Введение к работе
Актуальность работы. Специфические особенности территории России, слабо развитая инфраструктура связи во многих регионах страны, а также экономическая целесообразность обуславливают перспективу широкого использования беспроводных технологий на транспортных сетях связи и в сетях доступа.
«Транспортное» направление беспроводной связи ориентировано в основном на использование цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ) плезиохронной (PDH) и синхронной (SDH) иерархий, входящих в состав магистральных и внутризоновых сетей, а также местных сетей и сетей технологической связи c различной топологией. В настоящее время ЦРРЛ работают в широком диапазоне частот от 160 МГц до 38 ГГц и даже выше.
В сравнении с волоконно - оптическим линиям связи (ВОЛС) ЦРРЛ выгодно отличаются слабой зависимостью от природно - географических условий, высокой надежностью линейного тракта и меньшими капитальными затратами при строительстве.
При этом в соответствии с современными рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ) требования к показателям качества передачи являются одинаковыми как для ВОЛС, так и для ЦРРЛ, поэтому с точки зрения качественных показателей ВОЛС и ЦРРЛ не должны отличаться.
Следует также отметить полную совместимость ВОЛС и ЦРРЛ при построении современных транспортных сетей связи, а также наличие свободного частотного ресурса в большинстве районов страны, что способствует широкому применению ЦРРЛ на сетях связи России.
Беспроводные сети доступа формируются на основе систем подвижной связи (СПС) и систем беспроводного широкополосного доступа (БШД). При этом развитие и совершенствование СПС и БШД стимулирует строительство высокоскоростных и надежных транспортных сетей на основе ЦРРЛ для соединения базовых станций и передачи их трафика магистральным сетям и узлам коммутации.
Важной задачей при построении любых беспроводных систем связи является повышение эффективности использования частотного ресурса, которое обеспечивается, прежде всего, за счет повторного использования частот на линиях и в сетях радиосвязи.
Во всех случаях повторное использование частот неизбежно ведет к увеличению уровней внутрисистемных помех, непосредственно влияющих на показатели качества передачи, поэтому учет влияния указанных помех является одной из основных задач при проектировании ЦРРЛ и сетей радиосвязи.
Основным методом борьбы с внутрисистемными помехами при заданных характеристиках радиорелейного оборудования и антенн является оптимизация выбора проектного решения на основе адекватного учета влияния внутрисистемных помех.
Помимо внутрисистемных помех при проектировании ЦРРЛ и сетей радиосвязи следует учитывать их влияния на региональную электромагнитную обстановку (ЭМО).
В реальных условиях проектирования многоинтервальных ЦРРЛ и сетей радиосвязи часто имеют место дополнительные неформальные или трудно формализуемые ограничения, которые во многих случаях даже не известны на этапе проектирования. В этих условиях наряду с оптимальным решением рассматриваемой задачи оптимизации желательно иметь еще несколько ранжированных лучших вариантов ее решений с тем, чтобы на завершающем этапе можно было выбрать наилучший вариант решения с учетом всех дополнительных ограничений, не вошедших в математическую модель задачи. Таким образом, практический интерес представляют задачи многовариантной оптимизации построения ЦРРЛ и сетей радиосвязи.
В настоящее время в литературе отсутствуют решения основных задач многовариантной оптимизации построения цифровых РРЛ и сетей радиосвязи с учетом влияния внутрисистемных помех.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является моделирование и разработка алгоритмов решения задач многовариантной оптимизации построения многоинтервальных цифровых радиорелейных линий и сетей фиксированной радиосвязи со звездообразной и кольцевой топологией с учетом влияния внутрисистемных помех.
Для достижения этой цели сформулированы и решены следующие задачи:
- разработка усовершенствованных моделей и исследование на их основе влияния внутрисистемных помех на многоинтервальных ЦРРЛ и в сетях местной и технологической радиосвязи;
- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на многоинтервальных ЦРРЛ;
- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ;
- моделирование и решение задачи многовариантной совместной оптимизации выбора размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;
- моделирование и решение задачи оптимизации характеристик ответвления от существующей многоинтервальной ЦРРЛ с учетом влияния взаимных помех;
- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;
- моделирование и решение задачи многовариантной совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;
- моделирование и решение задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией;
- оценка эффективности разработанных алгоритмов оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ и сетей радиосвязи.
Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, математической статистики, математического моделирования, а также методы дискретной оптимизации, основанные на принципах динамического программирования.
Прикладное программное обеспечение, необходимое для моделирования многоинтервальных участков ЦРРЛ, сетей фиксированной радиосвязи и проведения вычислительных экспериментов, реализовано в среде Visual Basic.
Научная новизна. В диссертации впервые решены основные задачи многовариантной оптимизации построения цифровых РРЛ и сетей радиосвязи с учетом влияния внутрисистемных помех. При этом получены следующие новые научные результаты:
- исследовано влияние внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией;
- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на многоинтервальных ЦРРЛ;
- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ;
- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной совместной оптимизации размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;
- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации характеристик ответвления от существующей многоинтервальной ЦРРЛ;
- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации мощностей передатчиков на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;
- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;
- разработаны методика и алгоритм решения задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией;
- исследована эффективность многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ и характеристик ответвлений от существующих ЦРРЛ;
- исследована эффективность оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией.
Практическая ценность.
Основными результатами диссертационной работы, имеющими очевидную практическую значимость, являются:
- результаты исследования влияния внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией;
- программное обеспечение для решения задач многовариантной оптимизации размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;
- программное обеспечение для решения задач многовариантной оптимизации мощностей передатчиков и частотно - территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;
- результаты оценки эффективности разработанных алгоритмов оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ и сетей связи со звездообразной топологией, подтверждающие высокую эффективность указанных алгоритмов.
Указанные результаты могут быть использованы в проектных организациях и подразделениях при автоматизированном проектировании многоинтервальных ЦРРЛ, а также местных и технологических сетей радиосвязи со звездообразной топологией. Кроме того, полученные в диссертации результаты могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий.
Достоверность полученных результатов обеспечена: учетом реальных условий оптимального проектирования многоинтервальных ЦРРЛ и сетей местной и технологической связи при разработке математических моделей рассматриваемых задач оптимизации; учетом статистических характеристик распространения радиоволн и особенностей влияния внутрисистемных помех различного вида на ЦРРЛ и в сетях радиосвязи; использованием математического аппарата, обеспечивающего нахождение заданного числа точных решений рассматриваемых задач многовариантной оптимизации; непротиворечивостью полученных теоретических результатов и результатов многочисленных вычислительных и натурных экспериментов; апробацией основных полученных результатов в печатных трудах, на международном симпозиуме и научно-технических конференциях.
Личный вклад автора. Все основные научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, а также результаты вычислительных и натурных экспериментов, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.
Реализация результатов работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в практической деятельности ЗАО "Радиан" (Санкт-Петербург) и в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь», а также на НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 2008 и 2009 гг.
По результатам диссертации опубликованы 7 печатных работ, из них 3 в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты исследования влияния внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией.
2. Математические модели и алгоритмы решения задач многовариантной оптимизации выбора мощностей передатчиков, размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ.
3. Математические модели и алгоритмы решения задач многовариантной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией.
4. Методика и алгоритм решения задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией.
5. Результаты оценки эффективности многовариантной оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ, а также местных и технологических сетей со звездообразной топологией.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Работа содержит 151 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 74 наименований.
