Исследование многочастотных сверхширокополосных систем радиодоступа на основе совместного использования радиочастотного спектра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат наук Фролов Алексей Андреевич

• Фролов Алексей Андреевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Фролов Алексей Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО СПЕКТРА НА ОСНОВЕ МНОГОЧАСТОТНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ РАДИОДОСТУПА

1.1 Существующие методы управления использованием радиочастотного спектра

1.2 Анализ реализации совместного использования радиочастотного спектра

1.3 Анализ существующих сверхширокополосных систем радиодоступа

1.3.1 Определение сверхширокополосных систем радиодоступа

1.3.2 Анализ многочастотных сверхширокополосных систем радиодоступа

1.3.3 Анализ многочастотной сверхширокополосной системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов

1.3.4 Анализ многочастотной импульсной сверхширокополосной системы

1.3.5 Анализ многочастотной сверхширокополосной системы с дискретным частотным сигналом

1.4 Анализ помеховой обстановки в диапазоне частот, разрешённом для использования сверхширокополосными системами радиодоступа

1.5 Границы исследования

1.6 Разработка функциональной схемы модели системы связи с учётом УП и ШП помех

Выводы по разделу

2. РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ МНОГОЧАСТОТНОЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОДОСТУПА С СОВМЕЩЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ OFDM И КОДОВОГО РАЗДЕЛЕНИЯ АБОНЕНТОВ

2.1 Многочастотная сверхширокополосная система с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов

2.2 Разработка структурной схемы модема

2.3 Расчёт параметров многочастотной сверхширокополосной системы с совмещением

технологии OFDM и кодового разделения абонентов

Выводы по разделу

3. РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ МНОГОЧАСТОТНОЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОДОСТУПА С ДИСКРЕТНЫМИ ЧАСТОТНЫМИ СИГНАЛАМИ

3.1 Сверхширокополосные дискретные частотные сигналы

3.2 Структурная схема модема

3.3 Расчёт параметров многочастотной сверхширокополосной системы с дискретными

частотными сигналами

Выводы по разделу

4. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ МНОГОЧАСТОТНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ РАДИОДОСТУПА

4.1 Общий подход к моделированию многочастотных сверхширокополосных систем

4.2 Анализ модели канала Салеха-Валенсуэла

4.3 Разработка модели сигнала на входе приёмника сверхширокополосной системы

4.4 Имитационное моделирование многочастотных сверхширокополосных систем

4.4.1 Модель формирователя OFDM символа

4.4.2 Модель OFDM приёмника

4.4.3 Компьютерная модель многочастотной сверхширокополосной системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов

4.5 Результаты имитационного моделирования многочастотной сверхширокополосной системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов

4.6 Имитационное моделирование многочастотной сверхширокополосной системы с дискретными частотными сигналами

4.6.1 Модель формирователя многочастотного дискретного частотного сигнала

4.6.2 Модель приёмника сверхширокополосной системы с дискретными частотными сигналами

4.6.3 Компьютерная модель многочастотной сверхширокополосной системы с дискретными частотными сигналами

4.7 Результаты имитационного моделирования многочастотной сверхширокополосной системы

с дискретными частотными сигналами

Выводы по разделу

5. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И РАЗРАБОТКА

РЕКОМЕНДАЦИЙ

5.1 Расчёт эффективности использования радиочастотного спектра

5.2. Расчёт дальности действия систем

5.2.1 Расчёт дальности многочастотных сверхширокополосных систем

5.3 Расчёт дальности совместного использования спектра

5.3.1 Критерий совместного использования спектра

5.3.2 Методика расчёта дальности совместного использования спектра

5.3.3 Требования электромагнитной совместимости систем

5.4 Расчёт дальности влияния рассматриваемых систем при совместном использовании

радиочастотного спектра

5.4.1 Расчёт максимальной дальности взаимного влияния передатчика исследуемой многочастотной сверхширокополосной системы радиодоступа на приемник системы IEEE802.11 при совместном использовании радиочастотного спектра

5.4.2 Расчёт минимальной дальности разнесения приемника системы IEEE 802.11 и передатчика исследуемой сверхширокополосной системы, при которой приемник системы IEEE 802.11 еще воспринимает сигнал собственного передатчика при совместном использовании радиочастотного спектра

5.4.3 Расчёт минимальной дальности разнесения приемника исследуемой СШП системы и

передатчика системы IEEE 802.11 при совместном использовании радиочастотного спектра

5.4.4 Расчёт дальности правильного (беспомехового) приёма рассматриваемых

многочастотных сверхширокополосных систем при наличии мощной помехи

5.5. Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ на многочастотные сверхширокополосные системы

5.5.1 Исследование влияния канала на сверхширокополосную систему с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов

5.5.2 Исследование влияния канала на сверхширокополосную систему с дискретным частотным сигналом

5.5.3 Анализ полученных результатов исследования влияния канала на многочастотные сверхширокополосные системы

5.6 Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ, узкополосной и широкополосной помехи на рассматриваемые многочастотные сверхширокополосные системы

5.6.1 Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ, узкополосной и широкополосной помехами на многочастотную сверхширокополосную систему с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов

5.6.2 Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ, узкополосной и широкополосной помехами на многочастотную сверхширокополосную систему с дискретным частотным сигналом

5.6.3 Анализ полученных результатов исследования влияния узкополосной и широкополосной помехи на рассматриваемые многочастотные сверхширокополосные системы радиодоступа в условиях многолучевого канала с АБГШ

5.7 Рекомендации по совместному использованию радиочастотного спектра

Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННЫЕ МАТРИЦЫ МНОГЧАСТОТНОЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОДОСТУПА С ДИСКРЕТНЫМИ

ЧАСТОТНЫМИ СИГНАЛАМИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ПАРАМЕТРЫ ФИЛЬТРОВ МНОГЧАСТОТНОЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОДОСТУПА С ДИСКРЕТНЫМИ ЧАСТОТНЫМИ СИГНАЛАМИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование многочастотных сверхширокополосных систем радиодоступа на основе совместного использования радиочастотного спектра»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современные электронные абонентские устройства связи являются мультистандартными и обеспечивают высокую скорость передачи данных. В связи с возросшей мобильностью абонентов операторы связи больше внимания уделяют развитию систем радиодоступа и переходят к микро- и фемтосотовой организации сети, обеспечивающей клиент-ориентированное предоставление услуг связи и увеличение скорости передачи данных. За последние годы значительно увеличилось покрытие систем WiFi. В этих условиях возникает проблема перегрузки радиочастотного спектра (РЧС). Диапазоны частот 2 400 - 2 483,5 МГц, 5 150 - 5 350 МГц и 5 650 - 6 425 МГц оказываются занятыми и перегруженными.

Внедрение новых технологий радиосвязи в России сопровождается рядом проблем, связанных с обеспечением электромагнитной совместимости. Вместе с экономическими и административными решениями разрабатываются и технические решения проблемы дефицита РЧС.

Одним из путей преодоления нарастающего дефицита радиочастотного ресурса, в первую очередь для построения корпоративных мобильных сетей связи, является совместное использование РЧС различными системами радиосвязи и радиодоступа.

Эффективным техническим решением может стать применение многочастотных сверхширокополосных (СШП) сигналов, значение отношения занимаемой полосы частот которых к центральной частоте сигнала лежит в пределе от 0,5 до 2.

Известны проекты стандартов СШП связи IEEE 802.15.3a [8, 173, 149] и ETSI TS 102455 (ЕСМА-368), в которых применяется алгоритм передачи WiMedia UWB. Однако подкласс многочастотных СШП систем до конца не изучен, реальные многочастотные системы пока не реализованы, кроме опытных разработок [96].

Наиболее перспективными для радиодоступа и наименее исследованными являются многочастотные СШП системы двух типов: 1) с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов; 2) на основе дискретных частотных сложных сигналов. Многие работы посвящены исследованиям влияния узкополосных помех на импульсные и многочастотные СШП системы радиодоступа, однако исследование влияния широкополосных помех на эти системы практически не описано в литературе. В связи с вышеизложенным, тема исследования вопросов построения и применения СШП систем на основе совместного использования спектра, как с узкополосными, так и с широкополосными системами радиосвязи, является актуальной.

Степень разработанности темы.

Теория и основные принципы работы и построения импульсных и многочастотных СШП систем описаны в работах Аджемова С.С. [1, 2], Урядникова Ю.Ф. [1, 2], Иммореева И.Я. [56,

57], Сперанского В.С. [70, 71, 109], Косичкиной Т.П. [70, 71], Husein Arslan [136] и др. авторов. Также, в работах Зайцева А.В. [42, 43, 46, 49, 50] описаны принципы проектирования антенной СШП техники и организации работы многопользовательской самоорганизующейся сети радиосвязи. Наиболее изученными и проработанными из СШП систем являются импульсные системы СШП радиодоступа [1, 7, 36, 41, 51, 52, 60, 71], менее изучены и менее описаны в литературе - многочастотные СШП системы радиодоступа [71, 134, 136, 180, 182].

Исследование влияния узкополосных систем радиосвязи на рассматриваемые СШП системы и методы борьбы с узкополосными помехами представлено в работах Сперанского В.С. [70, 71], Косичкиной Т.П. [70, 71], Иммореева И. Я. [56], Судакова А. [56], Зайцева А.В. [44, 45], Радзиевского В.Г. [97], Будко П.А. [18] и др.

В работе [167] рассматривается вариант распределения радиочастотного ресурса между несколькими абонентами. Из-за малоэффективного использования РЧС несколькими абонентами, основанного на применении время-частотных кодов, применяемых в системе MB-OFDM, предложено применение кодирования в системе MB-OFDM и переход к модифицированной форме сигнала множественного доступа с многими несущими и с расширением спектра LP-OFDM. В данной работе показана эффективность применения кодирования для увеличения абонентов многочастотной СШП системы. Совместное использование РЧС в этой работе рассматривается как распределение радиочастотного ресурса между абонентами одной системы, а не как совместное использование РЧС различными системами радиодоступа.

В работе [164] отражены результаты исследований совместного использования спектра многочастотной системой радиодоступа с OFDM и когнитивной узкополосной ППРЧ системой радиодоступа, которая является для первой помехой; также выявлена циклостационарность сигнала первой системы в условиях влияния сигнала когнитивной ППРЧ системы, работающей в одной полосе частот с системой OFDM. Принцип когнитивного радио подразумевает выбор значений поднесущих частот ППРЧ системы с OFDM с минимальным воздействием сигналов двух систем друг на друга. В результате исследования выявлено свойство ортогональности сигналов, рассматриваемых в работе [164], даны рекомендации по выбору сетки частот для системы с ППРЧ, при которой минимизируется взаимное влияние систем друг на друга. Однако в данной работе не отражены характеристики рассматриваемых систем, не учитывается при расчете и моделировании коэффициент широкополосности систем радиодоступа и метод формирования сигнала с ППРЧ. По материалам статьи [164] можно сделать вывод о том, что мощность рассматриваемых систем неодинакова: мощность многочастотной системы с OFDM превышает мощность сигнала когнитивной системы с ППРЧ. В этой статье не приведена зависимость вероятности битовой ошибки от мощности помехи.

В работе [176] рассматривается проблема совместного использования спектра широкополосными и узкополосными системами радиодоступа в нелицензируемой части РЧС (2,4 ГГц). В качестве СШП системы в этом источнике рассматривается система OFDM, работающая совместно с системами Bluetooth, и системы M2M - ZigBee, создающие узкополосные помехи для системы с OFDM. Было исследовано установление временной синхронизации многочастотной СШП системы с OFDM в условиях действия узкополосной помехи.

Однако в данных работах не рассматриваются вопросы влияния широкополосных помех и условия совместного использования РЧС широкополосными системами радиодоступа и перспективными многочастотными СШП системами, которые рассмотрены в настоящей диссертации.

Анализ работ по теме совместного использования радиочастотного спектра современными системами связи с СШП системами радиодоступа показал, что данная проблема рассматривается только как совместная работа современных узкополосных систем радиодоступа с импульсными и некоторыми многочастотными СШП системами радиодоступа. Однако, практически не рассматривается совместное использование РЧС сверхширокополосных систем с современными широкополосными системами радиодоступа, работающими в настоящее время на сети общего пользования, спектральная плотность мощности которых превышает спектральную плотность мощности сигналов рассматриваемых СШП систем [107, 116, 160].

Таким образом, проблема совместного использования радиочастотного спектра современных широкополосных систем радиодоступа представляет интерес для исследования одновременной (совместной) работы в одном диапазоне частот современных широкополосных систем радиодоступа с многочастотными СШП системами радиодоступа, рассматриваемыми в настоящей диссертационной работе.

Цель работы и задачи исследования.

Цель: Разработка научно-технических решений, обеспечивающих повышение эффективности использования РЧС в корпоративных сетях за счет совместного использования РЧС многочастотными СШП системами и другими системами радиодоступа.

Предмет исследования - возможность совместного использования РЧС в диапазоне частот 2,85 - 10,6 ГГц современными системами WiFi и многочастотными СШП системами радиодоступа:

• с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов;

• на основе дискретных частотных сложных сигналов.

Объект исследования - многочастотные СШП системы радиодоступа

Научная задача исследования состоит в исследовании взаимного влияния многочастотных СШП систем радиодоступа с другими системами радиодоступа.

Частные научные задачи исследования:

1. Анализ возможностей многочастотных СШП систем радиодоступа с точки зрения их пригодности для совместного использования РЧС с другими системами радиодоступа;

2. Разработка усовершенствованной структуры многочастотных СШП систем:

а) с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов;

б) на основе дискретных частотных сложных сигналов,

как наиболее перспективных для совместного использования РЧС с другими системами радиодоступа;

3. Разработка имитационных компьютерных моделей рассмотренных в работе многочастотных СШП систем, позволяющих количественно оценить возможность совместного использования РЧС с другими современными системами радиодоступа;

4. Проведение компьютерного эксперимента на реальном сигнале с целью исследования влияния сигналов современных систем радиодоступа на характеристики многочастотных СШП систем с дискретными частотными сигналами и с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов, функционирующими совместно в одной полосе частот в условиях многолучевого канала с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ).

Методы исследования. Основная часть диссертации выполнена с привлечением методов статистической теории связи (статистического анализа и синтеза радиотехнических устройств и систем), спектрального анализа, имитационного моделирования.

Проведение полунатурного компьютерного эксперимента на разработанных имитационных компьютерных моделях исследуемых систем осуществлялось в системе математического проектирования MATLAB, а также при помощи специализированного программного обеспечения 89601ВЕ VSA векторного анализа сигналов Agilent Technologies.

Обоснованность основных научных положений и результатов исследований, рекомендаций и выводов, сделанных в диссертационной работе, подтверждается проведёнными экспериментами и статистическим математическим моделированием.

Научная новизна работы.

1. Разработаны имитационные модели предложенных в работе многочастотных СШП систем, которые, в отличие от известных, учитывают мощные узкополосные и широкополосные помехи, создаваемые современными системами радиодоступа диапазона 5 - 6 ГГц.

2. Получены характеристики помехоустойчивости СШП систем при наличии помехи, представляющей собой сигнал, сформированный по технологии OFDM, при различных долях перекрытия частотных полос полезного СШП сигнала и OFDM помехи. Исследована

зависимость помехоустойчивости СШП систем от степени подавления синхросигналов OFDM помехой.

3. Получены оценки помехоустойчивости исследуемых СШП систем радиодоступа при совместном использовании радиочастотного спектра с современными узкополосными и широкополосными системами радиодоступа на записях реальных сигналов последних, мощность которых на 38 дБ выше мощности СТТТП систем радиодоступа.

4. Теоретически и экспериментально доказана возможность совместного использования радиочастотного спектра СШП систем радиодоступа с современными системами радиодоступа, полоса сигнала которых не превышает 30% полосы СШП сигнала, и определены размеры полос сигналов современных систем радиодоступа, при которых рассматриваемые СШП системы еще могут обеспечивать приемлемые показатели качества.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в аналитическом описании обработки сигналов многочастотной СШП системы радиодоступа при наличии помехи, создаваемой другой многочастотной системой радиодоступа. Аналитическое описание представлено для двух способов формирования СШП сигнала:

а) с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов;

б) на основе дискретных частотных сложных сигналов.

Предложенное аналитическое описание легло в основу компьютерного моделирования, в ходе которого были получены потенциальные характеристики помехоустойчивости рассматриваемых СШП систем.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработаны рекомендации по совместному использованию РЧС в диапазоне частот 5 -6 ГГц сигналами многочастотной СШП системы с сигналами WiFi;

- определены границы совместного использования РЧС многочастотными СШП системами с современными системами радиодоступа диапазона 5 - 6 ГГц, применяемыми на территориях аэропортов, вокзалов, спортивных комплексах, нефтеналивных и газораспределительных портов, где развернуты сети WiFi (современных узкополосных и широкополосных систем радиодоступа стандартов IEEE 802.11n и IEEE 802.11ас);

- доказана возможность повышения до +30% эффективности использования РЧС при совместном его использовании многочастотными СШП системами радиодоступа и современными системами радиодоступа стандартов IEEE 802.11n и IEEE 802.11ас;

- результаты работы использованы в Смоленском научно-инновационном центре радиоэлектронных систем «Завант» и в научно-исследовательских работах МТУСИ.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами (Приложение 1). Результаты диссертации внедрены:

- в НИР «Разработка макета сверхширокополосной системы передачи данных», выполненной в ООО СНИЦ РЭС «Завант»;

- в НИР «Исследование возможности применения СШП систем как вариант решения проблемы дефицита РЧС» (Отчет о НИР МТУСИ, Инв.№ 02201450090, Рег.№ 01201450011);

- в НИР «Исследование особенностей применения различных методов модуляции в многочастотных сверхширокополосных системах радиодоступа» (Отчет о НИР МТУСИ, Инв.№ 02201459198, Рег№ 01201464658).

- в учебный процесс кафедры «Радиотехнических систем» МТУСИ.

Степень достоверности и апробация результатов. Основное содержание диссертации, а также результаты теоретических и экспериментальных научных исследований отражены в 21 публикации. Публикации включают 7 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК при Минобрнауки РФ, 2 рукописные работы (отчеты о НИР) и 12 статей в сборниках материалов конференций.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректностью применения математических методов и подтверждается соответствием результатов, полученных путем аналитических расчетов и численного моделирования.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-ти научных конференциях, среди которых: отраслевые научные конференции «Технологии информационного общества» (Москва, 2012, 2013, 2015 гг.); Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в мире коммуникаций» (Москва, 2012г.); Молодежном научном форуме МТУСИ «Телекоммуникации и инфокоммуникационные технологии - реалии, возможности, перспективы» (Москва, 2011 г.); «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Международной научно-технической конференции «INTERMATIC» (Москва, 2011, 2012, 2013, 2015, 2018 гг.); Международном форуме информатизации и международном конгрессе «Коммуникационные технологии и сети» (Москва, 2013г.); Международной конференции «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий» (Москва, 2014 г., 2017 г.); Международной научно-технической конференции «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях» («СИНХРОИНФО 2015»); Международной научно-технической конференции «Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems» («WECONF» 2018г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Многочастотные СШП системы радиодоступа, построенные на основе разработанных в диссертации модифицированных структурных схем этих систем, обеспечивают совместное использование РЧС с современными узкополосными и широкополосными системами радиодоступа и позволяют увеличить относительную эффективность использования спектра от 0,27% (0,01 бит/с/Гц) до 28,6% (0,4 бит/с/Гц) при снижении помехоустойчивости на значение от 1,5 дБ до 10 дБ, соответственно.

2. Рассмотренные многочастотные СШП системы радиодоступа позволяют производить передачу данных в сенсорных сетях при обеспечении совместного использования РЧС и современных узкополосных и широкополосных систем радиодоступа.

3. Разработанные имитационные компьютерные модели многочастотных СШП систем позволяют исследовать взаимное влияние с системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 и возможность совместного использования радиочастотного спектра многочастотных СШП систем и систем данного стандарта при разности спектральных плотностей мощности этих систем, достигающей 38 дБ.

4. Разработанные рекомендации позволяют организовать эффективное совместное использование спектра при условии многолучевого канала с АБГШ многочастотными СШП системами радиодоступа с системами стандарта IEEE 802.11 при отсутствии смены режима устойчивости и перекрытии их спектров от 8% до 30% при отношении сигнал/шум от 11,5 дБ до 21 дБ, соответственно.

Личный вклад. Все результаты, сформулированные в основных положениях, выносимых на защиту, получены автором самостоятельно. Из работ, опубликованных в соавторстве, в диссертацию включена та их часть, которая получена автором лично.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из Введения, пяти разделов, Заключения, списка литературы и трех приложений. Основная часть диссертации изложена на 1 79 страницах текста с 45 иллюстрациями и 19 таблицами. Список литературы насчитывает 182 наименования.

Соответствие положений выбранной специальности. Выносимые на защиту положения относятся к специальности «05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций», включающей, согласно паспорту, «вопросы ... новых методов обеспечения эффективного функционирования». Положения 2 и 3, выносимые на защиту, относятся к определенной в паспорте специальности области исследований, включающей «Исследование и разработка новых . модемов, . обеспечивающих высокую надежность обмена информацией в условиях воздействия внешних и внутренних помех».

Положения 1 и 4 относятся к определенной в паспорте специальности области исследований, включающей «Разработка научно-технических основ технологии создания сетей, систем и устройств телекоммуникаций и обеспечения их эффективного функционирования».

1. АНАЛИЗ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО СПЕКТРА НА ОСНОВЕ МНОГОЧАСТОТНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ

РАДИОДОСТУПА

Радиочастотный спектр, как природный ресурс, был открыт с изобретением радио и стал широко использоваться с 20-х годов ХХ века. С тех пор непрерывный и быстрый рост технических средств с радиоизлучателями определяет востребованность радиочастотного спектра (РЧС). Социальное, экономическое и научно-техническое значение РЧС настолько велико, что современное общество нельзя представить без этого ресурса. Факторы, характеризующие природные особенности РЧС (частота, пространство, время), обуславливают и объективно существующую его ограниченность. В настоящее время РЧС переполнен средствами связи различного назначения.

1.1 Существующие методы управления использованием радиочастотного спектра

Проблема дефицита РЧС на сегодняшний день является, в первую очередь, проблемой администрирования спектра. Технические реализации ее решений должны удовлетворять требованиям, изложенным в принятых административных регламентах (приказах, руководящих документах Россвязи и государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ)). Методы управления РЧС можно выделить в две большие группы: административные методы и технические решения и средства.

В мировой практике для управления РЧС используют различные сочетания этих методов, объединяемых в комбинированную модель, которая может отражать любые варианты распределения задач, правомочий и функций регулирующих органов [31].

Совместный метод управления является наиболее подходящим для большинства стран мира, в том числе и России. Он позволяет обеспечивать государственный контроль над управлением использования радиочастотного ресурса, стимулировать повышение эффективности использования и снизить государственные расходы на его управление [87].

Основные положения теории управления использованием РЧС и экономических аспектов этой теории описаны в работах: [19, 21, 25, 26, 27, 30, 31, 32, 53, 54, 65, 74, 75, 101, 131, 141, 142] и др.

Вместе с экономическими и административными методами разрабатываются и технические решения проблемы дефицита РЧС. Технические решения направлены не только на реализацию совместного метода управления использованием РЧС, но и на повышение эффективности его использования.

В России внедрение новых технологий сопровождается рядом проблем, связанных с эффективностью использования радиочастотного ресурса. Наиболее значимая из них -обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Технические решения проблемы дефицита РЧС возможны по следующим направлениям [124, 129]:

• повышение эффективности использования РЧС;

• конверсия и перераспределение РЧС;

• выделение радиочастотного ресурса, нейтрального к конкретной технологии;

• совместное использование РЧС.

Повышение эффективности использования РЧС является главным условием для внедрения новых технологий радиосвязи при ограниченном спектре. Реальный путь его выполнения - максимальное снижение вводимых ограничений по ЭМС до объективных и разумных значений (без лишних запасов) за счет применения методик оценки эффективности использования РЧС [105].

В зависимости от страны правительства вводят ограничения по мощности сигнала системы. Например, в США в диапазоне 900 МГц максимальная мощность - 1 Вт или 4 Вт EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power - эквивалентная изотропная излучаемая мощность) [177].

Конверсия и перераспределение частот - это методы повышения эффективности использования РЧС, которые имеют ограниченное применение и не могут быть использованы в перспективном развитии технологий телекоммуникаций. Конверсия и перераспределение частот регулируется государством [86, 124, 129].

Под выделением радиочастотного ресурса, нейтрального к конкретной технологии, подразумеваются радиотехнологии, работающие в диапазоне «нелицензируемых» частот РЧС. Под «нелицензируемым» диапазоном частот понимается полоса частот (диапазон), определенная органом управления радиочастотным спектром как свободная от необходимости регистрации.

Использование «нелицензируемых» частот имеет ряд преимуществ: исключение расходов на получение лицензии; развитость рынка продукции, поддерживающей эти частоты; низкая стоимость ввода систем в эксплуатацию [134]. Основным недостатком являются помехи, появляющиеся вследствие работы нескольких систем на одной частоте (данный недостаток заложен в самой идее использования «нелицензируемых» частот).

Подход к построению интеллектуальных радиосистем, получивший название когнитивное радио [34, 128, 140, 171], является передовой технологией, позволяющей обеспечить рациональное использование радиочастотного спектра [34, 48, 68, 69]. Эти радиосистемы способны получать и передавать сигнал на адаптивно изменяемых

радиочастотах, а также изменять вид модуляции, тип кодирования и другие параметры системы и обеспечивать требуемое качество связи. Исследования в области когнитивного радио лежат на стыке радиотехники и искусственного интеллекта.

В настоящее время в мире активно строятся такие системы широкополосного радиодоступа в диапазоне от 50 до 960 МГц, разработано предложение по модернизации GSM-сети в России [34].

Основные положения и результаты в области конверсии РЧС и принципов технологической нейтральности систем описаны в работах: [19, 20, 21, 22, 26, 27, 30, 53, 65, 74, 75, 106] и др.

1.2 Анализ реализации совместного использования радиочастотного спектра

Происходящее в последние несколько лет взаимное проникновение технологий радиодоступа является основой совместного использования РЧС. Так, например, с целью повышения эффективности использования РЧС происходит взаимодополнение таких технологий, как IMT, MIMO, HSPA и др. [107]. Совместное использование РЧС является одной из реализаций принципа технологической нейтральности.

Ярким примером совместного использования РЧС является работа РЭС в нелицензируемой части РЧС, в полосе 2400 - 2483,5 МГц. Данный диапазон делят системы радиодоступа с ограниченным радиусом действия стандартов WiFi, LTE, Bluetooth и др. [117].

До недавнего времени совместное использование РЧС относилось в основном к узкополосным и широкополосным системам. Развитие сверхширокополосных систем позволяет совместно работать на одних и тех же частотах всем трем системам и обеспечивать скорость передачи выше 100 Мбит/с при 500 МГц и более занимаемой полосы. Принцип совместного использования РЧС возможно реализовать в сверхширокополосных системах, в то время как остальные системы построены по принципу вторичного использования РЧС [39].

Для обеспечения возможности совместной работы в одном диапазоне частот УП, ШП и СШП систем их взаимное влияние не должно превышать некоторых установленных пределов.

Исследования и разработка решений проблемы дефицита РЧС и принципов совместного использования РЧС описаны в работах: [18, 21, 57, 70, 80, 86, 97, 101, 106, 124, 137, 169] и др.

Результаты анализа основных методов и процедур управления использованием РЧС [124] дают основания констатировать факт, что системы связи, выполненные по СШП технологии, актуальны для исследования, обладают рядом преимуществ [108] и предоставляют возможность обеспечения совместного использования спектра [34, 39, 48, 56, 68, 69, 123, 132, 155, 167].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фролов Алексей Андреевич, 2020 год

Источник УП помех

(точка доступа WiFi) (<?>)

Dv

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

СШП

модем Абонент 2

а)

П

моде Абонент 1

D3= 0,1м

СШП

модем Абонент 2

СШП

мо

Абонент 1

б)

Рисунок 5.5 Минимальная дальность разнесения приемника системы IEEE 802.11 и передатчика многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов, при которой приемник системы IEEE 802.11 еще воспринимает сигнал собственного передатчика при совместном использовании РЧС а) с узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 n; б) с широкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 ас.

Таким образом, показано, что совместное использование РЧС многочастотными СШП системами радиодоступа возможно при удалении передатчика многочастотной СШП с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов на расстояние более 0,1 метра от приёмной антенны системы стандарта IEEE 802.11n. При удалении того же передатчика на расстояние более 0,1 метров от приёмной антенны системы стандарта IEEE 802.11ас данная многочастотная СШП система обеспечивает совместное использование РЧС.

Источник УП помех (точка дс—

Источник УП помех (точка доступа WiFi)

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

ШП-ДЧ

модем /Абонент 2

Абонент 1

Абонент 1

а)

б)

Рисунок 5.6 Минимальная дальность разнесения приемника системы IEEE 802.11 и передатчика многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами, при которой приемник системы IEEE 802.11 еще воспринимает сигнал собственного передатчика при совместном использовании РЧС а) с узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 n; б) с широкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 ас.

Также показано, что совместное использование РЧС многочастотными СШП системами радиодоступа возможно при удалении передатчика многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами на расстояние более 0,1 метра от приёмной антенны системы стандарта IEEE 802.11n; при удалении передатчика многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами на расстояние более 0,01 метров от приёмной антенны системы стандарта IEEE 802.11ас данная система также обеспечивает совместное использование РЧС.

5.4.3 Расчёт минимальной дальности разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика системы IEEE 802.11 при совместном использовании радиочастотного

В связи с тем, что в данной работе исследуется совместное использование спектра в диапазоне частот 5 - 6 ГГц системами радиодоступа, мощности сигналов которых различаются на 38 дБ (мощность помехи превышает мощность полезного сигнала исследуемых многочастотных СШП систем), минимальную дальность разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика системы стандарта IEEE 802.11, при которой сигнал IEEE 802.11 различается на фоне шумов в приемнике исследуемой СШП системы при совместном использовании РЧС, определяют параметры приёмника многочастотных СШП систем.

При совместной работе двух систем радиодоступа в одной полосе частот на вход приёмника поступает аддитивная смесь полезного сигнала и помехи. Полоса рабочих частот многочастотных СШП систем превышает полосы частот УП и ШП систем в 12,5 и 3 раза, соответственно. В данном случае рассматривается ситуация, когда полосы передачи/приёма многочастотной СШП системы частично перекрываются «системой-помехой». В таком случае минимальной дальностью разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика IEEE 802.11, при совместном использовании РЧС, будет являться дальность, на которой сигнал

спектра

IEEE 802.11 еще воспринимается приёмником исследуемой многочастотной СШП системы радиодоступа (сигнал IEEE 802.11 различается на фоне шумов в приемнике исследуемой СШП системы). В связи с этим при расчёте дальности по формулам 5.15 - 5.19 в формуле 5.17 появляется помеховая составляющая, поступающая на вход приёмника многочастотной СШП системы. Мощности полезного сигнала и сигнала помехи различны и полосы этих сигналов разные, при расчёте минимальной дальности разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС необходимо учитывать долю мощности каждой составляющей в полосе приёма многочастотной СШП системы.

Уровень шума в полосе приёма NnpM при расчёте минимальной дальности разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС определяет уровень шума в полосе приёма исследуемых многочастотных СШП систем радиодоступа, который был рассчитан в п.п. 5.2.1.

Таким образом, в выражении 5.18 появиться слагаемое ^ уп(шп) _ р^помехи, являющееся

средней мощностью системы IEEE 802.11, и коэффициент (1 —Л F УП(ШПА _ коэффициент

действия шума в полосе приема многочастотной СШП системы, не подвергнутой помехе.

Также, изменив формулу 5.18, получим мощность минимального сигнала на входе приёмника СШП системы радиодоступа с учётом влияния передатчика IEEE 802.11:

А РуИЩТЛ 2 А Г У П(ШП)

£ ■ NnPM ■ Ч + —гъ

СШП ' А г СШП

2

где: q _ отношение сигнал/шум на входе приёмника; N ПРм - уровень шума, в рабочей полосе приёмника СШП системы с учётом средней мощности УП или ШП помехи действующей в канале; ( 1--ЖшпЛ _ коэффициент действия шума в полосе многочастотной СШП системы, не

подвергнутой помехе; АГсшп_ полоса сигнала приёма исследуемой многочастотной СШП системы, АF уп(шП)_ полоса сигнала УП или ШП системы-помехи; Рср.поМеХи _ средняя мощность УП и ШП помехи; L 0 б щ. _ обобщенные потери на трассе.

Подставив полученные выражения 5.25 в формулу 5.15, получим выражение 5.26, позволяющее рассчитать D4 _ минимальную дальность разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС:

р ПРм+УП(ШП)

_ I. А гуп(шп)\ N | А гуп(шп) р _! (_25)

— I 1 ли I ■ 1 1ПРм Ч 1 л с ■ Рср. помехи L0 Б Щ (5.25)

\ ¿it г тип / Д г г тип

n I РпРд ■ (*ПРд ■ GnpM(c ■ tj)2

_ ( 2 d-1--(5 26)

1 t> ■ 7Г ■ г ПРм+УП(ШП) ■ L 0 БЩ

где: РПРд _ мощность передатчика СШП системы; ОПРд_ коэффициент усиления антенны передатчика; 0ПРм _ коэффициент усиления антенны приёмника; c _ скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; т _ длительность излучаемого/принимаемого символа СШП системы радиодоступа; L общ. _ обобщенные потери на трассе.

Параметры УП и ШП систем для расчёта минимальной дальности разнесения приемника исследуемых многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового

разделения абонентов и многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами и передатчика системы IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС, а также результаты расчёта представлены в таблице 5.6.

Таблица 5.6 Результаты расчёта минимальной дальности разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС, при котором сигнал передатчика IEEE 802.11 в приёмнике СШП системы превышает уровень шумов.

Системы ПРд/ПРм Параметры систем Искомый параметр

A/rx, МГц А/, МГц Ш Спрд Gotm Рпрд , Вт т, с pпрм, дБм D4, м

УП+СШП / СШП 500 40 1,5 2 2 1 25*10-9 -62 0,002

ШП+СШП / СШП 500 160 1,5 2 2 0,1 6,25*10-9 -50 0,001

СШП/СШП 500 500 1,5 2 2 0,281 *10-6 3,3*10-9 -70,7 D1=1,3

УП+СШП-ДЧ/ СШП-ДЧ 500 40 1,5 2 2 1 25*10-9 -62 0,001

ШП+СШП-ДЧ/ СШП-ДЧ 500 160 1,5 2 2 0,1 6,25*10-9 -50 0,001

СШП-ДЧ / СШП-ДЧ 500 500 1,5 2 2 0,0281*10-6 20*10-9 -70,7 D1=2,4

На рисунках 5.7 и 5.8 представлены графические интерпретации полученных результат при расчёте минимальной дальности разнесения приемника исследуемой СШП системы и передатчика системы IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС.

Источник УП помех (точка доступа WiFi)

(<?>)

Источник УП помех (точка доступа WiFi) ((?))'

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

СШП

модем Абонент 2

СШП

модем Абонент 1

СШП

модем Абонент 1

СШП

модем Абонент 2

а)

б)

Рисунок 5.7 Минимальная дальность разнесения приемника исследуемых многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов и передатчика системы IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС а) с узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 n; б) с широкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 ас.

В результате проведённых расчётов показано, что минимальная дальность разнесения приемника исследуемой многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов и передатчика системы IEEE 802.11n при совместном

использовании РЧС составляет 0,002 м. Также показано, что минимальная дальность разнесения приемника той же СШП системы и передатчика системы IEEE 802.11ас при совместном использовании РЧС равна 0,001 м.

Источник УП помех (точка доступа WiFi)

Источник УП помех (точка доступа WiFi) ((?))

СШП-ДЧ

модем Абонент 1

СШП-ДЧ

модем бонент 2

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

СШП-ДЧ

модем Абонент 1

СШП-ДЧ

модем Абонент 2

а) б)

Рисунок 5.8 Минимальная дальность разнесения приемника исследуемых многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами и передатчика системы IEEE 802.11 при совместном использовании РЧС при совместном использовании РЧС а) с узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11n; б) с широкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 ас.

В результате проведённых расчётов показано, что минимальная дальность разнесения приемника исследуемой многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами и передатчика стандарта IEEE 802.11n при совместном использовании РЧС составляет 0,001 м. Также показано, что минимальная дальность разнесения приемника исследуемой многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами и передатчика стандарта IEEE 802.11ас при совместном использовании РЧС равна 0,001 м.

5.4.4 Расчёт дальности правильного (беспомехового) приёма рассматриваемых

многочастотных сверхширокополосных систем при наличии мощной помехи

В данной работе рассматриваемые ситуации предполагают, что в полосе приёма исследуемых многочастотных СШП систем радиодоступа действует мощная помеха (узкополосная или широкополосная). Мощность этих помех много больше мощности рассматриваемых многочастотных СШП систем и намного больше, чем максимальный уровень сигнала на входе приёмника этих систем.

Данный уровень задается параметрами входного тракта и устройствами, входящими в его состав. Исследование и расчёт параметров входных цепей радиотракта исследуемых многочастотных СШП систем представляет собой отдельное исследование и в данной работе не рассматривается. Для примера можно воспользоваться параметрами входных устройств, находящимися в широком доступе, которые представлены в [6, 102, 156].

Обычно, на практике при превышении уровнем помехи максимального уровня сигнала на входе приёмника многочастотной СШП системы (любой системы) срабатывает пороговое

устройство, которое предохраняет цепи и устройства приёмника от мощных СВЧ воздействий и адаптирует диапазон приёма и передачи (отключает забитые помехой частоты) под условия канала в рабочем диапазоне частот. В этом случае приём того же самого сигнала производиться в меньшей полосе частот. Адаптивные алгоритмы OFDM приёмопередатчиков позволяют производить подстройку параметров многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов. В многочастотной СШП системе с ДЧ сигналами для передачи и приёма сигнала в меньшей полосе частот также могут применяться адаптивные алгоритмы определения параметров системы - например, дополнительный алгоритм приёма, отличающийся от основного лишь тем, что в нем будет учитываться меньшее количество частотных субканалов и, соответственно, пороговый уровень в решающем устройстве будет меньше стандартного.

Другой вариант компенсации мощной помехи - применение адаптивного режекторного фильтра. В этом случае, пороговое устройство при необходимости подает поступающую на антенну аддитивную смесь сигнала, шума и мощной помехи на адаптивный режекторный фильтр, который спроектирован в соответствии с параметрами и определенным типом помехи. Однако, применение режекторного фильтра приводит к дополнительным аппаратным затратам на его реализацию, тогда как адаптация количества поднесущих и частотных субканалов позволяет обойтись незначительным усложнением алгоритма обработки и приёма-передачи сигнала.

Таким образом, мощная помеха оказывает влияние на сигнал рассматриваемых в этой работе многочастотных СШП радиодоступа и это влияние можно выразить в дальности правильного (беспомехового) приёма сигнала. Следовательно, для расчёта дальности действия многочастотной СШП системы в ограниченном помехой частотном канале в выражении 5.18

Л F уп(шп)\

появится множитель I 1---—- I отвечающий за долю правильного приёма в условиях

v Л Fсшп '

действия мощной УП или ШП помехи. Слагаемое, отвечающее за мощность помехи в полосе приёма исследуемой СШП системы, не учитывается.

Изменив, таким образом, формулу 5.18, получим минимальный сигнал на входе приёмника исследуемой многочастотной СШП системы при правильном приёме сигнала с учётом перекрытия полосы частот УП или ШП системами радиодоступа:

Л FУп (ШП)\

= ( щ. ■ Я2 (5.27)

\ ¿itгтип /

РшРм

\ Л г СШП

2

где: q - отношение сигнал/шум на входе приёмника; ^ПРм - уровень шума в рабочей полосе приёмника УП или ШП систем с учётом средней мощности СШП помехи действующей в

канале; ^ 1 —- коэффициент действия шума в полосе многочастотной СШП системы,

не подвергнутой помехе; Л¥уп-шп- полоса частот сигнала системы-помехи.

Подставив полученные выражение 5.27 в формулу 5.15, получим выражение 5.28, позволяющее рассчитать - максимальную дальность совместного использования РЧС исследуемой многочастотной СШП системы приёмниками УП и ШП систем радиодоступа, находящимися в одном частотном диапазоне, при правильном приёме СШП сигнала

многочастотной исследуемой СШП системой с учётом перекрытия полосы частот УП или ШП системами радиодоступа:

п КПРд " &ПРд ■ ^ПРм(с ■ т)2

_ I 1 6-7Г2 . Р-1--(5 )

^ 1Ь 7Г ^1лрл< ¿ОБЩ

где: Рпра - мощность передатчика СШП системы; Опрд~ коэффициент усиления антенны передатчика; ОпРм - коэффициент усиления антенны приёмника, с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; т- длительность излучаемого символа СШП системы радиодоступа; Ь0 б щ. - обобщенные потери на трассе.

Параметры УП и ШП систем для расчёта дальности правильного (беспомехового) приёма, а также результаты расчёта представлены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 Результаты расчёта максимальной дальности правильного приёма исследуемых многочастотных СШП систем без учёта (с режекцией) влияния помехи._

Системы ПРд/ПРм Параметры систем Искомый параметр

АР СШП - АРуп(шп)ч МГц Ш ^ПРд СлРм РиРд? Вт т, с РПРМ5 дБм Б5, м

УП+СШП / СШП-УП 460 3 2 2 1 25*10-9 -62 0,42

ШП+СШП/ СШП-ШП 340 3 2 2 0,1 6,25*10-9 -50 0,48

СШП/СШП 500 1,5 2 2 0,281*10-6 3,3*10-9 -70,7 В1=1,3

УП+СШП-ДЧ / СШП-ДЧ-УП 460 3 2 2 1 5*10-9 -62 0,13

ШП+СШП-ДЧ / СШП-ДЧ-ШП 340 3 2 2 0,1 6,25*10-9 -50 0,15

СШП-ДЧ/ СШП-ДЧ 500 1,5 2 2 0,0281*10-6 20*10-9 -70,7 Б1=2,4

На рисунках 5.9 и 5.10 представлены графические интерпретации полученных результатов при расчёте максимальной дальности правильного (беспомехового) приёма при совместном использования РЧС исследуемыми многочастотными СШП системами радиодоступа с современными УП и ШП системами радиодоступа диапазона 5 - 6 ГГц.

СШП

модем ((»)) Абонент 1 ПР

Источник УП помех (точка доступа WiFi)

а)

СШП модем (о Абонент 1 ПРд /(Цм

Источник ШП помех (точка доступа WiFi) ((?"))

б)

Рисунок 5.9 Максимальная дальность многочастотной СШП системы радиодоступа с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов а) с узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 n; б) с широкополосными системами

радиодоступа стандарта IEEE 802.11 ас.

Расчётное значение максимальной дальности правильного (беспомехового) приёма при совместном использования РЧС в диапазоне 5-6 ГГц многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов с современными УП системами радиодоступа равно 0,42 м, а с ШП системами радиодоступа - 0,48 м.

СШП-ДЧ

модем ((, Абонент 1 ПРд

а)

Источник УП помех (точка доступа WiFi) (^рСШП-ДЧ^о))

модем ^^ -Абонент 2 ПРм

СШП-ДЧ

модем Абонент Прд

Источник ШП помех (точка доступа WiFi)

б)

Рисунок 5.10 Максимальная дальность совместного использования РЧС многочастотной СШП системы радиодоступа с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов а) с узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 n; б) с широкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11 ас.

Максимальная расчётная дальность правильного (беспомехового) приёма при совместном использования РЧС в диапазоне 5 - 6 ГГц многочастотной СШП системы с ДЧ

сигналами с современными УП системами радиодоступа составляет 0,13 м, а с ШП системами радиодоступа - 0,15 м.

Таким образом, были получены границы совместного использования радиочастотного спектра исследуемой многочастотной СШП системой с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов с современными узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11n и с широкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11ac, работающими в диапазоне 5-6 ГГц, и границы совместного использования радиочастотного спектра исследуемой многочастотной СШП системе с ДЧ сигналами с современными узкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11n и с широкополосными системами радиодоступа стандарта IEEE 802.11ac, работающими в диапазоне 5-6 ГГц. Также, получена граница минимального влияния исследуемых многочастотных СШП систем на системы стандарта IEEE 802.11n и стандарта IEEE 802.11ас. На основе полученных данных можно составить рекомендации по совместному использованию радиочастотного спектра в диапазоне 5 - 6 ГГц для: узкополосной системы стандарта IEEE 802.11n; широкополосной системы стандарта IEEE 802.11ac; многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов; многочастотная СШП система с ДЧ сигналами.

5.5. Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ на многочастотные

сверхширокополосные системы

Имитационное компьютерное моделирование многочастотной СШП системы с

совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов проводилось в программной среде Matlab в пакете Simulink. Результатами моделирования являются полученные графики зависимости битовой ошибки от значения отношения сигнал/шум.

Графики зависимости битовой ошибки от отношения сигнал/шум строятся по точкам, координаты которых являются результатами моделирования. Для получения этих графиков измерения производились путем перестройки модели канала связи. Значение частоты битовой ошибки измерялось в точках со значением отношения сигнал/шум, взятыми через 1 дБ на отрезке {0, 20} дБ.

Проведен компьютерный эксперимент [9, 28] на имитационной модели многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов и канала -модель Салеха-Валенсуэла. Численные значения параметров канала, описываемого моделью Салеха-Валенсуэла, представлены в таблице 4.1. Сигнал на входе приёмника S nPM(t) определяется по известной формуле и определяется как аддитивная смесь свертки сигнала с выхода передатчика с импульсной характеристикой многолучевого канала с АБГШ:

SupmCO = -WO * Kt,L,K) + 7] (t)

(5.29)

где: Б прд(?) - сигнал на выходе передатчика рассматриваемой СШП системы; к(г,Ь,К)-импульсная характеристика канала, описываемая моделью Салеха-Валенсуэла; 7] (^ -аддитивный белый Гауссовский шум.

Импульсная характеристика канала, как уже было сказано, в соответствии с моделью Салеха-Валесуэла определяется формулой (4.1).

5.5.1 Исследование влияния канала на сверхширокополосную систему с совмещением

Математическая модель сигнала на выходе передатчика многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов описываются выражением

Соответственно, подставив в формулу (5.29) выражения (2.1) и (4.1), получим выражение (5.30) - сигнал многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов на входе приёмника в многолучевом канале с АБГШ без помех:

где: зеленым цветом обозначен сигнал исследуемой системы СШП-СГВМ; и Е { 0 , 1 , 2 ,...,и — 1 } - номер абонента исследуемой системы СШП-ОЕБМ; U - количество абонентов исследуемой системы СШП-ОББМ; п - номер текущего отсчёта, количество отсчётов N исследуемой системы СШП-ОББМ; p - номер гармоники (поднесущей) исследуемой системы СШП-ОББМ; P - количество поднесущих до префикса исследуемой системы СШП-ОББМ; du(p) - отсчёты передаваемого сообщения абонента исследуемой системы СШП-ОГВМ с номером и; си(р) - отсчёты кодовой последовательности абонента исследуемой системы СШП-ОББМ с номером и; /0 - центральная частота рабочего частотного канала исследуемой системы СШП-ОББМ; V (р ) - служебные символы исследуемой системы СШП-ОББМ; черным цветом обозначен изменения вносимые каналом; 5(^) - дельта-функция; Г;- время запаздывания 1-го пучка (кластера); т^ - запаздывание к-го луча в 1-м кластере относительно времени запаздывания первого луча; Ди - амплитуда к-го луча в 1-м кластере; ](/) - аддитивный белый Гауссовский шум.

Результатами компьютерного эксперимента являются значения отношения сигнал/шум и соответствующие им значения битовой ошибки, которые определяют помехоустойчивость рассматриваемой системы с учётом многолучевого канала и АБГШ. Проанализируем графики,

технологий OFDM и кодового разделения абонентов

(2.1)

SnP.M-OFDM

(5.30)

построенные по полученным данным, представлены на рисунке 5.11. При моделировании СШП системы рассматривались четыре модели многолучевого канала: СМ1 - СМ4, описанные в данном разделе.

Рисунок 5.11 Графики зависимостей вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для Многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения

абонентов в многолучевом канале с АБГШ.

В соответствии с параметрами модели многолучевого канала, приведёнными в таблице 4.1, на графиках (рисунок 5.11) видно, что многочастотная СШП система достигает заданного

о

уровня вероятности битовых ошибок 10- в точках с ОСШ: СМ1 - 8,4 дБ; СМ2 - 9,2 дБ; СМ3 -

9,8 дБ; СМ4 - 10,5 дБ. Таким образом, относительно модели канала СМ1 многочастотная СШП система с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов имеет снижение помехоустойчивости при модели канала СМ2 до 0,4 дБ; при модели канала СМ3 - около 1,2 дБ; при модели канала СМ4 - 2,1 дБ.

Результаты моделирования многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов при смене модели многолучевого канала отличаются незначительно. Наблюдается ухудшение помехоустойчивости многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов при смене модели канала. Ухудшение помехоустойчивости в зависимости от условий канала (от модели к модели, СМ1 -СМ4) составляет в среднем 0,7 дБ.

Тенденция к ухудшению помехоустойчивости при ухудшении условий канала наблюдается во всех существующих системах радиодоступа. Таким образом, сравнение схожих систем по устойчивости к условиям канала можно проводить по результатам в канале без затенений (СМ1) и в канале с максимальным числом затенений (СМ4). На рисунке 5.11 графики «MB-OFDM (200 Мбит/с), СМ1» и «MB-OFDM (200 Мбит/с), СМ4» соответствует результатам, полученным для многочастотной СШП системы с OFDM и (MB-OFDM), обеспечивающей скорость передачи данных 200 Мбит/с. Эти результаты описанным в [122, 127, 155]. В результате сравнения результатов помехоустойчивости известной системы радиодоступа MB-OFDM с полученными в этой работе результатами помехоустойчивости рассматриваемой многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в условиях канала СМ1 и СМ4, наблюдается выигрыш исследуемой системы порядка 0,4 дБ, разница между результатами в условиях канала СМ1 и СМ4 составляет 2,1 дБ как для известной системы, так и для рассматриваемой.

Таким образом, при применении совмещения технологий в многочастотной СШП системе с OFDM выигрыш в помехоустойчивости составляет в среднем 0,4 дБ и обеспечивается увеличение количества абонентов до 129 (в оригинале MB-OFDM речь идёт об одном абоненте).

5.5.2 Исследование влияния канала на сверхширокополосную систему с дискретным

частотным сигналом

Компьютерный эксперимент [9, 28] проводился при аналогичных условиях, что и для многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов. Математическая модель сигнала на выходе передатчика многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом описывается выражением (1.3).

Соответственно, подставив в формулу (5.29) выражения (1.3) и (4.1), раскрыв операцию свертки, получим выражение (5.31) для огибающей сигнала многочастотной СШП системы с

совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов на входе приёмника в многолучевом канале с АБГШ без помех.

/n-1 м-1

$прм-дч(0 = | ^ ^ а;(у)ф((г - Mt) - т) exp(i7y(v)/3iot)

(5.31)

^ \

Л Л - Тг - ткЛ) dx + 77(t)

4=0 к=0 /

где: зеленым цветом обозначен сигнал исследуемой системы СШП-ДЧ; u - номер абонента, ан(у)- комплексная амплитуда V -го частотного субканала; Ф(1)- форма сигнала временного элемента; Дш- шаг сетки частот; уи(у) - символ частотной кодовой последовательности; п -номер временного элемента; М - число частотных субканалов, N - число временных слотов; черным цветом обозначен изменения вносимые каналом; 5(^) - дельта-функция; Т- время запаздывания 1-го пучка (кластера); тщ - запаздывание к-го луча в 1-м кластере относительно времени запаздывания первого луча; Ди - амплитуда к-го луча в 1-м кластере; - аддитивный белый Гауссовский шум.

Результатами эксперимента являются графики зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум рассматриваемой системы с учётом многолучевого канала и АБГШ. Графики зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум, полученные в результате моделирования, изображены на рисунке 5.12. Моделирование СТТТП системы проводилось для четырех моделей многолучевого канала: СМ1 - СМ4, описанных ранее. Измерения производились путем перестройки модели канала связи. Значение частоты битовой ошибки измерялось в точках со значением отношения сигнал/шум взятыми через 1 дБ на отрезке {0, 20} дБ. Результаты компьютерного моделирования СШП системы при смене модели многолучевого канала отличаются друг от друга. Наблюдается ухудшение помехоустойчивости многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом.

Как отмечалось ранее, сложный ДЧ сигнал является более помехоустойчивым. Применение таких сигналов для передачи данных позволяет снизить уровень шума в канале в «базу раз». Вероятность максимальной ошибки для данной системы примем равную 10- , как и для ранее описанной системы. На рисунок 5.12 представлены результаты моделирования влияния многолучевого канала, описываемого моделью Салеха-Валенсуэла, на сигнал рассматриваемой многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом.

P 1

г ош

0.1

0.01

1x10-

:DM Мбит/с), СМ1

М

Мбит/с)

0123456789

10 11 12 13 Eb/No, дБ

Рисунок 5.12 Графики зависимостей вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом в многолучевом канале с АБГШ.

В соответствии с условиями моделей многолучевого канала (СМ1 - СМ4), на графиках видно, что многочастотная СШП система с ДЧ сигналом достигает заданного уровня

3 „

вероятности битовых ошибок 10- в точках со значениями ОСШ: СМ1 (без затенений) - 9,2 дБ; СМ2 (с затенениями) - 9,8 дБ; СМ3 (с затенениями) - 10,4 дБ; СМ4 (с затенениями) - 10,8 дБ.

3

Таким образом, относительно модели канала СМ1 многочастотная СШП система с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов имеет проигрыш в помехоустойчивости при модели канала СМ2 до 0,6 дБ; при модели канала СМ3 - около 1,2 дБ; при модели канала СМ4 - 1,6 дБ.

Результаты моделирования многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами при смене модели многолучевого канала отличаются незначительно. Наблюдается ухудшение помехоустойчивости многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами при смене модели канала. Ухудшение помехоустойчивости в зависимости от условий канала (от модели к модели, СМ1 -СМ4) составляет в среднем 0,5 дБ.

При сравнении результатов помехоустойчивости известной системы радиодоступа MB-OFDM в условиях канала СМ1 и СМ4 (на рисунке 5.12 график «MB-OFDM (200 Мбит/с), СМ1» и график «MB-OFDM (200 Мбит/с), СМ4» соответственно) [136, 179, 181] с полученным в этой работе результатами помехоустойчивости, рассматриваемой многочастотной СШП системы радиодоступа с ДЧ сигналом в условиях канала СМ1 и СМ4, наблюдается ухудшение помехоустойчивости для исследуемой системы порядка 0,4 дБ в условиях канала СМ1, и выигрыш в помехоустойчивости порядка 0,1 дБ в условиях канала СМ4. Разница между результатами в условиях канала СМ1 и СМ4 для известной системы MB-OFDM составляет 2,1 дБ, а для исследуемой многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами - 1,6 дБ.

Таким образом, при применении в многочастотной СШП системе ДЧ сигнала наблюдается ухудшение помехоустойчивости по сравнению с МВ-OFDM в среднем на 0,1 дБ, и обеспечивается увеличение количества абонентов до 200 (в оригинале MB-OFDM речь идёт об одном абоненте, а предложенная в диссертации реализация OFDM с кодовым разделением обеспечивает одновременную работу 192 абонентов).

5.5.3 Анализ полученных результатов исследования влияния канала на многочастотные

сверхширокополосные системы

Сравнивая и анализируя результаты имитационного компьютерного моделирования,

полученные для многочастотной СШП системой с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов и для многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом, можно сделать следующие выводы.

• Многочастотная СШП система с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов имеет выигрыш перед известной системой MB-OFDM в помехоустойчивости порядка 0,4 дБ как при модели канала СМ1, так и при модели канала СМ4.

• Многочастотная СШП система с ДЧ сигналами, по сравнению с известной системой MB-OFDM имеет проигрыш в помехоустойчивости в условиях модели канала СМ1 порядка 0,4 дБ и выигрыш около 0,1 дБ относительно условий канала СМ4.

• Графики зависимостей вероятности ошибки от отношения сигнал/шум, полученные для многочастотной СТТТП системы с ДЧ сигналом, сгруппированы плотнее, чем графики зависимостей, полученных для многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов. Это указывает на то, что многочастотная система с ДЧ сигналами в условиях канала с различным числом затенений работает наиболее стабильно по сравнению с многочастотной СШП системой с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов.

5.6 Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ, узкополосной и широкополосной помехи на рассматриваемые многочастотные сверхширокополосные

системы

Как было сказано ранее, канал связи оказывает одинаковое влияние как на исследуемые многочастотные СШП системы, так и на системы радиодоступа, определенные как источники мощных помех для СШП систем. В данной работе в диапазоне 5 - 6 ГГц сосуществуют узкополосные системы WiFi (построенные в соответствии со стандартом IEEE 802.11 n [89]), широкополосные системы WiFi (IEEE 802.11 ac [90, 163]) и исследуемые многочастотные СШП системы. Эти широкополосная и узкополосная системы определены как источники широкополосной (ШП) помехи и узкополосной (УП) помехи. Как было определено в разделе 1, УП помеха находится в диапазонах частот 5150 МГц - 5350 МГц и 5650 МГц - 6425 МГц, а ШП помеха находится в диапазонах частот 5150 МГц - 5350 МГц и 5470 МГц - 6425 МГц. При наличии помех в рабочем диапазоне частот многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов и в рабочем диапазоне частот многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом (5,5 ГГц - 6 ГГц) осуществляется перекрытие диапазонов частот многочастотной СШП систем с диапазонами действия помех. Таким образом, наибольшее перекрытие диапазонов наблюдается у многочастотной СШП с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов и широкополосной помехи, которая находится в диапазоне 5470 МГц - 6425 МГц - перекрытие диапазонов составляет 925 МГц. Перекрытие диапазонов с многочастотной СШП системой с ДЧ сигналом -такое же, так как для исследования были выбраны совпадающие частотные каналы 5,5 ГГц - 6 ГГц (моделирование систем и исследование их характеристик производится в этом диапазоне). Соответственно, влияние УП помехи в рассматриваемом диапазоне оказывается больше. Рассмотрены следующие диапазоны действия УП и ШП помех, в соответствии с частотным планом стандартов [88, 89, 90, 163], полностью попадающие в диапазон действия многочастотных СШП систем: диапазон 5650 МГц - 5690 МГц (AF=40 МГц) для УП помехи и диапазон 5470 МГц - 5630 МГц (AF=160 МГц) для ШП помехи.

Многолучевый канал оказывает влияние на помеху, такое же, как и на исследуемые СШП системы, импульсная характеристика рассматриваемого канала описывается моделью Салеха-Валенсуэла.

В формуле (4.2) слагаемое X (м, t, Ь', К') является помехой и определяется выражением:

х 01, г, I',к 0 = 0 ( ',к о (5.32)

где: 0 (^м) - модель помехи; Л '(т) - импульсная характеристика канала, описываемая моделью Салеха-Валенсуэла.

Модель помехи в общем виде определяется как:

(р'~ 1 /v-1 ч \

£ й'и(р ) с '„(р ) + к '(р) 1 е'2яр* I е»/ О (5.33)

р=о \и=0 / У

где: и £ { 0, 1, 2 ,..., и' — 1} - номер абонента системы-помехи; и' - количество абонентов; п - номер отсчёта системы-помехи, количество отсчётов N' системы-помехи, зависящее от ширины полосы сигнала; р - номер гармоники (поднесущей) системы-помехи; Р' - количество поднесущих до префикса системы-помехи, учитывающий ширину полосы сигнала системы-помехи; й'и(р) - отсчёты передаваемого сообщения абонента системы-помехи с номером и; с'и(р) - отсчёты кодовой последовательности абонента системы-помехи с номером и; /'о -центральная частота рабочего частотного канала системы-помехи; - служебные символы

системы-помехи.

Подставив (4.1) и (5.33) в (4.2), получим - модель сигнала на входе приёмника и помехи, учитываемую в модели канала, разработанной в настоящей диссертации:

(р-1 ,и-1 ч \

+)е]2пр* *е)2пГо

р = о \и=0 / У

i к

I=ой=о (5.34)

/ р'-1 ,и'~ 1 ч \

+Пр))е]2пр* еУ27г/,°*

У р=0 \и=0 / У

I' К'

г=о /с=о

где: зеленым цветом обозначен сигнал исследуемой системы СШП-ОБВМ; и £ { 0 , 1 , 2 ,...,и —1 } - номер абонента исследуемой системы СШП-ОББМ; и - количество абонентов исследуемой системы СШП-ОБОМ; п - номер текущего отсчёта, количество отсчётов N исследуемой системы СШП-ОББМ; р - номер гармоники (поднесущей) исследуемой системы СШП-ОББМ; Р - количество поднесущих до префикса исследуемой системы СШП-ОББМ;

du(p) - отсчёты передаваемого сообщения абонента исследуемой системы СШП-OFDM с номером u; cu(p) - отсчёты кодовой последовательности абонента исследуемой системы СШП-OFDM с номером u; f0 - центральная частота рабочего частотного канала исследуемой системы СШП-OFDM; V (р ) - служебные символы исследуемой системы СШП-OFDM; красным цветом обозначен сигнал системы-помехи; и £ { 0, 1, 2,..U' — 1 } - номер абонента системы-помехи; U' - количество абонентов; n - номер отсчёта системы-помехи, количество отсчётов N' системы-помехи, зависящее от ширины полосы сигнала; p - номер гармоники (поднесущей) системы-помехи; P' - количество поднесущих до префикса системы-помехи, учитывающий ширину полосы сигнала системы-помехи; d'u(p) - отсчёты передаваемого сообщения абонента системы-помехи с номером u; c 'u(p) - отсчёты кодовой последовательности абонента системы-помехи с номером u; f'0 - центральная частота рабочего частотного канала системы-помехи; V '(р ) -служебные символы системы-помехи; черным цветом обозначены изменения вносимые каналом; 5Q - дельта-функция; Ti- время запаздывания l-го пучка (кластера); тщ - запаздывание k-го луча в i-м кластере относительно времени запаздывания первого луча; - амплитуда k-го луча в i-м кластере; параметры канала со штрихом (L', K' и др.) статистически независимые с аналогичными параметрами канала без штриха (L, K и др.) так как источник помех может находиться в другой точке пространства; ?](/) - аддитивный белый Гауссовский шум.

Компьютерный эксперимент, в котором исследуется влияние УП и ШП помех на работу многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в условиях многолучевого канала подразумевает, что в разработанной модели многочастотной СШП системы в качестве канала связи применяется модель канала вместе с генераторами помех, соответствующая структурной схеме, приведённой на рисунке 4.3.

Моделирование СШП системы проводилось для модели многолучевого канала СМ4, как для модели канала с наихудшими условиями. В качестве моделей УП и ШП помех были выбраны сигналы соответствующих систем WiFi, присутствующие в выбранных диапазонах частот. Сигналы, являющиеся помехами, транслируются из программного обеспечения Agilent 89601ВЕ VSA.

5.6.1 Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ, узкополосной и широкополосной помехами на многочастотную сверхширокополосную систему с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов

Для компьютерного эксперимента использовалась модель (4.2), учитывающая влияние многолучевого канала с АБГШ и влияние помех. На рисунке 5.13 представлены спектрограммы, иллюстрирующие работу многочастотной СШП системы с совмещением

технологий OFDM и кодового разделения абонентов, при наличии в канале УП и ШП помехи, соответственно.

а)

-28 -35

t -42

-49 -56

-63

о -70

н

о

-77

га -84

I

.о

i5 -91

о.

-98

б)

-310 -248 -186 -124 -62 0 62

Частота, МГц

124

186

248

310

WiFi ас

СШП-OFDM

\

\

\ V

-310 -248 -186 -124 -62 0 62

Частота, МГц

124

186

248

310

Рисунок 5.13 Спектральная плотность мощности сигнала многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в многолучевом канале с

АБГШ и а) УП помехой; б) ШП помехой.

Результатами компьютерного эксперимента являются зависимости вероятности ошибки от ОСШ в рассматриваемой системе с учётом многолучёвости канала, АБГШ, УП и ШП помех (рисунок 5.14) для случаев: 1 - без помех; 2 - с УП помехой (см. рис. 5.13а); 3 - с ШП помехой (см. рис. 5.13б). Эксперимент проводился в условиях многолучевого канала, определяемых моделью СМ4 (таблица 4.1) и АБГШ. Многочастотная СШП система с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в условиях канала, описываемых моделью

«-» 3

СМ4, обеспечивает на приёме уровень вероятности битовой ошибки 10" при ОСШ равном 10,5 дБ (кривая 1 на рисунке 5.14).

Eb/N0, дБ

Рисунок 5.14 Зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум многочастотной СТТТП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в многолучевом канале с УП и ШП помехами.

При наличии в канале мощной УП помехи (кривая 2 на рисунке 5.14) вероятность битовой ошибки 10" достигается при ОСШ, равном 15,6 дБ. При этом наблюдается ухудшение помехоустойчивости на 5,1 дБ по сравнению с результатами работы системы в канале без помех. При увеличении числа испытаний в компьютерном эксперименте в 2 раза достигнута большая точность измерений и возможность исследовать помехоустойчивость рассматриваемой системы ниже установленного порога значения вероятности ошибки. Таким образом, были получены результаты для вероятности ошибки на отрезке [4 10-4, 10-3]. На данном отрезке кривая помехоустойчивости при воздействии мощной помехи практически горизонтальна, то есть вероятность ошибки при увеличении ОСШ не снижается. Это означает, что, фактически, уровень шума канале стремится к нулю, а доля ошибок определяется долей каналов, совпадающих по частоте с помехой.

Значение вероятности ошибки 10" достигается при ОСШ, равном 20,5 дБ, при действии ШП помехи (кривая 3 на рисунке 5.14); снижение вероятности ошибки приводит к появлению постоянного уровня ошибки, обусловленного мощной ШП помехой, как и в случае с УП помехой, описанном выше. При наличии в канале ШП помехи ухудшение помехоустойчивости составит 10 дБ относительно случая без помехи. Влияние на многочастотную СШП систему с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов широкополосной помехи на 4,9 дБ больше, чем узкополосной помехи. В связи с этими фактами имеет смысл пересмотреть возможность передачи данных в канале совместно с другими ШП системами радиодоступа.

Как было показано выше, в работе были получены зависимости помехоустойчивости при воздействии мощной помехи, которые на определённых участках практически не зависят от ОСШ. При дальнейшем увеличении ширины частотного канала, занимаемого помехой, то есть при перекрытии спектра исследуемой многочастотной СШП системой радиодоступа с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов помехоустойчивость этой системы сначала снижается медленно (с увеличением ширины полосы помехи до 40%), а затем - резко (при увеличении ширины полосы помехи от 40% до 90%), так как доля подавленных помехой каналов сильно увеличивается. Поэтому при действии сигнала помехи, которая перекрывает спектр исследуемой помехи от 40 % до 90% и более, передача данных с помощью исследуемой многочастотной СШП системой радиодоступа с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов нецелесообразна. Результаты исследования показывают, что перекрытие спектров сигнала и помехи в 36% является граничным вариантом, так как при увеличении доли закрытых помехой каналов постоянный уровень вероятности ошибки близок к 10" и мало меняется относительно 40%-го перекрытия спектра.

На рисунке 5.15 представлены результаты исследования совместного использования спектра многочастотной СШП системой радиодоступа с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов с современными системами радиодоступа диапазона 5 - 6 ГГц, как узкополосных, так и широкополосных, которые перекрывают спектр исследуемой СШП системы от 4% до 90%.

Рисунок 5.15 Зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в многолучевом канале с различным значением отношения полос помехи и

полезного сигнала

Эти результаты показывают, как меняется помехоустойчивость многочастотной СШП системы радиодоступа с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов при наличии не только рассматриваемых помех в полосе канала, но и помех с меньшей шириной спектра (20 МГц). Результаты, приведённые на рисунке 5.15, также отражают влияние нескольких помех с различной шириной спектра (20 МГц + 40 МГц, 40+40 МГц, 80+80 МГц, 160 МГц + 20 МГц, и т.п.).

В результате компьютерного имитационного моделирования многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов, разработанной в разделе 2, получены зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для значений отношения полос помехи и полезного сигнала: 0%; 4%; 8%; 12%; 20%; 24%; 30%; 36%; 40%; 44%; 50%; 60%; 90% (рисунок 5.15).

В представленных экспериментах, как и во всей работе, критерием сравнения систем связи является вероятность битовой ошибки, равная 10" , достаточная для определения критической помехоустойчивости передачи данных.

Таблица 5.8 Результаты исследования помехоустойчивости многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в многолучевом канале при различном отношении полос помехи и полезного сигнала

Отношение Значение Значение Наблюдаемый эффект:

полос помехи вероятности отношения значение снижения параметры

и полезного ошибки, сигнал/шум помехоустойчивости постоянного

сигнала, % Рош (Eb/N0), дБ относительно работы системы в канале без помех при вероятности ошибки 10-3, дБ значения графиков, Рош

0 10"3 10,5 - -

4 10"3 12,5 2 0,1 10"3

8 10"3 15,5 5 0,3 10"3

12 10"3 16,8 6,3 0,3 10"3

20 10"3 17,5 7 0,4 0"3

24 10"3 19 8,5 0,6 10"3

30 10"3 20,5 10 0,810"3

36 10"3 22,5 12 ~ 10"3

40 10"3 27 16,5 ~ 10"3

44 10-2 24 значение вероятности ошибки, равное 10 НЕ ДОСТИГАЕТСЯ 10-2

50 К 0,2 18 К 0,2

60 К 0,3 20 К 0,3

90 К 0,5 - к 0,5

При дальнейшем увеличении доли помехи, перекрывающей спектр исследуемой многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов, уровень вероятности ошибки 10" не достигается - при отношении ширины полос спектров помехи и полезного сигнала в 44% кривая практически горизонтальна, а вероятность

ошибки 10" достигается при ОСШ, равном 24 дБ. При равных ширинах полос спектров помехи

2

и полезного сигнала (50%) и ОСШ, равном 18 дБ, вероятность ошибки равна 2-10 При отношении ширин полос спектров помехи и полезного сигнала в 60% и ОСШ, равном 20 дБ, вероятность ошибки достигает значения 0,3, а при 90% - 0,5.

Данная ситуация возникает в связи с тем, что по мере того, как отношение ширин полос спектров помехи и полезного сигнала возрастает, доля перекрытых этими помехами поднесущих, на которых передается сигнал синхронизации, тоже растёт. В результате при приближении доли перекрытых поднесущих, передающих сигнал синхронизации, к 50% синхронизация системы заметно ухудшается, за счет чего и снижается помехоустойчивость, а затем синхронизация вообще нарушается.

На рисунке 5.16 представлена зависимость вероятности ошибки, обеспечиваемой системой многочастотной СШП системой радиодоступа с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов, от отношения ширин полос спектров помехи и полезного сигнала. Данная зависимость получена из результатов, представленных на рисунке 5.15.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

А^Ш(ШП)/ %

/AF ' %

/ A СШП

Рисунок 5.16 Зависимости вероятности ошибки, обеспечиваемой системой многочастотной СШП системой радиодоступа с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов, от отношения ширин полос спектров помехи и полезного сигнала.

Влияние на работу исследуемой многочастотной СШП системы может оказывать не только отношение ширин полос спектров помехи и полезного сигнала, но и положение этой помехи на оси частот. Данная тема не рассматривается в диссертации, она требует отдельного исследования. Однако в данной работе было проведены компьютерные эксперименты, которые позволяют оценить влияние положения помехи в спектре исследуемой СШП системы и обозначить тематику и направление дальнейших исследований.

В спектре многочастотной СШП системе с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов пилот"поднесущие (поднесущие с сигналом синхронизации) обычно распределяются, как показано на рисунке 5.17.

Нулевые поднесущие

Пилот- Поднесущие Заградительные поднесущие с данными поднесущие

-61 -55 -45 -35 -25

-15

15 25 35 45 55 01

№ поднесущей

Рисунок 5.17 Распределение поднесущих в многочастотной СШП системе с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов.

Как было показано выше, при отношении ширины полос спектров помехи и полезного сигнала >50% передача данных с помощью исследуемой СШП системы не имеет смысла и совместное использование спектра не обеспечивается, поэтому для выявления влияния положения помехи в спектре сигнала на помехоустойчивость системы достаточно исследовать половину спектра многочастотной СШП системы. На рисунке 5.18. представлены результаты этого исследования.

Для примера исследования проведены для отношения полос помехи и полезного сигнала равного 12%. Было рассмотрены три возможных положения помехи: наличие помехи в области нижних частот (кривая «12% мин» на рисунке 5.18); в середине половины спектра СШП системы (12% ср.); в области центра спектра (12% макс).

В результате было выявлено, что наличие помехи в области нижних частот подавляет нулевые, заградительные поднесущие, поднесущие передаваемых данных и несколько пилот" поднесущих. Такое положение помехи оказывает наименьшее влияние на СШП систему, при этом наблюдается снижение помехоустойчивости на 6,3 дБ. Наличие помехи в середине половины спектра СШП системы подавляет большую часть поднесущих с данными и несколько пилот-поднесущих - помехоустойчивость снижается уже на 11,5 дБ. Наличие помехи в области

центра спектра СШП системы не только подавляет большую часть поднесущих передаваемых данных и несколько пилот-поднесущих, но и ухудшает синхронизацию СШП системы.

Рисунок 5.18 Зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов в многолучевом канале с УП и ТТТП помехами.

Уровень внеполосного излучения для систем радиодоступа стандартов IEEE 802.11 n и IEEE 802.11 ас не более -40 дБ относительно максимального уровня их спектральной плотности мощности. Такое положение помехи снижает помехоустойчивость СШП системы относительно результатов исследования в многолучевом канале без помех; кривая зависимости помехоустойчивости почти горизонтальна, синхронизация системы ухудшается и возможность передачи данных отсутствует.

Среди рассмотренных результатов исследования помехоустойчивости исследуемой многочастотной СШП системой радиодоступа с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов при перекрытии её спектра помехами можно выделить наиболее эффективные для совместного использования спектра случаи: при отношении ширин полос спектров помехи и полезного сигнала до 30%.

В связи с тем, что сигналы двух рассматриваемых в работе многочастотных СШП систем имеют спектры, которые удовлетворяют требованиям предложенной маски спектра и имеют одинаковое значение спектральной плотности мощности на выходе передатчика, а также

рассматриваемые в данной работе помехи влияют одинаково и на многочастотную СШП систему радиодоступа с совмещением технологии OFDM и кодового разделения абонентов, и на многочастотную СШП систему радиодоступа на основе использования дискретных частотных сложных сигналов, то рассмотренные результаты справедливы и для последней. Таким образом, исследование совместного использования РЧС многочастотной СШП системы на основе использования дискретных частотных сложных сигналов имеет смысл при значениях отношения полос помехи и полезного сигнала до 30%.

5.6.2 Исследование влияния многолучевого канала с АБГШ, узкополосной и широкополосной помехами на многочастотную сверхширокополосную систему с

дискретным частотным сигналом

Компьютерный эксперимент [9, 28], проводимый в настоящей работе, идентичен для многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов и для многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом. Цель данного эксперимента получить оценку влияния помех на многочастотные СШП системы, исследуемые в данной работе, а также подтвердить или опровергнуть возможность совместного использования радиочастотного спектра исследуемыми многочастотными СШП системами радиодоступа с устройствами других радиослужб.

Модель приёмного устройства, разработанной в настоящем работе, модели многочастотной СШП системы с ДЧ сигналами, осуществляет имитацию некогерентного приёма и обработки сигнала, описываемого следующим выражением:

SПРм-ДЧСШП ( 0 —

JV-1 М-1

= ^ ^ a;(v)<i>(t — nAt) exp(iYj(ri)Aa)t)

71=0 v = 0 L К

^ ^ -Ъ- тК1) +

*

1=0 k=0

(5.35)

p-1/и-1

+ ^ [^d'u(p)cu(p) + V'(p)

p=0 \ u=0 L К

*

1=0 к=0

где: зелёным цветом обозначен сигнал исследуемой системы СШП-ДЧ; и - номер абонента, аи(у)- комплексная амплитуда V -го частотного субканала; Ф(1)- форма сигнала временного элемента; Аш- шаг сетки частот; уи(у) - символ частотной кодовой

последовательности; n - номер временного элемента; М - число частотных субканалов, N -число временных слотов; красным цветом обозначен сигнал системы-помехи; и £ { 0, 1, 2 ,..U' — 1 } - номер абонента системы-помехи; U' - количество абонентов; n - номер отсчёта системы-помехи, количество отсчётов N системы-помехи, зависящее от ширины полосы сигнала; p - номер гармоники (поднесущей) системы-помехи; P' - количество поднесущих до префикса системы-помехи, учитывающий ширину полосы сигнала системы-помехи; d'u(p) - отсчёты передаваемого сообщения абонента системы-помехи с номером u; c'u(p) - отсчёты кодовой последовательности абонента системы-помехи с номером u; f'0 -центральная частота рабочего частотного канала системы-помехи; - служебные символы

системы-помехи; черным цветом обозначен изменения вносимые каналом; 5Q - дельта-функция; Ti- время запаздывания 1-го пучка (кластера); rkj - запаздывание k-го луча в 1-м кластере относительно времени запаздывания первого луча; - амплитуда k-го луча в i-м кластере; параметры канала со штрихом (L', K' и др.) статистически независимые с аналогичными параметрами канала без штриха (L, K и др.) так как источник помех может находиться в другой точке пространства; ?7(i) - аддитивный белый Гауссовский шум.

Таким образом, условия эксперимента остаются неизменными как для многочастотной СШП системы с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов, так и для многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом. Требования, параметры и характеристики многолучевого канала с АБГШ, УП и ШП помех в эксперименте с многочастотной СШП системой с ДЧ сигналом принимают те же значения, что и в эксперименте с многочастотной СШП системой с совмещением технологий OFDM и кодового разделения абонентов.

Применяемой моделью канала является модель канала СМ4 (канал с несколькими затенениями), мощность и диапазон рабочих частот для УП и ШП помех - диапазон 5730 МГц - 5770 МГц и диапазон 5640 МГц - 5800 МГц, соответственно. В данном эксперименте модели передатчика и приёмника соответствуют модели многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом, описанной в разделе 3. Для получения результатов эксперимента производились измерения путем перестройки модели канала связи. Значение частоты битовой ошибки измерялось в точках со значением отношения сигнал/шум, взятыми через 1 дБ на отрезке {0, 20} дБ.

На рисунке 5.19 представлены спектрограммы, иллюстрирующие работу многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом, при наличии в канале УП и ШП помехи, соответственно.

Компьютерная имитационная модель многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом учитывает не только влияние многолучевого канала с АБГШ, но и УП и ШП помехи. Эта модель пригодна для проведения эксперимента, работоспособна и достаточно точно имитирует работу рассматриваемой системы в заданных условиях канала и при воздействии рассматриваемых в данной работе помех.

а)

Частота, ГГц

5,5

6,5

б)

Частота, ГГц

Рисунок 5.19 Спектральная плотность мощности многочастотной СШП системы с ДЧ сигналом в многолучевом канале с АБГШ и а) УП помехой; б) ШП помехой.

5