Введение к работе
Актуальность темы.
К традиционным средствам персональной беспроводной связи относятся транкинговые и сотовые системы мобильной радиотелефонной связи, односторонние системы персонального радиовызова, и радиотелефонные удлинители. В последнее десятилетие с развитием технологии обработки сигналов и вычислительной техники появились новые типы систем персональной связи: двухсторонние системы персонального радиовызова, системы бесшнуровой телефонии, и высокоскоростные системы передачи данных для беспроводного подключения к компьютерным сетям.
Одной из важнейших характеристик систем персональной связи является общее количество радиоканалов, организованных в зоне обслуживания, т.е. нагруженность системы. Существуют два характерных крайних случая: деловой центр современного многоэтажного города с пиковым уровнем нагруженности до 104 Эрл/кв.км/этаж, где основной трудностью является обеспечение устойчивой работы большого числа каналов в условиях взаимных помех, и случай малонаселенной местности с нагруженностью менее 0.1 Эрл/кв.км, где существенным вопросом является увеличение радиуса действия системы при минимизации затрат на оборудование.
В мире имеет место исторически сложившееся и закрепленное многими международными и внутригосударственными законодательными актами приоритетное распределение частот и диапазонов между различными службами, не учитывающее бурный рост, переживаемый в последние десятилетия средствами массовой персональной беспроводной связи. В этих условиях возможность повышения числа абонентов систем путем расширения занимаемого диапазона частот ограничена. Дополнительной проблемой является то обстоятельство, что частотные планы диапазонов УКВ и ДМВ различных государств имеют существенные отличия.
В настоящее время для решения проблемы высокой нагруженности предлагается способ экстенсивного решения проблемы "тесноты эфира" -системы бесшнуровой телефонии, переход к пикосотовой структуре с целью многократного повторного использования частот. Такой подход требует высоких технических и проектных затрат на создание инфраструктуры и может быть экономически оправдан только в мегаполисах, характеризующихся высокой плотностью населения.
Для обеспечения связи в глобальном масштабе в малонаселенных местностях реализуются проекты космических систем на основе низколетящих спутников. Существенным недостатком орбитальных систем связи является низкие достижимые уровни телефонной нагруженности порядка 10"4 Эрл/кв.км при себестоимости на уровне 105 долл./Эрл/год, что не позволяет рассматривать их как системы персональной связи массового пользования.
Возможности экстенсивного развития радиоинтерфейсов персональных систем связи ограничены всвязи с "теснотой эфира" и высокими затратами на создание и поддержку инфраструктуры. В этих условиях становится актуальным вопрос исследования методов повышения спектральной эффективности использования канала связи. В работе рассматриваются следующие подходы к решению данной проблемы:
а) применение различных видов сверхширокополосных сигналов,
б) схема организации динамического разделения в канале,
в) применение современной элементной базы DSP и вычислительно -
-емких алгоритмов сжатия информации, кодирования/декодирования и
модуляции.
Цель работы.
Разработка рекомендаций по построению спектрально-эффективного радиоинтерфейса для системы персональной радиосвязи.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
-
Исследования спектральной эффективности сверхширокополосных радиосигналов с скачкообразным изменением частоты и с прямым расширением спектра применительно к задаче мобильной связи.
-
Разработки концепции, принципа построения и функционирования протокола канального уровня с динамическим разделением радиоканала между пользователями.
-
Разработки алгоритмов низкоскоростного речевого кодека для использования в системе с динамическим разделением, схем экстраполяции кадров и помехозащищающего кодирования для данного кодека.
-
Построения макета процессора протокола (PLP) цифровой системы связи для экспериментальной проверки предложенных технических решений.
Метод исследования.
В данной работе принято решение отказаться от интегральной оптимизации характеристик радиоинтерфейса системы связи и оптимизировать различные факторы по-отдельности ввиду следующих обстоятельств:
Сложность адекватного учета всех факторов.
Отсутствие в настоящее время эффективной объективной методики оценки качества синтеза речевой информации при цифровых вокодерных преобразованиях.
Сложность универсального решения задачи распространения радиоволн в различных условиях с необходимой точностью.
Трудность прогнозирования перспектив развития средств связи, вычислительной техники и элементной базы.
В первом приближении оптимизация системы связи проводится по пяти основным критериям: коэф-т эффективности использования полосы частот,
энергетическая эффективность, информационный КПД, коэф. повторного использования каналов и обратная общая спектральная эффективность.
При оценке влияния мешающих факторов на канал связи с сигнально-кодовыми конструкциями различных классов используется математический аппарат теории вероятности, теории информации и теории помехоустойчивости.
Для расчета влияния явления селективных замираний используется лучевая модель распространения радиоволн. Показано, что ограничение рассмотрения двумя лучами не влияет на общность результатов применительно к целям данной задачи.
Для расчета динамического распределения каналов связи используются данные и соотношения, характерные для статистической структуры исходной и кодированной речевой и неречевой информации.
Справедливость аналитических оценок проверена путем численного моделирования на ПЭВМ и экспериментов на макете канального процессора системы.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов.
Справедливость полученных выводов проверена путем сравнения результатов с теоретическими в предельных и аналитически простых случаях. Результаты работы по речевому- кодеку, статистическому уплотнению, канальной модуляции и кодированию проверены экспериментально.
Научная новизна работы.
1. Предложена новая концепция динамического разделения канала связи
между пользователями для применения в системах цифровой
радиотелефонии.
2. Разработан и реализован на DSP в виде прототипа кодека новый
алгоритм речевого кодирования с адаптивной скоростью сжатия. Также
предложены алгоритмы помехоустойчивого кодирования и экстраполяции
информации для данного речепреобразующего кодека.
3. Произведено исследование спектральной эффективности сверхширокополосных сигналов с медленными скачками частоты и с прямым расширением спектра применительно к задаче организации мобильной радиосвязи. Обоснован вывод, что по совокупности характеристик для применения в системе мобильной связи предпочтительны сигналы с скачкообразным изменением частоты.
Практическая значимость.
Получены результаты и рекомендации, показывающие возможность создания радиоинтерфейса для систем персональной мобильной связи, в 2-5 раз превосходящего по нагруженное современные системы GSM и IS-95 при равных эфирных затратах. Для развертывания радиоинтерфейса не требуется пересмотра существующих частотных планов, и возможно сосуществование новой системы с уже развернутыми в настоящее время традиционными системами.
Внедрение.
Данная работа представляет собой часть исследовательской и инженерной программы модернизации систем беспроводной связи, проводимой в течение последних 3-х лет рядом негосударственных организаций. Результаты диссертационной работы послужили материалом для двух проводимых в настоящее время научных работ, целью которых является более глубокое исследование и конкретизация ряда положений.
В ходе данной работы был создана аппаратная часть и программное обеспечение многоцелевого цифрового канального процессора для применения в беспроводных телекоммуникационных системах. В настоящее время устройство серийно выпускается на предприятии "ООО Комплексные Системы Связи" для применения в составе комплекса аппаратуры для пейджинговой связи.
Результаты использования отражены в акте о внедрении.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXIX Научной конференции МФТИ 1996г., XL Научной конференции МФТИ 1997г., Научном семинаре каф. радиотехники МФТИ, ряде научных семинаров кафедры МФТИ в ОАО "Радиофизика", Международном симпозиуме "Мобильные системы - 1998", г. Москва 1998г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликованы две печатных работы и получено свидетельство официальной регистрации.
Структура и объем работы.
Похожие диссертации на Исследование и разработка методов повышения эффективности использования радиоканала применительно к задачам мобильной связи
