Свойства электромагнитных полей, образованных паутинной сетью радиоизлучателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Фертиков, Вадим Валериевич

• Фертиков, Вадим Валериевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Фертиков, Вадим Валериевич

Введение.

1. Геометрическая теория триангулярной решетки в приложении к описанию системы радиоизлучателей.

2. Система радиоизлучателей при отсутствии управляющих воздействий.

2.1. Временная структура суммарного сигнала синхронной паутинной сети.

2.2. Корреляционные свойства суммарного сигнала.

2.3. Диаграмма направленности излучений внутри паутинной сети.

3. Управление сетью излучателей с целью ослабления многолучевого распространения радиосигнала.

3.1. Зона активного рассеяния.

3.2. Зона подавления многолучевого распространения радиоволн.

3.3. Выбор излучателей для формирования зон подавления. Алгоритм функционирования системы.

4. Оптимизация распределения временного ресурса синхронной сети излучателей.

4.1. Формулировка задачи в терминах дискретного линейного программирования.

4.2. Метод целочисленных форм Гомори.

4.3. Метод ветвей и границ.

4.4. Геометрическая интерпретация результатов оптимизации систем различной конфигурации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Свойства электромагнитных полей, образованных паутинной сетью радиоизлучателей»

Термин "паутинная сеть" является общепринятым [5,6] и употребляется для обозначения геометрической структуры, которую создают точки расположения базовых станций на территории зоны обслуживания сотовой системы наземной связи с подвижными абонентами. Именно такое расположение излучателей в узлах планарной гексагональной, или триангулярной решетки [14] является наиболее энергетически выгодным. Впервые опубликованная в 1968 г. концепция построения сотовых систем связи [47], подразумевавшая использование регулярной гексагональной структуры первичных ячеек, претерпела к настоящему времени некоторые изменения, касающиеся в основном возможности использования сот с варьируемыми вдоль зоны обслуживания размерами [18]. Тем не менее, основной принцип равномерного размещения излучателей остался в силе, по крайней мере, для ограниченных участков обслуживаемой территории. Возрастает интерес к разработке и созданию радиотехнических систем различного назначения, также использующий данный принцип, в частности, системы обеспечения секретности и скрытности радиосвязи. Помимо этого, необходимым атрибутом современных многопозиционных радиотехнических систем является той или иной степени сложности подсистема управления, способная влиять на определенные параметры излучаемых сигналов. Актуальными, таким образом, представляются вопросы, связанные как с изучением параметров электромагнитного поля внутри такой решетки излучателей, так и с разработкой алгоритмов управления, оптимизирующих использование пространственно-частотно-временного ресурса. Приведем краткий обзор работ, посвященных вопросу совершенствования систем с гексагональной конфигурацией размещения радиосредств, а также методам их теоретического и машинного моделирования.

Одной из главных целей, успешно решаемых системами передачи информации, имеющими гексагональную структуру зоны обслуживания, является увеличение числа каналов без ухудшения эффективности использования радиоспектра. Именно в этом вопросе сотовые системы передачи информации доказали свое неоспоримое преимущество перед централизованными системами, имеющими одну базовую станцию. Например, в таком крупном городе, как Нью-Йорк, централизованная подвижная радиотелефонная сеть может обслужить всего около 700 абонентов [36]. Ограничение на число обслуживаемых абонентов снимается при увеличении числа каналов в сотовых системах. Большинство из действующих в настоящее время сотовых систем проектировались в расчете на увеличение числа каналов путем постепенного "размельчения" ячеек. При этом достаточно включать в сеть новые базовые станции и уменьшать мощность передатчиков [31, 34, 35, 36, 43]. Например, система связи, созданная фирмой Bell Labs (США) и введенная в коммерческую эксплуатацию в районе г. Чикаго, первоначально строилась на основе группы из 12 ячеек большого (до 25 км в диаметре) размера с размещением базовых станций в центре каждой ячейки. Для увеличения емкости системы был осуществлен переход на субъячейки малых размеров, диаметром около 3,2 км. Кроме того, антенны базовых станций были размещены не в центре, а в углах ячеек и субъячеек [43]. За счет этого удалось увеличить удельную емкость системы, представляющую собой количество рабочих каналов, приходящихся на единицу обслуживаемой площади, в 226 раз (с 0,129 до 92 каналов/км2). Причем, на тот момент число абонентов системы увеличивалось со скоростью около 100 абонентов в день [34].

Увеличения числа каналов системы можно достичь и несколько иным путем: применением направленных антенн на базовых станциях. По сути дела, это тоже дробление ячеек. Например, система радиотелефонной связи фирмы Motorola использует секториально направленные антенны базовых станций [31]. Такая антенна ведет прием из шести секторов зоны (расположена она в центре ячейки). Подобно тому, как система переключает абонентов, пересекающих границы сот, секториальные приемники передают друг другу абонентов, перемещающихся из сектора в сектор. Такая организация позволила подвижным абонентам иметь передатчик, мощностью всего 1 Вт. Секториальная антенна принимает его с расстояния до 18 км. Упомянутая выше система связи в г. Чикаго использует на базовых станциях секториаль-но направленные антенны, имеющие ширину диаграммы направленности, равную 120° [31,36,43]. При этом шестиугольные ячейки в системе облучаются с трех направлений - из вершин трех несмежных углов ячейки. Теоретический анализ систем с секториально направленными антеннами дан в [35].

В работе [39] предложена система связи с подвижными объектами, зоны которой перекрываются. На базовых передатчиках, обслуживающих такие зоны, целесообразно применять направленные антенны, направление излучения которых постоянно изменяется. Как показано, это снизит потери на интерференцию сигналов от разных передатчиков в областях перекрытия.

Другую возможность увеличения числа каналов, а также повышение качества передачи и эффективности системы предоставляет метод автоматического управления мощностью передатчиков [33, 39, 40, 44]. В статье [33], в частности, показано, что если все передатчики системы связи снабжены устройствами автоматического управления мощностью, то можно обеспечить полную однородность качества передач в пределах данной ячейки. Это уменьшает мощность помех от совпадающих частотных каналов в \/(а/2+\) раз, где а- показатель затухания волн (он равен ~3,5 при расстояниях 1-20 км в городе). Проблеме управления мощностью передатчиков в сотовых системах радиосвязи целиком посвящена работа [44]. В ней предлагается адаптивная система управления мощностью передатчика того абонента, с которым в данный момент поддерживается связь. Получены теоретические характеристики качества работы такой системы, которые подтверждены лабораторными экспериментами.

В работе [40] предложен алгоритм регулирования мощности радиопередатчиков в ходе установления и поддержания соединений между абонентами, а также соответствующие протоколы обмена цифровыми данными. Описана структурная схема автомобильного радиопередатчика, реализующего предложенные принципы. Рассмотрены динамические характеристики регулирования системы управления мощностью радиопередатчика в целом, полученные в ходе лабораторного моделирования. Также показано, что еще одним важным преимуществом регулирования мощности радиопередатчиков является повышенный срок службы автономных источников питания. Авторы [39] предлагают мощность излучения стационарных передатчиков базовых станций изменять по случайному закону. Это устранит в областях перекрытия ячеек затухание, вызываемое наложением противофазных сигналов от отдельных стационарных передатчиков.

Не менее важную роль для совершенствования систем передачи информации играет развитие методов выбора базовой станции для организации связи с подвижным абонентом и связанная с этим проблема повышения точности определения местоположения подвижного объекта. Множество работ [3, 17, 20, 25, 32, 37] посвящено рассмотрению этого вопроса. В [17], например, предлагается система, обеспечивающая устойчивую связь с подвижным объектом через сеть децентрализованных опорных станций. Выбор опорной станции для связи в данный момент осуществляет специальная управляющая станция путем сравнения уровня сигнала, передаваемого объектом, на входе приемников опорных станций. Работа [20] решает задачу повышения точности определения местоположения подвижных абонентов путем использования специального метода организации каналов контроля и управления сотовой системы связи в пределах группы первичных ячеек. Авторы [25] предлагают метод контроля приближения к границе зоны обслуживания, предназначенный для организации оперативного контроля местонахождения подвижной станции в пределах ячейки. При приближении абонента к границе зоны из центра управления на подвижную станцию выдается команда на включение специального бортового устройства, точно указывающего момент перехода через границу зоны. Метод основан на сравнении уровней сигнала, принимаемого ближайшими к данному абоненту базовыми станциями. В [37] предлагается способ управления процессом определения местоположения подвижного объекта в сотовой системе связи, а также - устройства для его осуществления. Когда какой-либо подвижной абонент выходит из зоны действия базовой станции определенной ячейки системы, эта станция передает близрасположенным базовым станциям сигнал с требованием измерить и сообщить напряженность электрического поля, создаваемого указанным подвижным объектом в диаграмме направленности каждой из их направленных антенн. Полученная таким образом информация передается в центр управления и коммутации системы связи, где определяются оптимальные канал и антенны для осуществления связи с данным подвижным абонентом. Сведения об оптимальных канале и антенне передаются на соответствующую станцию, после чего между указанной станцией и подвижным объектом устанавливается двусторонняя связь.

Вопросу усовершенствования систем связи с подвижными объектами, построенных по принципу использования единого сквозного канала контроля и управления всеми базовыми станциями системы, посвящена работа [3]. Здесь предлагается алгоритм функционирования такой системы в ситуации, когда подвижный абонент, находящийся на границе трех смежных ячеек, инициирует установление соединения. В этом случае канал контроля и управления этих ячеек предлагается синхронизировать на уровне базовых станций со стороны центральной станции системы таким образом, чтобы временные интервалы, отводимые каждой базовой станции для обмена служебной информацией с подвижной станцией, не пересекались. Тем самым обеспечивается минимизация времени установления соединения. Одновременно, на уровне подвижного абонента предлагается осуществлять измерение уровней сигналов, поступающих по каналу контроля и управления от базовых станций смежных ячеек, а также выбор для установления соединения той базовой станции, условия радиосвязи с которой в данный момент является наилучшими.

В статье [32] приведено описание системы связи с автоматическим выбором канала. В рассматриваемой системе распределение радиоканалов производится без участия центральной станции. Вместо этого подвижная станция и базовая станция, между которыми должна быть установлена радиосвязь, производят поиск канала с наименьшим уровнем помех или уровнем помех, ниже определенного порога. Указанный канал выбирается в качестве рабочего. Однако, при использовании такого способа организации связи может оказаться, что одновременно один и тот же канал будет выбран для связи сразу несколькими и подвижными, и базовыми станциями, что приведет к блокировке канала. В статье определена вероятность такого события для типовой радиосхемы с числом каналов 40, 60 и 80.

Рассматриваемые системы связи с подвижными абонентами, имеющие гексагональную структуру зоны обслуживания, работают в условиях наличия замираний и внутриканальных помех [33]. Одним из способов повышения качества связи в такой системе является использование разнесенного приема. Данному вопросу посвящен ряд работ [33, 35, 38, 48]. Статья [48] рассматривает систему связи с использованием приема с многократным разнесением и последующим объединением принятых сигналов. Многократное разнесение производится за счет применения нескольких приемных антенн на базовых станциях. В статье представлены результаты аналитических расчетов и моделирования на ЭВМ, позволяющие определить оптимальные характеристики схем объединения сигналов. Показано, что использование указанных оптимальных схем позволяет улучшить отношение сигнал/шум на несколько дБ. В качестве примера, в статье рассмотрена система связи, на базовой станции которой установлена адаптивная антенная решетка, реализующая алгоритм наименьшего среднего квадрата при приеме сигналов с расширенным спектром, а в линии связи базовая станция - подвижный объект используется метод адаптивной повторной передачи простых сигналов с временным уплотнением.

В статье [35] исследуется возможные принципы построения систем связи с гексагональной структурой при включении в их состав портативных приемопередатчиков. Среди рассмотренных есть система с наличием редкого повторного использования частотных каналов. На стационарной станции такой системы используются всенаправленные антенны и высокочувствительные приемники с возможностью организации пространственно-разнесенного приема. Результаты анализа показывают, что всенаправленные антенны в сочетании с пространственно-разнесенным приемом обеспечивают достаточное усиление сигналов, принимаемых на стационарной станции. Авторы статьи [38] рассматривают возможность организации на стационарной станции системы связи поляризационно-разнесенного приема. Сигналы, излучаемые подвижными станциями поляризованы в вертикальной плоскости. Приемная антенна стационарной станции состоит из двух элементов, расположенных под определенным углом между собой. Приведены рассчитанные зависимости коэффициента корреляции между квадратами амплитуд сигналов на выходе элементов при различных конфигурациях антенны, а также уменьшения уровня принимаемого сигнала антенной с поляризационным разносом, относительно обычной антенны с вертикальной поляризацией. Теоретические выводы подтверждены результатами эксперимента, проведенного в районе Токио.

В статье [33] также рассмотрена возможность разнесенного приема. Причем, для описания используется следующая теоретическая модель. Эффекты затенения описываются логарифмически нормальным законом распределения сигнала. Предполагается также функционирование системы связи в условиях воздействия релеевских замираний. В статье показано, что разнесенный прием эффективен только для борьбы с замираниями, причем уровни некоррелированных сигналов в ветвях разнесения всегда должны превышать уровни шумов.

Вопросу развития принципов построения наземных систем связи с подвижными объектами посвящена статья [47]. Авторы пишут о том, что важнейшим отличием современной концепции построения сотовых систем связи является использование первичных ячеек с варьируемыми геометрическими размерами. Это объясняется как техническим прогрессом в области средств связи, так и накопленным опытом практического создания и эксплуатации систем подвижной связи. Отмечается также появление новых технических требований, предъявляемых к современным системам. В частности, указывается на необходимость распространения их действия на внутренние помещения зданий, находящихся на обслуживаемой системой территории.

И наконец, в качестве еще одного пути развития систем подвижной связи можно указать переход в таких системах от частотноманипулирован-ных сигналов для передачи цифровой информации и частотной модуляции для передачи телефонных сообщений к системам широкополосных сигналов. В работах [5, 6] доказывается преимущество систем связи с широкополосными сигналами над обычными сотовыми системами как при передаче цифровой информации служебных сообщений [5], так и при передаче речи телефонными сигналами [6].

Целый ряд работ по системам наземной связи с подвижными абонентами посвящен разработке теоретического описания и моделирования таких систем. Наиболее известный способ описания сотовых систем связи изложен в [5, 6]. Рассматриваемая автором система предполагает использование частотного разделения между сотами и кодового разделения ячеек, работающих в одной полосе. Концепция сотовой сети предполагает, что работа радиосредств ограничивается внешними стационарными помехами, - в отличие от обычной сети, где ограничивающим фактором является уровень внутренних шумов [36]. В [5, 6] взаимные помехи рассматриваются на основе модели паутинной сети (мешающие радиостанции находятся в узлах гексагональной концентрической решетки). В качестве основного параметра для характеристики помехи взято отношение сигнал / шум на выходе приемника, т.е. на входе решающего устройства. При рассмотрении системы связи с широкополосными сигналами предполагается их прием на фоне нормальных помех, имеющих в полосе канала равномерную спектральную плотность мощности. Работа [33] предлагает развитие данного метода описания систем связи. Исходным параметром по-прежнему является отношение сигнал/помеха от совпадающих каналов, но расчет проведен с учетом активности абонентов. Кроме того, произведено моделирование распространения радиоволн в системе. Отмечается, что в наземных системах связи с подвижными объектами принимаемый сигнал подвержен быстрым флуктуациям относительно кратковременного среднего уровня с медленными вариациями. Быстрые флуктуации описаны моделью релеевских замираний. Слабые вариации кратковременного среднего уровня сигнала, обусловленные эффектами затенения, моделируются логарифмически нормальным законом распределения.

Иной подход к описанию систем связи использован в [40, 41]. Так в статье [41] применительно к сотовым системам связи введено понятие эффективности использования радиоспектра, как функции следующих параметров: коэффициента повторного использования радиочастот, трафика системы, обслуживаемой площади, общей и полезной ширины полосы частот рабочих каналов и др. Анализ систем связи проводится с позиций оптимизации параметров системы с целью достижения максимальных значений эффективности использования радиоспектра при сохранении высоких значений емкости системы связи в целом. В статье вводятся понятия "конструктивного фактора" системы и коэффициента использования полосы рабочих частот, являющиеся удобными комплексными показателями и связывающие межканальный разнос, количество каналов в ячейках, ширину полосы частот, индекс ЧМ-модуляции и другие параметры. В статье [33] также получены зависимости для спектральной эффективности систем подвижной связи с использованием описанной выше модели. Авторы [47] в своей статье прослеживают основные этапы эволюции методов теоретического описания систем подвижной связи. Они отмечают, что первоначально принятые методы описания к настоящему времени претерпели значительные изменения. Сделан вывод, что наиболее удобным для описания и анализа систем параметром является соотношение сигнал/интерференционная помеха. Это положение проиллюстрировано на конкретных примерах анализа сотовых систем связи современной структуры.

Мощным инструментом исследования систем подвижной связи наряду с аналитическими методами является метод машинного моделирования [45, 48]. В статье [45], например, приведены результаты моделирования на ЭВМ сотовой системы связи, использующей непараметрические приемники. Предполагалось, что зона обслуживания системы состоит из трех ячеек шестиугольной формы, а в приемнике реализуется метод корреляционного приема с двумя квадратурными каналами. Алгоритм, моделирующий приемник, реализует принцип проверки на максимум ранговой суммы отчетов, имеющихся на выходе детектора огибающей. Авторы [48] провели моделирование системы связи, использующей прием с многократным разнесением (за счет применения нескольких приемных антенн) и последующим объединением принятых сигналов. Модель позволила определить оптимальные характеристики схем объединения сигналов.

Ряд работ посвящен вопросам проектирования радиотехнических систем [5, 6, 33, 35, 46]. В статье [46] приводится описание основных этапов процесса проектирования сотовой системы радиосвязи с использованием метода расположения ячейки с расширенной зоной обслуживания. Авторы [35] исследуют возможные принципы построения систем связи с сотовой структурой при включении в их состав портативных приемопередатчиков. В статье рассматриваются две конфигурации системы: с наличием редкого повторного использования частотных каналов или с полным отсутствием повторного использования частотных каналов. В одном случае на стационарной станции используются всенаправленные антенны и высокочувствительные приемники с возможностью организации пространственно-разнесенного приема, в другом случае - на стационарной станции применяются антенны, обеспечивающие прием сигналов в пределах ограниченного сектора 60°. В статье даются также рекомендации по разработке специальных методов контроля и защиты от помех. Расчет помехоустойчивости и эффективности системы связи приводится в [5, 6]. Статья [5] рассматривает прием цифровой служебной информации, а [6] - прием телефонных сигналов в системе подвижной связи, использующей широкополосные сигналы. Рекомендации по выбору оптимального числа канальных наборов, а также общего количества каналов в системе связи приведен в статье [33].

Проведенный анализ теоретических и экспериментальных работ показывает существование определенных вопросов, оставшихся за рамками исследований. Учитывая необходимость их изучения, а также перспективность радиотехнических систем с гексагональной структурой размещения радиосредств различного назначения (систем радиолокации и радионавигации, систем обеспечения секретности и скрытности радиосвязи и пр.), цель данной работы была сформулирована в достаточно общем виде.

Цель работы заключалась в разработке методики описания параметров пространственно-временной структуры электромагнитных полей внутри паутинной сети радиоизлучателей на основании изучения особенностей геометрии триангулярной решетки, а также приложение этой методики к исследованию временной структуры, диаграмм направленности и корреляционных свойств сигналов, принимаемых в различных точках зоны обслуживания, и далее - в использовании полученных результатов при проектировании алгоритмов оптимизации распределения пространственно-временного ресурса многопозиционных радиотехнических систем с гексагональной конфигурацией размещения радиосредств.

Предметом исследования является математическая модель размещения радиоизлучателей многопозиционной системы в виде планарной триангулярной решетки, позволяющая описывать тонкую временную структуру непреднамеренных помех, корреляционные свойства, а также распределения мощности помеховых сигналов по направлениям прихода в заданную точку зоны обслуживания. При помощи модели исследуются конфигурации полей в различных точках зоны, образованные в результате интерференции электромагнитных волн отдельных излучателей, а также - возможность создания полей определенной конфигурации с целью улучшения условий распространения полезных сигналов. Рассматриваются закономерности использования временного ресурса различными синхронными каналами системы с целью оптимального его распределения.

Методы исследования. При описании специфических свойств геометрии пространственного расположения излучателей были задействованы методы теории чисел: свойства сравнений и специальных функций теории чисел, а также метод канонического разложения. Модель многолучевого распространения радиоволн, использованная при разработке алгоритмов управления параметрами электромагнитных полей, получена средствами геометрической оптики, поскольку в работе не учитывалась дифракция на неровностях рельефа местности. Задача оптимизации распределения временного ресурса сформулирована в терминах дискретного линейного программирования и решена с привлечением метода целочисленных форм Гомори и метода ветвей и границ. При этом реализация точных вычислений с простыми дробями, необходимых для работы метода отсечений Гомори, использует алгоритмы целочисленных вычислений с многократной точностью. При разработке компьютерных программ привлечены методы объектно-ориентированного программирования, а также - некоторые численные методы.

Научная новизна работы определяется следующим:

1. Новое описание геометрии взаимного расположения радиоизлучателей паутинной сети с привлечением методов теории чисел.

2. Предложен и получил обоснование принцип ослабления влияния многолучевого распространения радиоволн с целью улучшения условий распространения полезных сигналов внутри паутинной сети излучателей.

3. Сформулирована в общем виде и решена для конкретных геометрических конфигураций размещения излучателей задача оптимизации распределения временного ресурса между синхронными каналами, после чего осуществлен систематизированный отбор из полученного множества вырожденных решений с целью наглядной геометрической интерпретации результатов.

Практическая ценность полученных результатов состоит в возможности изс использования при расчете помехоустойчивости синхронных систем различного назначения, построенных по принципу гексагонального размещения, например, систем передачи информации с повышенной защищенностью, перспективных реализаций сотовых систем связи, а также при решении практических вопросов, связанных с экспериментальным изучением помехо-вой обстановки, в частности - для интерпретации результатов измерений параметров электромагнитного поля. При дополнительных предположениях о "прореженной" триангурярной решетке (о которых идет речь во втором разделе) изложенные методики применимы и к описанию асинхронных систем, например, с исторически традиционным частотным разделением каналов. Решенные с применением разработанных методик оптимизационные задачи представляют самостоятельный научный и практический интерес, в частности, предложенная интерпретация результатов оптимизации использования временного ресурса может послужить основой для создания новых более эффективных оптимизационных алгоритмов, учитывающих особенности симметрии расположения радиосредств. И наконец, разработанные компьютерные программы, реализующие оптимизационные методы линейного и дискретного программирования, а также библиотека точных операций над простыми дробями, имеют самостоятельное прикладное значение и могут найти применение для решения линейных и комбинаторных задач оптимизации различных типов и для производства вычислений на ЭВМ с многократной точностью.

Основными положениями, выносимыми на защиту, таким образом, являются:

- описание временных и корреляционных свойств непреднамеренных помех, а также распределения их мощности по направлениям прихода сигнала в заданную точку территории, обслуживаемой системой, находящейся в стационарном режиме;

- принцип работы и алгоритм управления синхронной системой, основанные на подавлении многолучевого распространения радиоволн с целью ослабления в точке приема сигнала отрицательных эффектов расширения задержки и потерь при распространении;

- формулировка в терминах целочисленного линейного программирования и процедура решения задачи оптимизации потребления временного ресурса синхронной системой с временным или кодовым уплотнением каналов, а также методика и результаты геометрической интерпретации полученных решений, основанная на целенаправленном их отборе из множества вырожденных решений исходной задачи.

Личный вклад автора заключается в получении основных результатов и выводов диссертации, разработке методик и проведении численных экспериментов. Постановка задач, определение направлений исследования и обсуждение полученных результатов выполнены с участием научного руководителя д.т.н., профессора Хромых В.Г.

Апробация работы. Основные материалы по всем разделам диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: V Всесоюзная школа-семинар "Распараллеливание обработки информации", г.Львов, 1985; Всесоюзная научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость судовых технических средств", г.Новороссийск, 1990; III Украинская конференция "Измерения в области ЭМС", г.Винница, 1991; II Международная конференция "Математические алгоритмы". Н.Новгород, 1995; IV Всероссийская конференция "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования", г.Тамбов, 1995; Всероссийская конференция "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны", г. Воронеж, 1995; Всероссийская научно-техническая конференция "Направления развития систем и средств радиосвязи", Воронеж, 1996; III Межвузовская научно-техническая конференция "Перспективы развития средств и способов РЭБ", г.Воронеж, 1996; 2-ая Международная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации", Харьков-Туапсе, 1996; научно-техническая конференция "Информационная безопасность автоматизированных систем", г. Воронеж, 1998.

Публикации. Основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 14 печатных работах [49-62], цитируемых по ходу ее изложения.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка цитируемой литературы из 62 наименований и приложения. Общий объем работы - 130 страниц машинописного текста, включая 17 рисунков и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Фертиков, Вадим Валериевич

Выводы

1. Совокупность каналов системы в контексте задачи распределения временного ресурса необходимо рассматривать в виде модели многосвязного управления. При этом полученная комбинаторная оптимизационная задача допускает формализацию в терминах дискретного линейного программирования.

2. Результаты решения задачи показывают, что зависимость ресурса, предоставляемого каналу, от общего количества ресурса имеет вид ломаной линии с рядом горизонтальных и наклонных участков. Такой ход зависимости объясняется предложенной методикой геометрической интерпретации результатов,

118 основанной на целенаправленном отборе наиболее показательных из множества вырожденных решений.

3. Сравнение результатов оптимизации систем с различной конфигурацией размещения излучателей дает основание предположить, что наиболее выгодной из них, с точки зрения использования временного ресурса, является решетка с одним центральным .узлом.

Заключение

1. Разработана методика описания геометрии триангулярной решетки, ограниченной окружностью, используемая на последующих этапах при создании радиофизической модели паутинной сети излучателей и позволяющая решать такие необходимые для этих, целей задачи, как планирование перебора узлов, подсчет их общего количества, упорядочение узлов по их расстояниям до заданной точки зоны обслуживания и др.

2. Рассмотрены временные и корреляционные свойства непреднамеренных помех, а также распределение их мощности по направлениям прихода сигнала в заданную точку территории, обслуживаемой системой, находящейся в стационарном режиме при постоянных параметрах излучаемых сигналов. Выяснено существование наименее подверженных воздействию помех направлений, остающихся неизменными при увеличении размеров зоны обслуживания.

3. Предложен принцип работы синхронной системы, основанный на подавлении распространения радиоволн, рассеянных и зеркально отраженных в зоне рассеяния, при котором, как предполагается, будут созданы условия для распространения полезного сигнала, близкие к условиям свободного пространства. Разработан алгоритм управления системой, способный выгодные условия приема создавать для любой точки обслуживаемой территории.

4. Задача оптимизации потребления временного ресурса синхронной системой с временным или кодовым уплотнением каналов сформулирована в терминах целочисленного линейного программирования. Для ее решения применены алгоритм целочисленных форм Гомори и метод ветвей и границ. Разработан алгоритм управления системой, оптимизирующий распределение ресурса между каналами. Получены зависимости величины ресурса, предоставляемого каналу, от общего количества ресурса. Делается предположение о

120 наилучшей с точки зрения использования ресурса конфигураций системы: центр зоны обслуживания совпадает с узлом решетки.

5. Предложена методика геометрической интерпретации результатов оптимизации, основанная на целенаправленном отборе из множества вырожденных решений исходной задачи.

6. Разработаны компьютерные программы, реализующие методы целочисленного программирования и пригодные для решения задач различных типов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Фертиков, Вадим Валериевич, 1999 год

1. Агеев М.И., Алик В.П., Марков Ю.И. Библиотека алгоритмов 10161506: Справочное пособие. Вып. 3. -М.: Сов. радио, 1978. 128 с.

2. Апорович А.Ф. Статистическая теория электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств / Под ред. В.Я.Аверьянова. Мн.: Наука и техника, 1984. - 215 с.

3. Ацуси М., Таканори У. Система контроля и управления для сотовых систем связи с подвижными объектами. Ниппон дэнсин дэнва кося. Заявка 59-161138, Япония. Заявл. 04.03.87, № 58-35445, опубл. 11.09.84. МКИ H 04 В 7/26.

4. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации. М.: Сов. радио, 1965. - 304 с.

5. Варакин JI.E. Помехоустойчивость широкополосной цифровой сотовой системы подвижной связи // Электросвязь 1982.- № 12 - С. 43-47.

6. Варакин Л.Е. Помехоустойчивость и эффективность широкополосной радиотелефонной сотовой системы подвижной связи // Электросвязь-1985.-№ 1.-С. 48-52

7. Варакин JI.E. Теория систем сигналов. М.: Сов. радио, 1978. — 304 с.

8. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

9. Виноградов И.М. Основы теории чисел. М.: Наука, 1981.-176 с.

10. Вирт Н. Алгоритмы + структуры данных = программы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985.-406 с.

11. Данциг Дж. Линейное программирование, его применения и обобщения. М.: Прогресс, 1966. - 600 с.

12. Денисов A.A., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982. -288 с.

13. Кнут. Д. Искусство программирования для ЭВМ, т.2, Получисленные алгоритмы: Пер. с англ. М.: Мир. - 1977.

14. Коксетер Г.С.М., Грейтцер С.Л. Новые встречи с геометрией: Пер.с англ. М.: Наука, 1978. - 223 с.

15. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике: (Для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1984. - 832 с.

16. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Exel 7.0. -СПб.: BNV-Санкт-Петербург, 1997. 384 с.

17. Коити Т., Мицуи Н. Система автоматического выбора децентрализованных опорных станций для связи с подвижными объектами. Осака гасу к.к., Ниппон дэнки к.к. Заявка 59-123325, Япония. Заявл. 29.12.82, №57229993, опубл. 17.07.84. МКИН 04 В 7/26.

18. Ли У. Техника подвижных систем связи / Пер.с англ. М.: Радио и связь, 1985.-392 с.

19. Лорьер Ж.-Л. Системы искусственного интеллекта: Пер. с франц. -М.: Мир, 1991.-568 с.

20. Масаюки С. Метод организации каналов контроля и управления в системах связи с подвижными объектами. Ниппон дэнсин дэнва кося. Заявка 59-161941, Япония.

21. Мееров М.В., Литвак Б.Л. Оптимизация систем многосвязного управления. М.: Наука, 1972. - 344 с.

22. Пападимитриу X., Стайглиц К. Комбинаторная оптимизация. Алгоритмы и сложность / Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 512 с.

23. Подбельский В.В. Язык Си++: Учебное пособие. М.: Финансы и статистика, 1995. - 560 с.

24. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988.

25. Су суму К. Метод контроля приближения к границе зоны обслуживания. Ниппон дэнки к.к. Заявка 59-122244, Япония. Заявл. 28.12.82, №57231047, опубл. 14.07.84. МКИН 04 В 7/26.

26. Таха X. Введение в исследование операций: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 479 с.

27. Тузов Г.И., Поставной В.И., Косякин С.И: Оценка ВФН систем ДЧ сигналов. Радиотехн. и электрон., 1984, 29, № 7. - С. 1413-1415.

28. Уайт Д.Р.Ж. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1. Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи / Пер. с англ. М.: Сов. радио, 1977. - 352 с.

29. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. - 520 с.

30. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.

31. Armstrong L. Motorola cellular system gets nod. Electronics, 1977, №23.-P. 74-76.

32. Boomars J.L.M. The distribution function of interference and blocking chances in a cellular radio system. 2nd Int. Conf. Radio Spectrum Conserv. Techn., Birmingham, 6-8 Sept., 1983, - New York, 1983, P. 80-84.

33. Daikoku K., Ohdate H. Optimal channel reuse in cellular land mobile radio system. IEEE Trans. Veh. Technol., 1983, 32, № 3, P. 217-224.

34. Grump S. Cellular radio ushers in revolutionary changes for servicing business user needs. Commun. News, 1984, 21, № 2. - P. 65-67.

35. Halpern S.W. Alternatives in cellular system design for serving portables. 34th Vehicular Technol. Conf., Pittsburg, Pa, 21-23 May, 1984. - New York, N.Y., 1984, P. 162-167.

36. Hindin H.J. Cellular system expands number of mobile-phone channels. -Electronics, 1979, № 11. P. 158-164.

37. Huensch G.D. и др.; AT&T Bell Labs. Пат. 4475010, США. Заявл. 05.05.83, № 491905, опубл. 02.10.84. МКИ Н 04 G 7/04, НКИ 179/2 ЕВ.

38. Kozomo S., Tsuruhara Т., Sakamoto М. Base station polarization diversity reception for mobile radio. IEEE Trans. Veh. Technol., 1984, 33, № 4, P. 301-306.

39. Krause К., Dallmann H. FM-Gleichwellenfunsystem. Заявка 3244256, ФРГ. Заявл. 30.11.82, № з3244256.4, опубл. 30.05.84. МКИ Н 04 Н 3/00, Н 04 В 7/26.

40. Macario R.C.V., Ahmad Н. An approach towards variable transmitter power control for efficient, spectrally-quiet mobile radios. 2nd Int. Conf. Radio Spectrum Conserv. Techn., Birmingham, 6-8 Sept., 1983, - New York, 1983, P. 94-97.

41. Mallinder B.J.T., Ibragim M.F.A. Spectrum efficiency of high capasity cellular mobile radio systems: an overview. 2nd Int. Conf. Radio Spectrum Conserv. Techn., Birmingham, 6-8 Sept., 1983, - New York, 1983, P. 75-79.

42. Press W.H., Flannery B.P., Teukolsky S.A., Vetterling W.T. Numerical Recipes. Cambridge University press, 1986. - 818 p.

43. Stocker A.C. Small-cell mobile phone systems. IEEE Trans.Veh.Technol., 1984, 33, № 4, P. 269-275.

44. Takayoshi N. Transmitter power control for cellular land mobile radio. -GLOBECOM'83: IEEE Global Telecommun. Conf., San Diego, Calif., 28 Nov.-l Dec., 1983. Conf., Rec. Vol. 3,-New York, N.Y., 1983, P. 1430-1434.

45. Vinwanathan R., Gupta S.C. Simulation of nonparametric receivers for FH-MFSK mobile radio. GLOBECOM'83: IEEE Global Telecommun. Conf., San Diego, Calif., 28 Nov.-l Dec., 1983. Conf., Rec. Vol. 3, - New York, N.Y., 1983, P. 1440-1444.

46. Wells J.D. Cellular system design using the expansion cell layout method. IEEE Trans.Veh.Technol, 1984, 33, № 2, P. 58-66.

47. Wells J.D. The evolution of cellular system design. 34th Vehicular Technol. Conf., Pittsburg, Pa, 21-23 May, 1984. - New York, N.Y., 1984, P. 1-5.

48. Winters J.H. Optimum combining in digital mobile radio with cochannel interference. IEEE J. Select. Areas Commun., 1984, 2, № 4, P. 528-539.

49. Фертиков B.B., Хромых В.Г. Об особенностях формирования электромагнитных полей заданной конфигурации внутри паутинной сети излучателей // Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС. Меж-вуз. сборник. г.Горький, 1988.

50. Фертиков В.В., Хромых В.Г. Методика определения структуры непреднамеренных помех в синхронных сотовых системах связи // Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС. Межвуз. сборник. г.Горький, 1988.

51. Фертиков В.В. Диаграмма направленности излучений внутри сотовой системы подвижной связи // Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС. Межвуз. сборник. г.Горький, 1990.

52. Фертиков В.В. Методика детерминированного описания помех многопозиционных радиотехнических систем // Тез.докл. Всесоюзной научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость судовых технических средств", г.Новороссийск, 1990.

53. Фертиков В.В., Хромых В.Г. Организация параллельных вычислительных процессов в комплексе, имеющем в своем составе быстрые периферийные процессоры // Тез.докл. V Всесоюзной школы-семинара "Распараллеливание обработки информации", г.Львов, 1985.

54. Фертиков В.В. Алгоритм управления синхронной сотовой системой связи, оптимизирующий распределение временного ресурса // Тезисы второй Международной конференции, "Математические алгоритмы". Н.Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 1995.

55. Фертиков В.В. Алгоритм оптимального управления синхронной системой технических средств охраны // Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны: Тезисы докладов М.: Радио и связь, 1995.

56. Фертиков В.В. Оптимизация использования ресурса систем связи методами дискретного программирования // Сб.трудов Всероссийской научно-технической конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи": в 3 т.- Воронеж, 1996, т.1, с.418-428.

57. Фертиков В.В., Хромых В.Г. Управление синхронной системой обеспечения скрытности наземной радиосвязи // Тезисы 2-ой Международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации", Харьков-Туапсе, 1996, 4.1, с.134-135.

58. Фертиков В.В., Хромых В.Г. Система скрытной радиосвязи с разнесенными передатчиками элементов ДЧ сигналов // Сб.трудов научно-технической конференции "Информационная безопасность автоматизированных систем", г.Воронеж, 1998, с.504-510.

59. Хромых В.Г., Фертиков В.В. Описание корреляционных свойств непреднамеренных помех в синхронных сотовых системах связи // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1991. - N 3. - С. 19-24.