой единственное экономически оправданное решение.

Известными недостатками работы самоорганизующихся радиосетей на основе радиостанций с ненаправленными антеннами является невозможность обеспечения современных требований к качеству обслуживания вследствие необходимости ретрансляций, непостоянство пропускной способности радиоканала, зависимость пропускной способности от расстояния между подвижными радиостанциями, мощности передачи, количества соседних узлов и уровня создаваемого ими трафика и т.д.

Современные тенденции совершенствования самоорганизующихся пакетных радиосетей заключаются в применении адаптивных антенных систем, которые позволяют повысить пропускную способность радиосети и качество обслуживания пользователей.

Для практической реализации указанных выше преимуществ необходима разработка соответствующих алгоритмов управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности. В связи с этим тема работы представляется весьма актуальной.

Объектом исследования является пакетная сеть с децентрализованным управлением, построенная на распределенных по территории радиостанциях.

Предметом исследования являются вопросы функционирования радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети.

Цель диссертационной работы является повышение связности и пропускной способности самоорганизующихся пакетных радиосетей.

Научной задачей является разработка методик оценки связности, пропускной способности и алгоритма управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны самоорганизующейся пакетной радиосети.

Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы специальных математических функций, интегрального исчисления, теории антенных решеток, теории вероятностей и имитационного моделирования.

Достоверность полученных результатов обеспечена адекватным применением используемых математических методов, корректностью постановки решаемых задач, а также используемых допущений и ограничений, непротиворечивостью полученных результатов известным результатам предшествующих исследований, обсуждением полученных научных результатов на научно-технических конференциях, публикацией основных результатов работы в журналах, соответствием применяемых моделей физическим процессам в самоорганизующихся пакетных радиосетях, имитационным моделированием.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые получены следующие новые результаты.

1. Систематизированы вопросы функционирования самоорганизующихся пакетных радиосетей, которые определяют принципы управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны.
2. Разработана математическая модель режимов работы радиостанции с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети, на основе которой выполнена оценка коэффициентов усиления полезного сигнала и внутрисистемных помех при работе радиостанций сети в общем радиоканале.
3. Разработана методика оценки связности радиостанций с адаптивно формируемыми диаграммами направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети, учитывающая неопределенность территориального распределения радиостанций и влияние медленных и быстрых замираний в радиоканале.
4. Разработана методика оценки пропускной способности радиостанций с адаптивно формируемыми диаграммами направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети, учитывающая неопределенность территориального распределения, влияние медленных и быстрых замираний и вероятность передачи радиостанций, работающих в общем радиоканале.
5. Разработан алгоритм управления радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети.
6. Разработана дискретно-временная имитационная модель самоорганизующейся пакетной радиосети на основе радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны, учитывающая неопределенность территориального распределения, влияние медленных и быстрых замираний, уровень внутрисистемных помех.

Практическая ценность работы. Результаты оценки связности и пропускной способности позволяют выполнить построение начального приближения самоорганизующейся радиосети, оценить число и параметры радиосредств, необходимые для организации радиосвязи на заданной территории, оценить вероятность успешного радиоприема и, соответственно, пропускную способность радиостанций в условиях воздействия внутрисистемных и преднамеренных помех.

Предложенный алгоритм управления радиостанциями сети может быть реализован в качестве протокола канального уровня, достоинствами которого являются отсутствие необходимости внешней синхронизации, наличия опорного сигнала для адаптивного формирования диаграммы направленности и инвариантность к протоколу маршрутизации.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича.

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 работах. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 58-й, 59-й, 60-й и 61-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (СПб, 2006, 2007, 2008, 2009).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 66 наименований, и приложения. Работа содержит 143 страницы текста, 44 рисунка и 12 таблиц.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель режимов работы радиостанций сети с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны.
2. Методика оценки связности радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети.
3. Методика оценки пропускной способности радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети.
4. Алгоритм управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети.
5. Имитационная модель функционирования самоорганизующейся пакетной радиосети на основе радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны.

основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определены цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе систематизированы вопросы функционирования самоорганизующихся пакетных радиосетей, принципы функционирования радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети. Приводится анализ существующих алгоритмов управления радиостанцией с направленной антенной в составе самоорганизующейся пакетной радиосети. В заключение главы сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе поставлена задача разработки математической модели режимов работы радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети. На основе разработанной модели выполнена оценка коэффициентов усиления полезного сигнала и внутрисистемных помех для радиостанций, работающих в общем радиоканале.

Так как радиостанции СПРс работают в общем радиоканале, функционируют без централизованного управления, характеризуются неопределенностью территориального распределения и осуществляют прием и передачу с использованием узконаправленных лепестков диаграммы направленности (ДН), то отношение сигнал/(шум + внутрисистемные помехи) (Signal to Interference plus Noise Ratio) будет непосредственно определяться азимутальным расположением радиостанций на территории СПРс. Для оценки отношения с учетом направленных приема и передачи, необходимо оценить коэффициент усиления сигнала и внутрисистемных помех .

Коэффициенты усиления и определяются режимами работы радиостанции: режимом установления связи и режимом ведения связи.

Установление связи в СПРс на основе радиостанций с направленными антеннами заключается в предварительном обнаружении передающей радиостанцией принимающей радиостанции. Процедура обнаружения включает 2 этапа: определение направления прихода сигнала при работе на прием и формирование ДН при работе на передачу и прием.

Если процедура обнаружения предваряет сеанс ведения связи, такой режим работы называется диаграммообразованием с предварительным обнаружением (Beamforming with Discovery).

Если ведение связи осуществляется без предварительного обнаружения, такой режим работы называется случайным диаграммообразованием (Random Beamforming).

Оценка коэффициентов усиления полезного сигнала и сигналов внутрисистемных помех выполняется для двух сеансов ведения связи: сеанса направленной передачи и направленного приема (Directional Transmission – Directional Reception); сеанса направленной передачи и ненаправленного приема (Directional Transmission – Omni directional Reception);

Пример расположения принимающей и передающей радиостанций друг относительно друга в режиме случайного диаграммообразования показан на рис. 1.

Рис. 1. Пример расположения принимающей и передающей радиостанций

друг относительно друга в режиме случайного диаграммообразования

Математическое ожидание коэффициента усиления полезного сигнала в режиме случайного диаграммообразования определяется по формуле:

Пример расположения принимающей радиостанции и двух передающих радиостанций – источников внутрисистемных помех, в режиме случайного диаграммообразования показан на рис. 2.

Рис. 2. Пример расположения радиостанции и двух передающих радиостанций – источников внутрисистемных помех в режиме случайного диаграммообразования

Математическое ожидание коэффициента усиления сигналов внутрисистемных помех в режиме определяется по формуле:

Пример расположения принимающей и передающей радиостанций друг относительно друга в режиме диаграммообразования с предварительным обнаружением показан на рис. 3.

Рис. 3. Пример расположения принимающей и передающей радиостанций

друг относительно друга в режиме диаграммообразования с предварительным обнаружением

Математическое ожидание коэффициента усиления полезного сигнала в режиме определяется по формуле:

.

Коэффициенты усиления , входящие в подынтегральные выражения, определяются по формуле:

.

Разброс углов прихода характеризуется усеченным распределением Лапласа:

,

где – среднеквадратическое расширение угла прихода.

Коэффициент направленного действия определяется по формуле :

,

где – пространственная напряженность электрического поля с углом места и азимутом .

Для антенной решетки с равномерным расположением элементов на окружности радиусом (рис. 4) определяется по формуле:

,

где – значение величины для ненаправленного излучателя (одного элемента); – волновое число; – длина волны; – угловое расположение n-го элемента на окружности в азимутальной плоскости; – фазовый сдвиг n-го элемента, – направление максимума ДН круговой АР.

Рис. 4. Круговая антенная решетка из элементов

Для их вычисления интегралов использован метод Монте-Карло. Результаты расчета приводятся в табл. 1-4.

Таблица 1.

, и	Направленная передача и направленный прием	Направленная передача и ненаправленный прием
Коэффициент усиления полезного сигнала в режиме диаграммообразования с предварительным обнаружением
Коэффициент усиления полезного сигнала в режиме случайного диаграммообразования
Коэффициент усиления сигналов внутрисистемных помех

Таблица 2.

, и	Направленная передача и направленный прием	Направленная передача и ненаправленный прием
Коэффициент усиления полезного сигнала в режиме диаграммообразования с предварительным обнаружением
Коэффициент усиления полезного сигнала в режиме случайного диаграммообразования
Коэффициент усиления сигналов внутрисистемных помех