НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Коломицев Максим Олександрович

УДК 621.391

СИНТЕЗ НЕКОМУТОВАНИХ РАДІОМЕРЕЖ З МІНІМІЗАЦІЄЮ СУМАРНОЇ

СМУГИ ЧАСТОТ

Спеціальність 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі засобів телекомунікацій інституту телекомунікаційних систем Національного технічного університету України “Київський Політехнічний Інститут”.

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор

Ліпатов Анатолій Олексійович,

Науковий центру зв’язку та інформатизації Збройних Сил України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор

Романюк Валерій Антонович,

Військовий інститут телекомунікації та інформатизації НТУУ „КПІ”, заступник начальника інституту з навчальної та наукової роботи

кандидат технічних наук

Наритник Теодор Миколайович,

СП „Інститут електроніки та зв’язку Української академії наук національного прогресу”, директор

Провідна установа Український НДІ зв’язку Міністерства транспорту та зв`язку, м. Київ.

Захист відбудеться “14” червня 2007 р. о 15:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 в Національному Технічному Університеті України “Київський Політехнічний Інститут”, за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, корп. 1, ауд. .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий “__” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________ Уривський Л.О.

(підпис)

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. До некомутованих радіомереж фіксованої служби з детермінованими потоками (далі – мережі) відносяться: відомчі, промислові та корпоративні мережі, а також мережі зв'язку спеціального призначення. До них також належать мережі одноінтервальних радіорелейних ліній. Для цих мереж місцезнаходження вузлів та їх потреба в трафіку відомі.

Динаміка розвитку мереж, зниження вартості радіозасобів і тенденції спрощення процедур ліцензування приводять до дефіциту частотного ресурсу. Це визначає актуальність створення мереж з мінімізацією сумарної смуги частот, що використовується. Додатковою вимогою при цьому є скорочення часу їх планування і розгортання.

Відомі методики синтезу мереж, що включають синтез їх структур та частотне планування, спрямовані, в першу чергу, на мінімізацію кількості й вартості обладнання, при заданих трафіку та вимогах до надійності мережі. Зазвичай зниження кількості використовуваних радіочастот (їх сумарної смуги) здійснюється евристично, лише при частотному плануванні мережі. Відокремлений розгляд задач синтезу структури мережі та її частотного планування в цих методиках не дає змоги мінімізувати сумарну смугу частот в повній мірі.

Розроблена в дисертації методика синтезу мережі частково усуває цей недолік. Вона дає змогу проектувати мережі великої розмірності з мінімізацією смуги частот, при виконанні заданих вимог по трафіку, надійності та вартості її елементів.

Методи синтезу структури мережі, розроблені в дисертації, дають змогу синтезувати структури, потенційно “схильні” до багатократного перевикористання частот у процесі частотного планування, що і дає економію частотного ресурсу. Це здійснюється за рахунок мінімізації впливу між прольотами і базується на основі виявлення та виключення з мережі прольотів, що підвищують загальний рівень завад.

Реалізація запропонованих методів синтезу структури мережі та методик частотного планування можлива за умов урахування статистичних залежностей ослаблень сигналів і завад на прольотах. Рішення цих задач у дисертації грунтується на використанні рекомендацій Міжнародного союзу електрозв'язку (ITU), геоінформаційних систем (ГІС) і цифрових карт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною досліджень, що проводяться кафедрою засобів телекомунікацій НТУУ “КПІ”. Матеріали дисертації пов’язані з НТР “Розрахунок технічних параметрів мережі зв'язку з урахуванням характеристик середовища поширення сигналу і рельєфу місцевості”, виконаної в науково-дослідному інституті телекомунікацій НТУУ “КПІ”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка методики автоматизованого синтезу радіомереж з мінімізацією кількості робочих частот, при виконанні заданих вимог з надійності, вартості та об'єму трафіку.

Досягнення цієї мети вимагає:

1. Математичної формалізації задачі синтезу радіомережі, проведення аналізу та її декомпозиції на задачу синтезу структури мережі й задачу частотного планування.

2. Розробки програмного забезпечення розрахунку та обробки статистичних залежностей ослаблень (завмирань) на прольоті з використанням рекомендацій ITU, технологій ГІС і цифрових карт.

3. Розробки методики частотного планування мережі з використанням автоматизованих методів розрахунку ослаблень на прольоті, що забезпечує мінімізацію кількості робочих частот. Методика повинна забезпечувати внутрішню і зовнішню електромагнітну сумісність (ЕМС) прольотів мережі.

4. Визначення критерію вибору прольотів і розробки методики його розрахунку та оптимізації. Критерій повинен забезпечувати модифікацію відомих методів і алгоритмів синтезу структури мережі.

Об'єкт досліджень. Некомутовані радіомережі фіксованої служби з детермінованими цифровими потоками, радіозасоби яких мають направлені антени.

Предмет досліджень. Взаємозв'язок топології мережі, її частотного плану і статистичних залежностей ослаблень (завмирань) на прольотах.

Методи досліджень. У роботі використані: теорія оптимізації (аналіз цільової функції та декомпозиція задачі), математичне моделювання (автоматизація розрахунку ослаблень на прольоті), математична статистика (розрахунок умов ЕМС при частотному плануванні й статистичній обробці результатів застосування розроблених методик), імітаційне моделювання (оптимізація методики розрахунку критерію вибору прольотів).

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі досліджувалися способи вирішення задачі синтезу мережі з мінімізацією її смуги частот. При проведенні досліджень отримані наступні нові наукові результати, які виносяться на захист:

1. Модифіковані методи синтезу деревовидних структур мережі з мінімальними взаємними завадами між прольотами.

2. Методика частотного планування радіомережі з максимізацією кількості прольотів, що працюють на одній частоті (при виконанні вимог з ЕМС), за рахунок зміни робочої частоти прольотів, які створюють найбільші завади, а також оптимізації параметрів обладнання кожного прольоту .

3. Методика прискореного визначення статистичних залежностей корисного сигналу і завади від відсотка часу за рахунок узгодження різних моделей завмирань, рекомендованих ITU, та використання цифрових карт.

Отримані нові наукові результатів є основою розробленої методики синтезу радіомережі з мінімізацією кількості робочих частот.

Практичне значення одержаних результатів. Методики й алгоритми, запропоновані в роботі, дозволяють ефективніше використовувати частотний ресурс. Це сприяє збільшенню об'єму трафіку передачі. Автоматизація розрахунків у пропонованій методиці синтезу мереж прискорює процес їх проектування, розгортання і реконфігурації. Методика синтезу радіомереж з мінімізацією кількості робочих частот може використовуватися повністю або окремими частинами.

Практичне застосування отримали програмні модулі [6] для: розрахунку ослаблень і завмирань на прольоті, розрахунку показників надійності радіопрольотів, а також оцінки ЕМС радіозасобів.

Матеріали дисертації використані: при проектуванні ліній зв'язку газотранспортної мережі, що зв'язує газорозподільні компресорні станції восьми областей України (є акт про реалізацію); для створення інформаційно-розрахункової системи привласнення радіочастот радіоелектронним засобам фіксованої, супутникової радіослужби та системами розподільного типу (є акт про реалізацію); в НДР “Дослідження особливостей функціонування сучасних радіорелейних і тропосферних ліній зв'язку військового призначення” (є акт про реалізацію). З їх використовуванням проводилися методичні заняття з керівним складом з планування радіоліній зв'язку спеціального призначення.

Особистий внесок здобувача. Автору належить – модифіковані методи синтезу структури, методика частотного планування радіомереж, методики автоматизованого розрахунку ослаблень і завмирань на прольотах, а також синтезу мережі.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи представлялися і обговорювалися на 13, 14, 15, 16 Міжнародній кримській конференції “НВЧ - техніка і телекомунікаційні технології” (м. Севастополь, 2003-2006р.). Вони доповідались також на наукових семінарах ІТС “КПІ”, Наукового центру зв'язку та інформатизації ЗС України, секції ДП УДЦРЧ.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових праць, у тому числі 4 статті в провідних фахових виданнях ВАК України [1, 2, 3, 4]. Всі за темою дисертаційної роботи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації – 127 сторінки, 42 ілюстрації, 3 таблиці. Список використаних джерел складає 101 найменування на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДиСЕРТАЦії

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, задачі, об'єкт і предмет досліджень, вказані наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, надані посилання на публікації та структура дисертації.

У першому розділі міститься огляд існуючих методик синтезу радіомереж, методів і алгоритмів синтезу структур некомутованих мереж з детермінованими потоками, а також методів їх частотного планування. Проводиться їх аналіз, визначаються основні недоліки, а також шляхи подолання деяких з них. Надані результати аналізу математичних моделей ослаблень і завмирань на прольоті для знаходження шляхів автоматизації їх комплексного розрахунку з використанням рекомендацій ITU та ГІС.

У другому розділі здійснена математична постановка задачі синтезу радіомережі з мінімальною сумарною смугою робочих частот. Як початкові дані прийняті: координати вузлів мережі , матриця тяжіння , діапазон допустимих значень параметрів обладнання , , , цифрова карта Z(x,y). Обґрунтований вибір шуканих параметрів матриць: зв'язності , шляхів , частот ,, параметрів РРС , . Крім того, визначені показники якості мережі та витрат на її реалізацію: вартість створення радіомережі , смуга частот радіомережі , надійність радіомережі . На їх основі була сформована цільова функція (1)

max > min . (1)

Залежно від завдання вимог з надійності мережі та критеріїв виконання умов ЕМС її радіозасобів сформовані три варіанти завдання її обмежень. Проте, в результаті аналізу виявилося доцільним розглядати варіант обмежень (2)-(5), який в більшій мірі узгоджується з міжнародними нормативними документами з оцінки умов ЕМС для фіксованої служби:

де – номер робочої частоти; , – відсотки часу простою прольоту між вузлами i та j, обумовлені завмираннями на прольоті та внутрішніми завадами радіомережі відповідно; , – допустимі відсотки часу простою прольоту через завмирання і завади радіомережі; , , – максимально допустимий діаметр антени, висота її підвісу, потужність передавача, відповідно; величина – коефіцієнт, що визначає частину потоку від вузла i1 до j1, яка проходить по вітці (прольоту) i,j. Величини , залежать від елементів матриць ,, , , а – від елементів матриць , . У результаті вирішення оптимізаційної задачі (1-5) знаходяться матриці , , , , які однозначно визначають конфігурацію мережі. При цьому виконуються вимоги з надійності та внутрішньої ЕМС мережі, мінімізується кількість робочих частот.

Аналіз способів вирішення задачі синтезу мережі показав, що аналітичне рішення такої задачі для мереж, розмірність яких більше 5 вузлів, неконструктивне. Це обумовлено тим, що функціональні залежності = f1(,,,) та = f2(,, ,) надзвичайно складно формалізувати, оскільки вони залежать від неузгоджених між собою, регламентованих ITU методик розрахунку ослаблень і завмирань на прольотах. Ці рекомендації діють на протязі кількох років, унаслідок чого знайдені математичні моделі, що дають змогу одержати шукані функціональні залежності, і методика синтезу мережі швидко старіють.

Рішенню задачі (1-5), з використанням відомих алгоритмів пошуку екстремуму, так само властивий ряд складнощів.

По-перше, ця задача має нелінійні обмеження, що призводить до необхідності вводити штрафні бар'єрні функції. Через те, що вирази (2,3,5) є нерівностями, як бар'єрну необхідно використовувати логарифмічну функцію, яка має погану обумовленість. Її необхідно довизначати в неприпустимій області. При введенні бар'єрної логарифмічної функції цільова функція (1) набуває вигляду:

max – > min , (6)

де r – параметр штрафу, причому рішення задачі уточнюватиметься з наближенням r до нуля.

По-друге, розмірність функції (6) пропорційна квадрату кількості вузлів в мережі n. Це примушує використовувати методи багатовимірного пошуку екстремуму.

По-третє, через відсутність математичних виразів функцій для залежностей = f1(, , ,) та = f2(, , ,) не можна стверджувати, що функція (6) є диференційованою та унімодальною. Вона має розриви внаслідок дискретності деяких параметрів.

Вказані чинники призводять до неможливості застосування “швидких” методів глобального пошуку екстремуму і до необхідності багатократного розрахунку значень функції (6). Кількість таких розрахунків експоненціально залежить від кількості змінних. Велика розмірність мережі, що синтезується, вимагає значного часу вирішення задачі. Тому пошук екстремуму як спосіб рішення, для розмірності радіомереж більше 10 вузлів, неприйнятний.

Виходячи зі складності задачі (1)-(5) і труднощів вказаних методів рішення, пропонується провести декомпозицію задачі та розв’язувати її поетапно (рис. 1).

Під декомпозицією задачі розуміється перехід від задачі, описуваної виразами (1)-(5) або (4), (6), до задачі визначення елементів матриць (перший етап), а потім до задачі частотного планування (другий етап) (1)-(4) , вже при відомих значеннях матриці М.

На першому етапі для синтезу структури мережі (визначення матриць шляхів Р, зв'язності М) доцільно використовувати один з відомих евристичних алгоритмів з високою швидкістю рішення. При його модифікації вводиться додатковий критерій переваги однієї структури перед іншою – матриця “гіпотетичних завад”, на основі елементів якої здійснюється синтез. Одержана синтезована структура мережі найбільше “схильна” до багатократного перевикористання частот, оскільки рівні взаємних завад між прольотами будуть мінімальні.

Рис. 1. Методика планування радіомережі

На другому етапі проводиться частотне планування мережі зі знайденою структурою, тобто визначаються робочі частоти і параметри обладнання.

Для реалізації цих етапів необхідно проводити розрахунки ослаблень і завмирань на прольоті. Для визначення умов ЕМС і розрахунку матриці “гіпотетичних завад” необхідно отримати статистичні залежності рівнів корисного сигналу і завади на вході приймача. Математичні моделі їх розрахунку, викладені у відповідних рекомендаціях ITU, вимагають наявності цифрових карт. Методика розрахунку вказаних статистик виділена на рис. 1 у вигляді окремого блоку, зв'язаного з використанням технологій геоінформаційних систем (ГІС).

У третьому розділі обгрунтована і надана модифікація методів синтезу структури зазначених мереж. Це пов'язано з тим, що універсальна методика для синтезу структури мережі відсутня, але існує велика кількість методів, які вибираються залежно від вимог до мережі. Більшість з них заснована на використанні певного критерію, по якому надається перевага одній структурі в порівнянні з іншими. Структура мережі, що синтезується, повинна бути “схильна” до максимального перевикористання частот. Це можна досягти лише для тих мереж, де вплив між прольотами мінімізований.

Для мінімізації впливу між прольотами мережі при визначенні такого критерію пропонується використовувати матрицю U “гіпотетичних завад” (ГЗ).

; o для ,

де – елемент, що характеризує ймовірність збільшення завад на всіх прольотах мережі від передавача вузла i, направленого вбік вузла j:

;

де – відсоток часу, на протязі якого відношення C/I на вході приймача вузла j1 інтервалу i1,j1 буде менше необхідного; – допустимий відсоток часу простою прольоту; – параметр штрафу (?).

Розрахунок елементу ui,j матриці U пропонується виконувати за наступною процедурою:

1) Визначаються висоти антен і потужності передавачів кожного вузла згідно ITU 530. Мережа вважається повнозв'язною.

2) Визначається область, в якій сигнали інтервалу (i,j) створюють завади приймачам мережі (рис 2).

3) Для кожного вузла знайденої в п.2 області виявляються інтервали, на приймачі яких впливають завади від передавача інтервалу i,j.

4) Розраховуються відсотки часу простою на кожному інтервалі, визначеному в п. 3.

5) Визначається елемент ui,j матриці ГЗ, залежний від значень відсотків часів простою, визначених в п. 4.

Рис. 2.

Введення матриці ГЗ у будь-який метод синтезу структури мережі ілюструє рис. 3.

Рис. 3.

На всіх етапах синтезу структури вибір її прольотів визначається з використанням матриці ГЗ по критерію

.

Оцінити завади, створювані передавачем кожного інтервалу на всі інші інтервали мережі, можна за матрицею ГП, що розраховується до початку синтезу структури мережі. В цьому і полягає суть та переваги запропонованої модифікації алгоритмів.

Для оцінки ефективності введення матриці ГЗ було набрана статистика кількості робочих частот з використанням класичних методів синтезу деревовидних мереж (Прима, Ісау-Вільямса) та їх модифікацій. Для дослідження були вибрані деревовидні мережі, оскільки в них кількість прольотів при фіксованій кількості вузлів незмінна. Тому в таких мережах виграш у кількості частот пояснюється тільки запропонованою модифікацією, а не зменшенням кількості прольотів.

Результати порівняння синтезу мережі з використанням методів “Прима” і з його модифікацією наведені на рис. 4. По осі ординат відкладене математичне очікування різниці кількості частот

,

де , – кількість робочих частот при синтезі структури за допомогою модифікованого методу “Прима” і його класичного аналога відповідно; ks – кількість розрахунків з різними структурами. Розрахунки були проведені з використанням цифрової карти Житомирської області, при допустимому часі простою прольоту < 0,03%.

Рис .4. Порівняння результатів синтезу мережі з використанням класичного методу “Прима” та його модифікації

Підсумок тестових розрахунків свідчить про скорочення кількості робочих частот на 6_% при модифікації методів “Прима” та “Ісау-Вільямса”. Найбільша економія частотного ресурсу спостерігається за несприятливих умов ЕМС, зокрема при малому діаметрі використовуваних антен, більшому відношенні сигнал/шум, у нижньому робочому діапазоні частот.

У четвертому розділі викладена розроблена методика частотного планування. Основне її завдання – визначення робочих частот (їх номерів на всіх прольотах, висот підвісу антен потужностей передавачів для кожної станції мережі зі знайденою структурою. При цьому загальна кількість робочих частот повинна бути мінімальною при виконанні вимог з надійності мережі. Математичне формулювання цієї задачі – вирази (1) - (4). Традиційне її вирішення виявилося недоцільним з тих же причин, що й вирішення задачі синтезу мережі (1) - (5).

Для зменшення багатовимірності задачі прийняті наступні спрощення:

а) оптимальні висоти антен визначаються за рекомендацією ITU. P. . Обґрунтуванням цього є той факт, що при зменшенні висот антен відносно оптимальних, на робочому прольоті виникає дифракція. І, як наслідок, можливі завмирання через субрефракцію і порушення обмеження (2). Для запобігання цього збільшують потужність передавача. Проте, це призводить до зростання рівня завад на інших прольотах, що зменшує кількість перевикористовуваних частот. При збільшенні висоти антен підвищуються рівні завад приймачам мережі, а також збільшуються тривалість і глибина інтерференційних завмирань. Це веде до порушення обмежень (2) і (3);

б) потужність передавача для виконання обмежень (2) встановлюється мінімально необхідною. Подальше зменшення потужності приведе до невиконання обмеження (2), а її збільшення – до зростання завад у мережі. Таким чином:

, (7)

де , – коефіцієнти підсилення передавальної та приймальної антен; – потужність, мінімально необхідна для демодуляції сигналу з необхідним BER. Допустиме ослаблення на прольоті для відсотка часу розраховується з використанням цифрових карт за методикою, наданою в розділі 5;

в) антени вибираються з максимально допустимим коефіцієнтом підсилення, враховуючи їх вартість;

г) відсоток часу простою будь-якого приймача через передавачі, що заважають, визначається як сума відсотків часу простою внаслідок впливу кожного передавача окремо

=. (8)

Приймається, що простій через завади спостерігається, коли відношення рівнів медіанний сигнал/завада менше необхідного. При визначенні рівня завад враховується залежність його ослаблення від відсотка часу. У випадках виконання умов ЕМС, за виразом (8) уточнюють результат на основі покрокової згортки корисного сигналу з сигналами завад;

д) пошук мінімальної кількості робочих частот здійснюється шляхом вирішення однотипних задач визначення максимальної кількості працюючих передавачів (при виконанні умов ЕМС) на першій частоті; далі – на другій, з виключенням із розгляду передавачів, що працюють на першій, і т.д.

Сформульовані спрощення суттєво скорочують багатовимірність задачі з визначення номерів робочих частот передавачів, усувають обмеження (2) і (4) і розбивають задачу (1) на ряд простіших підзадач.

З урахуванням прийнятих спрощень у дисертації розроблена методика частотного планування, сутність якої полягає в наступному:

1) Всі прольоти заносяться в множину С1 і їх передавачам привласнюється перша частота з номером nf = 1;

2) У множині С1 визначається проліт, на приймач якого найбільше впливають завади (з максимальним відсотком часу простою ;

3) Виконується згідно з розробленим алгоритмом одна з наступних дій:–

змінюється поляризація одного з прольотів,–

реверс частот одного з прольотів (f1 - f1`) таким чином, щоб значення maxзменшилося як можливо більше.

4) Дії 2), 3) повторюються, до тих пір, поки будь-яка зміна поляризацій, чи реверс частот не буде призводити до зменшення max.

5) Якщо max >, то проліт з найбільшими завадами переноситься у нову множину С2 з номером частоти nf = 2, або підвищується потужність його передавача.

6) Дії 2 - 5 повторюються для прольотів, що залишилися у множині С1, до тих пір, поки не виконуватиметься умова max?;

7) Виконання дій 2-6 повторюється з новими множинами С2,С3,…,Сi до тих пір, поки створена нова множина Сi+1 при виконанні умов 6) для множини Сi не виявиться пустою. У результаті всі прольоти розбиваються на множини, кожній з яких відповідає своя частота.

Рис. 5 пояснює методику синтезу частот. У верхній частині рисунка наведена послідовність дій при використанні методики, у нижній – вказані операції з перенесення прольотів з однієї множини в іншу.

У роботі визначена статистика різниці кількості частот, одержаної по зазначеній методиці та методом повного перебору, який дає змогу знаходити мінімальну кількість робочих частот, але вимагає більших часових затрат. Перевага пропонованої методики в порівнянні з іншими (Монте-Карло, метом графів) полягає в тому, що в ній проводиться аналіз ЕМС всієї сукупності прольотів з метою частішого перевикористання кожної частоти у мережі. Проте, переваги запропонованої модифікації алгоритмів синтезу структури (розділ 3) реалізуються, якщо використовується запропонована методика частотного планування.

Результати розрахунку статистик наведені на рис. 6. По осі абсцис відкладена кількість вузлів мережі n, по осі ординат – математичне очікування різниці в кількості частот Ms =. Тут – кількість робочих частот при частотному плануванні за допомогою запропонованої методики і методом повного перебору відповідно, ks – кількість різних структур для набору статистики. Залежності 1, 2, 3-4 відповідають діапазонам 12 ГГц, 4 ГГц, 2 ГГц при радіальних структурах мережі; залежність 4 розраховувалася з використанням цифрових карт; залежність 5 – для деревовидної структури з робочими частотами в діапазоні 2 ГГц.

Рис. 6. Результати тестових розрахунків

Взаємне розташування кривих свідчить про зменшення програшу запропонованої методики методу прямого перебору за більш сприятливих умов ЕМС. Програш в найгіршому випадку складає близько 5% і знижується при поліпшенні умов ЕМС.

Перевагою запропонованої методики перед методом повного перебору є малий час, затрачуваний на розрахунки. Так, для повного перебору він має експоненціальну залежність від кількості вузлів, а для розробленої методики – степеневу.

Додатковими достоїнствами методики є: використання ГІС і цифрових карт, можливість комбінування різних способів оцінки ЕМС, а також можливість її застосування для розрахунку мереж різних структур.

У п'ятому розділі розроблена методика і програма розрахунку статистичних залежностей ослаблень корисного сигналу і завад від заважаючих станцій, які необхідні для оцінки надійності прольотів та ЕМС мережі. Статистики (рис. 7) розраховуються в межах від 0,0001% до 99,9999%. Ослаблення сигналів на прольоті оцінюються із запасом на відому погрішність розрахунків: корисного – зверху і завади – знизу від фактичного їх значення.

Рис. 7

Умовно кожну із статистичних залежностей можна розбити на дві частини: від 0,0001 до 50%, коли ослаблення на прольоті більше медіанного, і від 50% до 99,9999%, коли воно – менше. Для розрахунку кожної частини в дисертації запропоновані відповідні алгоритми, засновані на моделях статистичних залежностей завмирань (ослаблень), рекомендованих ITU (табл.1).

Таблиця 1. Види ослаблень (завмирань) і номера відповідних рекомендацій ITU

Вид ослаблення (завмирання) | № рекомендації ITU | Сигнал завади | Корисний сигнал

до 50% | від 50% | до 50% | від 50%

У вільному просторі | P. 525 | + | + | + | +

У газах | P. 676 і ін. | + | + | + | +

Дифракційне | P. 526 | + | + | + | +

У дощах | P. 837, 838, 530 | - | - | + | -

Через інтерференцію:

плоскі завмирання (швидкі, повільні)

частотноселективні

зростання рівня сигналу |

P.530

F.1093, P.530

P.530 |

-

-

- |

-

-

+ |

+

+

- |

-

+

+

Через субрефракцію | P.453, P.834, P. 452 | - | + | + | +

При атмосферно-хвилевідному поширенні | P. 452 | - | + | - | -

При тропосферному розсіюванні | P. 452 | - | + | - | -

Додатково отримані алгоритми для розрахунку цих залежностей на новій частоті, якщо вони відомі, або на будь-якій іншій частоті. Алгоритми економлять до 95% часу розрахунку, залежно від конфігурації прольоту, знижують час синтезу мережі (за рахунок цього може бути підвищена розмірність мереж, що синтезуються за певний проміжок часу).

Найтривалішим через необхідність багатократної зміни профілю (внаслідок зміни еквівалентного радіусу Землі) і проведення його аналізу виявився розрахунок статистики завмирань через рефракцію. Тому був розроблений алгоритм швидкого розрахунку статистичної залежності цього завмирання на основі рекомендацій ITU R.P. 453, 834. Спочатку по статистичній залежності градієнта рефракції визначається статистика зміни еквівалентного радіусу Землі. Далі вона перфорується і розраховується відповідна статистика прирощення ослаблення дифракції, яка відновлюється методами інтерполяції.

У процесі розробки алгоритмів усунені неузгодженості різних рекомендацій.

Вихідною інформацією для розрахунку ослаблень на прольоті є профіль – вертикальний розріз рельєфу місцевості. Програма його побудови передбачає використання цифрової карти. Як інструментарій для безпосереднього доступу до значень карти було використане програмне середовище ГІС ArсView 8.х.

Для скорочення часу побудови профілю, а також підвищення його точності використовувався растровий формат карти – “grid”. Підвищення точності растрової карти відносно векторної досягається застовуванням складних методів інтерполяції всієї карти, значення висоти в кожній клітинці визначається з урахуванням декількох сусідніх ізоліній. У зв'язку з цим була уточнена процедура підготовки інтегральної карти цього формату.

Висновки

Зміст і отримані результати дисертаційної роботи відповідають поставленим меті та задачам дослідження. Нижче приведені основні результати дисертації.

1. Здійснена математична постановка задачі синтезу мережі. Проведено її аналіз, який показав, що вирішення задачі синтезу мережі класичними методами теорії оптимізації вимагає значних витрат машинного часу або накладає суттєві обмеження на розмірність мережі. Це робить зазначені методи, у ряді випадків, неприйнятними. В результаті виявлена необхідність проведення декомпозиції задачі синтезу мережі на задачу синтезу структури і задачу частотного планування. На основі декомпозиції були сформовані обмеження для кожної з цих окремих задач.

2. Модифіковано методи синтезу структури мережі Прима та Ісау-Вільямса за допомогою введення матриці “гіпотетичних завад”, яка характеризує ймовірність зростання впливу завад від кожного прольоту на мережу в цілому. Модифіковані методи дають змогу отримувати структури з мінімізованим впливом між прольотами, які потенційно “схильні” до багатократного перевикористання частот. Як показало статистичне порівняння результатів синтезу мережі, при використанні модифікованих методів кількість робочих частот зменшується приблизно на 20%.

3. Розроблена методика частотного планування з покроковою оцінкою ЕМС. Ефективність пропонованої методики була досягнута на основі:

- декомпозиції задачі мінімізації кількості частот на низку послідовно вирішуваних задач з визначення максимальної кількості прольотів, які працюють на одній частоті;

- можливості оптимізації потужностей передавачів і поляризацій передаваних сигналів, яка з'явилася за рахунок зменшення розмірності задачі в результаті декомпозиції;

- виділення “якнайгіршого” прольоту послідовно, на кожній частоті;

- оцінки ЕМС за допомогою згортки статистичних залежностей сигналу і завад.

Статистичне порівняння показує, що запропонована методика частотного планування поступається оптимальній (повному перебору) не більше ніж на 5 %, проте її складність – степенева, а не експоненційна. Методика є універсальною і працездатною при будь-яких структурах мережі та способах оцінки ЕМС.

4. Розроблено алгоритми для автоматизації розрахунку статистичних залежностей ослаблень і завмирань корисного сигналу та завади на прольоті від відсотка часу. Частина з них заснована на математичних моделях, складених за рекомендаціями ITU відповідно до міжнародних вимог оцінки ЕМС. Інші дають можливість скоротити час повторного розрахунку статистичних залежностей на нових частотах (до 20 разів).

5. Використання ГІС для доступу до цифрової карти, що дає змогу оперативно будувати профілі для відповідних прольотів і автоматизувати процес розрахунку статистичних залежностей ослаблень та завмирань. Розроблена методика підготовки растрових цифрових карт типу “grid” зменшує час побудови профілів. Підготовка карт для розрахунків на основі складних методів інтерполяції рельєфу місцевості дає змогу підвищити точність визначення висот ділянок місцевості. Використання ГІС у поєднанні із запропонованою методикою прискорює процес синтезу мережі.

6. Запропоновано методика синтезу мережі в цілому, яка дає можливість зменшити кількість робочих частот мережі при виконанні заданих вимог з надійності, вартості та величини трафіку. Її особливостями є використання:

- модифікованих методів синтезу структури мережі;

- нової методики частотного планування;

- геоінформаційних систем і цифрових карт;

- розробленої методики розрахунку статистичних залежностей ослаблень і завмирань на прольоті від відсотка часу.

Таким чином, розроблені в дисертації методи, методики і алгоритми дають змогу ефективніше використовувати наявний частотний ресурс мережі й тим самим сприяти збільшенню обсягу передаваного трафіку. Автоматизація розрахунків запропонованої методики синтезу мереж прискорює процес їх проектування, розгортання і реконфігурації. Це особливо актуально для відомчих, промислових, корпоративних мереж, а також для мереж зв'язку спеціального призначення. На практиці методика і програмне забезпечення можуть застосовуватися комплексно або окремими модулями.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Коломыцев М.А., Липатов А. А. Расчет дифракционных потерь на радиорелейном пролете с использованием технологий геоинформационных систем//„Электроника и связь”, №20, 2003 г., с. 146-148.

Особиста участь здобувача: розробка методики розрахунку дифракційних ослаблень на прольоті, з використанням геоінформаційних систем на базі рекомендацій ITU.

2. Коломицев М.О., Ліпатов А.О. Автоматизація розрахунку послаблень на радіорелейному прольоті з використанням цифрових карт// Збірник наукових праць №3 ВІТІ НТУУ „КПІ”, 2004 р., с. 71-80.

Особиста участь здобувача: розробка алгоритмів розрахунку інтерференційних, субрефракційних послаблень, їх автоматизація.

3. Коломыцев М.А., Липатов А.А., Лягоскин А.В. Методика частотного планирования радиорелейной сети с использованием технологий ГИС// 14-я Междунар. Крым. конфер. “СВЧ-техника и телеком. техн.”, 2004 г., с. 261-262.

Особиста участь здобувача: розробка методики частотного планування, проведення іі порівняння з повним перебором імітаційним моделюванням.

4. Коломицев М.О. Синтез цифрової радіорелейної мережі з мінімізацією кількості робочих частот// "Наукові Вісті Національного Технічного Університету України "Київський Політехнічний Інститут" №1(39), 2005, с.14-20.

5. Коломыцев М.А., Липатов А.А., Афонин С.В., Федорова Т.М. Оценка эффективности использования медленных прыжков по частоте в системе GSM// 13-я Междунар. Крым. конфер. “СВЧ-техника и телеком. техн.”, 2003 г., с. 350-352.

Особиста участь здобувача: проаналізована методика частотного планування з допомогою повільних стібків по частоті в системах GSM.

6. „Комп’ютерна програма – Модули автоматизированного расчета радиорелейных пролетов”// Авторське свідоцтво на твір № 9224, МОН України, Державний департамент інтелектуальної власності, 2004 р., Коломицев М.О.

7. Коломыцев М.А., Липатов А.А. Минимизация количества рабочих частот радиосети за счет выбора рациональной структуры// 15-я Междунар. Крым. конфер. “СВЧ-техника и телеком. техн.”, 2005 г., с.304-305.

Особиста участь здобувача: розроблені модифіковані методи синтезу структури мереж, проведена оцінка їх ефективності за допомогою тестових розрахунків.

8. Коломыцев М.А., Корсак В.Ф., Липатов А.А. Определение процента времени простоя радиолинии // 16-я Междунар. Крым. конфер. “СВЧ-техника и телеком. техн.”, 2006 г., с. 377-378.

Особиста участь здобувача: одержані формули для розрахунку інтегралів згортки статистик завад, сигналу та завади.

АнотаціЯ

Коломицев М.О. Синтез некомутованих радіомереж з мінімізацією сумарної смуги частот. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі. – Національний Технічний Університет України “КПІ”, Інститут Телекомунікаційних Систем, Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена розробці методики синтезу радіомереж з мінімізацією сумарної смуги частот. Задача синтезу мережі в дисертації розглядається як дві пов’язані між собою задачі – синтезу структури та частотного планування. Запропоновані модифіковані методи синтезу структур мереж, які мають мінімізований вплив між прольотами (враховується вплив завад кожного прольоту на мережу). Це призвело до зменшення кількості робочих частот в мережі.

Розроблена методика частотного планування. Основна її відмінність від відомих полягає у максимізації кількості прольотів, що працюють на одній частоті (при виконанні вимог з ЕМС), за рахунок зміни робочої частоти прольотів та оптимізації параметрів обладнання кожного прольоту.

Запропонована методика визначення статистичних залежностей корисного сигналу і завади від відсотка часу з використання цифрових карт.

За розробленими методиками створено програмний комплекс, за допомогою якого проводився синтез декількох мереж з мінімізацією сумарної смуги частот.

Ключові слова: частотне планування, поширення радіохвиль, синтез структур мереж, оцінка ЕМС, радіомережі, планування радіомереж.

АННОТАЦИЯ

Коломицев М.А. Синтез некоммутируемых радиосетей с минимизацией суммарной полосы частот. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 – телекоммуникационные системы и сети. – Национальный Технический Университет Украины “КПИ”, Институт Телекоммуникационных Систем, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке методики синтеза радиосетей с минимизацией суммарной полосы частот. В диссертации произведена математическая постановка задачи синтеза радиосети, ее декомпозиция на задачи синтеза структуры и частотного планирования.

Для решения задачи синтеза структуры были модифицированы известные методы синтеза структуры сети. Модификация заключалась во введении в них в качестве критерия оптимизации суммы элементов предложенной матрицы “гипотетических помех”. Каждый элемент матрицы характеризует вероятностную степень увеличения всех помех сети от соответствующего пролета. Модифицированные методы позволили создавать структуры сетей, в которых влияние помех между пролетами минимизировано, это дало возможность уменьшить количество рабочих частот при частотном планировании сети по данной структуре, что подтверждено рядом расчетов.

При частотном планировании задача поиска минимального количества частот была трансформирована в ряд последовательных задач по максимизации количества работающих пролетов на одной частоте, что привело к существенному снижению многомерности задачи. Это позволило в каждой частной задаче оптимизировать мощность сигнала, поляризацию, проводить оценку ЭМС на основе свертки статистик сигнала и помех. В результате была предложена новая методика частотного планирования. На основе имитационного моделирования было проведено ее сравнение с полным перебором.

Для автоматизации расчета статистических зависимостей ослаблений и замираний полезного сигнала и помехи на пролете от процента времени было разработано несколько алгоритмов. Часть из них основана на математических моделях, составленных по рекомендациям ITU, в соответствии с международными требованиями для оценки ЭМС. Остальные дополняют их и, при расчетах на других частотах определяемых величин, дают возможность сократить (до 20 раз) время расчета, или увеличить размерность проектируемых сетей.

Использование ГИС для доступа к цифровой карте позволило оперативно строить профили для соответствующих пролетов и автоматизировать процесс расчета статистических зависимостей ослаблений и замираний. Разработанная методика подготовки растровых цифровых карт типа “grid” уменьшает время построения профилей. Уточнение процедуры подготовки карт для расчетов, на основе сложных методов интерполяции рельефа местности, позволило повысить точность определения высот участков местности.

Предложена методика синтеза сети. Она позволяет уменьшить количество рабочих частот сети при выполнении заданных требований по надежности, стоимости и величине трафика. В ее состав входят:–

модифицированные методы синтеза структуры сети; –

новая методика частотного планирования; –

методика расчета статистических зависимостей ослаблений и замираний на пролете от процента времени, основанных на трансформации рекомендаций ITU с использованием цифровых карт.

Ключевые слова: частотное планирование, распространение радиоволн, синтез структур сетей, оценка ЭМС, радиосети, планирование радиосетей.

ANNOTATION

Kolomytsev M.O. Non-commuted radio network synthesis with summary frequency band minimization. – Manuscript.

Ph. D. thesis on major in Telecommunications Systems and Networks (05.12.02). Ukrainian National Technical University of “KPI”, Institute of Telecommunications Systems, Kyiv, 2007.

This work is dedicated to the development methods of synthesizing radio networks with minimisation of the summary frequency band. The thesis proposes the modified methods of the network structure synthesis to obtain structures with the minimised effect between transits that has resulted in the quantity decrease of actual frequencies in the network. The effect of each transit restriction for the network is considered in the methods.

The frequency planning method has been developed. Its main difference from ones known concepts the maximisation of the transits quantity that work at the same frequency (meeting the requirements with EMC), due to changing of the transits actual frequencies, and optimising of the equipment parameters of each transit.

The method of determination of a statistical dependence of the wanted signal and restriction of the time percent on the digital cards use is proposed.

Using the developed methods the programme complex for making synthesis of several networks is established.

Definitions: frequency planning, propagation radio waves, network structure synthesis, EMC evaluation, radio networks, radio networks planning.

Підписано до друку 07.05.2007р.

Тираж 100 прим.

Надруковано ТОВ “Олександріна”

м. Київ, вул. Антоновича,180

тел. (044) 521-00-74.