Модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате
Бесплатно
Основная коллекция
Тематика:
Радиосвязь. Любительская радиосвязь
Издательство:
Науковедение
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 24
Дополнительно
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 1 http://naukovedenie.ru 128TVN214 УДК 621.396 Дьяконов Сергей Владимирович ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) Россия, Орёл1 Сотрудник E-Mail: sergey.v.seti@gmail.com Сивов Александр Юрьевич ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) Россия, Орёл Сотрудник Кандидат технических наук E-Mail: sivov_au@mail.ru Лазоренко Валентин Степанович ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) Россия, Орел Сотрудник Доцент, Кандидат технических наук E-Mail: lazorenko.vs@mail.ru Модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате Аннотация: В настоящее время мобильные сети широкополосного беспроводного доступа повсеместно внедряются в нашу жизнь. Развертывание данных сетей оправдано только в районах с высокой плотностью пользователей. Следовательно, зоны покрытия сетей широкополосного беспроводного доступа имеют ограниченные размеры. Для расширения зон обслуживания могут быть использованы ретрансляторы связи, описанные в стандарте IEEE 802.16j-2009. Авторы предлагают использовать беспилотные летательные аппараты для разрешения ретрансляторов связи. 1 302034, г. Орёл, ул. Приборостроительная, д. 35
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 2 http://naukovedenie.ru 128TVN214 Размещение ретрансляторов связи на беспилотных летательных аппаратах наделяет сеть широкополосного беспроводного доступа новыми свойствами. Данные свойства необходимо учитывать, так как ретрансляторы связи используют общий с базовыми станциями частотновременной ресурс. Поэтому пропускная способность сети широкополосного беспроводного доступа будет зависеть от эффективности использования общего ресурса. С этой целью авторами разработана модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате. В статье получена аналитическая зависимость, позволяющая определить долю частотно временного ресурса, необходимого для ретрансляции сигналов. Данная зависимость учитывает информационную емкость поднесущих в восходящих и нисходящих каналах и обеспечивает выполнение требований к скорости передачи данных. Авторами получена зависимость информационной емкости поднесущих в восходящих и нисходящих каналах от координат размещения беспилотного летательного аппарата с ретранслятором связи. Учет нестабильности пространственного положения беспилотного летательного аппарата отличает разработанную модель от остальных. Ключевые слова: Беспилотный летательный аппарат; ретранслятор связи; система ши рокополосного беспроводного доступа; распределение частотно-временного ресурса; оптимизация топологической структуры сети. Идентификационный номер статьи в журнале 128TVN214
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 3 http://naukovedenie.ru 128TVN214 Введение Современный этап развития региональных сетей широкополосного беспроводного до ступа (ШБД) характеризуется увеличением зон обслуживания пользователей в связи с наращиванием инфраструктуры базовых станций (БС) и расширением перечня услуг связи за счет увеличения пропускной способности радиоканалов. На этапе развития мобильных сетей радиосвязи четвертого поколения предоставление услуг связи планируется только на территории крупных населенных пунктов. В некоторых случаях возможны ситуации, когда требуется кратковременное расширение зоны обслуживания, например на первоначальном этапе ликвидации последствий техногенных аварий. При решении данной задачи целесообразно применять ретрансляторы связи (РС). Для создания мобильной сети ШБД с ретрансляцией сигналов в рамках группы стандартов IEEE 802.16 в марте 2006 года была организована целевая группа по разработке стандарта IEEE 802.16j [1, 2]. Данный стандарт предусматривает использование стационарных РС для увеличения зоны обслуживания БС. Однако он оставляет открытыми для решения вопросы, касающиеся распределения и повторного использования частотно-временного ресурса (ЧВР), планирования сети ШБД, в том числе размещения ретрансляторов. Стационарные ретрансляторы требуют значительного времени на развертывание и в условиях кратковременного расширения зоны обслуживания нецелесообразны, так как сеть на их основе обладает низкой мобильностью. С целью повышения мобильности сети ШБД предлагается размещать РС на подвижном объекте, в частности на беспилотном летательном аппарате (БЛА). Применение РС на БЛА наделяет сеть ШБД широкими возможностями по оперативному изменению топологической структуры. Необходимо отметить, что до настоящего времени не исследовалось влияние взаимного расположения РС, БС и абонентских станций (АС) на качество обслуживания пользователей, а также эффективность использования ЧВР. В связи с этим актуальной является задача по разработке модели распределения ЧВР в системе ШБД с РС на БЛА, которая позволит на основе известных способов разделения ресурсов в сети ШБД распределить ЧВР, необходимый для ретрансляции сигнала между БС и АС при условии выполнения требований к качеству обслуживания пользователей. 1. Структура модели и ее формальное представление Математическая модель – это система математических соотношений, а именно формул, уравнений, неравенств и т. д., отражающих существенные свойства объекта или явления [3]. В общем случае любую математическую модель можно представить в виде «черного ящика» (рис. 1). Входные параметры модели с помощью математического аппарата преобразуется в выходные параметры. Рис. 1. Структура математической модели Определим параметры модели распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА. Входные варьируемые параметры – координаты мест размещения БС, АС и РС , , соответственно. Математический аппарат Входные параметры (варьируемые) Выходные параметры Входные параметры (заданные) БС , , x y z АС , , x y z РС , , x y z
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 4 http://naukovedenie.ru 128TVN214 Входные заданные параметры определяются качеством обслуживания пользователей (скорость и достоверность передачи информации) и техническими характеристиками системы ШБД , такими как мощность передатчиков, чувствительность приемников, усиление и высота размещения антенных систем АС и БС, диапазон рабочих частот и др. Выходной параметр – доля ЧВР Q, которая требуется для ретрансляции сигнала. Математический аппарат – набор математических выражений, позволяющий на основе входных варьируемых и заданных параметров модели определить выходной параметр Q. С учетом указанных параметров, модель распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА можно представить в виде функционала: . (1) Таким образом, требуется определить аналитическую зависимость выходного параметра Q от входных параметров при заданных параметрах модели. 2. Доля частотно-временного ресурса, требуемая для ретрансляции Под ЧВР в работе понимается вся совокупность несущих сигналов с ортогональным частотным разделением (OFDM – Orthogonal frequency division multiplexing – ортогональное частотное разделение каналов) на длительности одного цикла передачи в одном рабочем секторе БС (в данном случае секторе работы РС). Весь ЧВР сектора БС ( ) на длительности одного кадра (фрейма) определим как произведение количества используемых поднесущих в OFDMA-символе ( ) (Orthogonal frequency division multiple access – множественный доступ с ортогональным частотным разделением) на количество OFDMA-символов ( ) в кадре (фрейме): . (2) Количество используемых поднесущих в OFDMA символе определяется шириной полосы частот радиоканала (табл. 1) [2, 4]. * инф R * ош P ТХ * * инф ош БС АС РС , , , , , , , , , , ,ТХ Q F x y z x y z x y z R P 0 Q под исп N OFDMA N под 0 исп OFDMA Q N N
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 5 http://naukovedenie.ru 128TVN214 Таблица 1 Количество поднесуших в OFDMА-символе Ширина полосы, МГц Количество поднесущих Количество используемых поднесущих 1,25 128 85 5,00 512 420 10,00 1024 840 20,00 2048 1680 Количество OFDMA-символов определяется длительностью фрейма на физическом уровне радиоканала (табл. 2) [2, 4]. Таблица 2 Параметры цикла передачи физического уровня Длительность фрейма, мс 2 2,5 4 5 8 10 12,5 20 Количество OFDMA-символов 19 24 39 49 79 99 124 198 Доля ЧВР (Q) – отношение части ЧВР ( ), требуемой для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС ко всему ЧВР ( ): . (3) Стандарт IEEE 802.16j обеспечивает полную обратную совместимость с IEEE 802.16е. Однако он обладает и рядом отличий. На физическом уровне несколько различается структура кадров [5, 6]. Нисходящий и восходящий субкадры делятся на интервал доступа и интервал ретрансляции. Выделяют прозрачный и непрозрачный режимы работы РС. В прозрачном режиме РС транслирует только данные, исключая преамбулы и управляющие поля. Эту информацию АС получает непосредственно от БС. При этом АС логически никак не взаимодействует с РС («не знает» о его существовании). Такой режим позволяет повысить скорость передачи, но не может быть реализован при отсутствии связи между АС и БС. В непрозрачном режиме РС передает не только данные, но и преамбулу, а также все управляющие сообщения. По отношению к АС он выглядит как БС. Для определения доли ЧВР, требуемой для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС, рассмотрим двухинтервальную линию ШБД с РС на БЛА (рис. 2). В зоне обслуживания БС работают несколько АС (АС 1 – АС N). Удаленная АС расположена на расстоянии от БС. Высота подъема РС ( ) определяется техническими характеристиками БЛА и обес печивает прямую видимость на участках БС – РС и РС – АС. под исп N OFDMA N р q 0 Q 0 100 % р q Q Q И R РС H
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 6 http://naukovedenie.ru 128TVN214 Рис. 2. Двухинтервальная линия ШБД с РС на БЛА (составлено авторами) ЧВР в режиме временного дуплекса в нисходящем канале DL (Downlink – нисходящая линия связи) используется для передачи от БС к АС, работающим непосредственно в зоне обслуживания БС (АС 1 – АС N), затем для передачи от БС к РС (DL 1) и от РС к АС (DL 2) (рис. 2). В восходящем канале UL (Uplink – восходящая линия связи) ЧВР реализуется аналогичным образом: для передачи от прочих АС к БС, затем для передачи от АС к РС (UL 1) и от РС к БС (UL 2). Структура ЧВР в восходящем и нисходящем каналах различна. Минимальной частотно временной единицей формирования канала является один слот, который содержит 48 поднесущих. Эта единица поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях [6, 7]. Слот занимает один подканал и от одного до трех последовательных OFDMA-символов. Подканал – это набор несущих частот. Распределение поднесущих по подканалам и их количество на один подканал зависят от направления передачи и метода распределения поднесущих. Стандарт IEEE 802.16 описывает несколько способов распределения поднесущих как в нисходящем, так и в восходящем каналах. Принципиально они подразделяются на FUSC (full usage of the subchannels – полное использование подканалов) и PUSC (partial usage of subchannels – использование групп подканалов (сегментов), т. е. не всего доступного диапазона). Какие именно подканалы применяются в режиме PUSC, однозначно определяют номера сегментов. В методах PUSC и FUSC (и их вариациях) одному субканалу присваиваются несущие, равномерно распределенные по всему доступному физическому каналу [6, 7]. Рис. 3. Структура элементов ЧВР в нисходящем и восходящем каналах В нисходящем канале длительность слота – один или два символа (в режимах FUSC и PUSC соответственно). В каждом «кластере» определяются пилотные поднесущие – для четных РС АС И R 1 DL 2 DL 2 UL 1 UL БС РС H АС N АС 1 БЛА Структура «кластера» нисходящего канала (DL) 28 поднесущих в 2-х символах из них 24 информационных и 4 пилотных Структура «фрагмента» восходящего канала (UL) 12 поднесущих в 3-х символах из них 8 информационных и 4 пилотных Пилотные Информационные 1 13 5 9 Символы OFDMA Поднесущиe поднесущие поднесущие
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 7 http://naukovedenie.ru 128TVN214 символов это 5-я и 9-я поднесущие, для нечетных – 1-я и 13-я (рис. 3) [8]. Слот состоит из двух «кластеров». В восходящем канале длительность слота всегда равна трем OFDMA-символам. При этом слот состоит из шести «фрагментов», в которых жестко определены положения пилотных поднесущих (рис. 3). Рис. 4. Структура ЧВР при ретрансляции (для полосы 10 МГц) (составлено авторами) Рисунок 4 иллюстрирует структуру ЧВР при ретрансляции с учетом структуры «кластеров» и «фрагментов». В нисходящем канале первый символ – это преамбула. Поднесущие в символах преамбул модулируются посредством BPSK специальным псевдослучайным кодом. За преамбулой следует служебная информация. К ней относятся заголовок кадра, карты распределения полей нисходящего и восходящего каналов. Далее транслируются нисходящие пакеты данных. Требуемая скорость передачи информации в нисходящем и восходящем каналах и определяется пользователем, причем она могжет отличаться. Для обеспечения требуемой скорости в каждом цикле передачи должно содержаться определенное количество бит информации : , (4) слот Служебная информация Время (OFDMAсимволы) Информация для прочих абонентских станций Информация от прочих абонентских станций UL UL 1 UL 2 DL DL 1 DL 2 Частота (поднесущие) 1 1 2 60 2 210 Цикл передачи UL DL T 840 поднесущих 6 Служебная информация слот * инф DL R * инф UL R * инф V * * инф инф UL DL UL DL V R T
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 8 http://naukovedenie.ru 128TVN214 где – длительность цикла передачи (фрейма). При временном дуплексе количество бит информации, переданное в двух нисходящих каналах ( и ), а также в двух восходящих каналах ( и ) должно совпадать: ; (5) . (6) Для обеспечения временного дуплекса необходима двукратная передача требуемого количества бит в цикле передачи в восходящем и нисходящем каналах. В силу того, что элементы слота имеют разную структуру для нисходящего и восходящего каналов (рис. 3), а поднесущие могут различаться по информационной емкости, то для каждого интервала требуется определить количество «кластеров» ( ) и «фрагментов» ( ), которое позволит обеспечить требуемую скорость передачи информации: ; (7) . (8) где и – информационные емкости «кластеров» и «фрагментов» соответственно. Информационные емкости «кластеров» и двух нисходящих каналов DL 1 и DL 2 определяются следующими выражениями: ; (9) . (10) UL DL T 1 инф DL V 2 инф DL V 1 инф UL V 2 инф UL V 1 2 * инф инф инф DL DL DL V V V 1 2 * инф инф инф UL UL UL V V V UL DL T K N Ф N * инф K K DL UL DL R T N C * инф Ф Ф UL UL DL R T N C K C Ф C K 1 DL C K 2 DL C K под K Н 1 инф 1 DL DL C N C K под K Н 2 инф 2 DL DL C N C
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 9 http://naukovedenie.ru 128TVN214 где – количество информационных поднесущих в «кластере»; и – информационные емкости одной поднесущей для участков нисходящих каналов DL 1 и DL 2 соответственно. Исходя из выражения (7), количество «кластеров» для обеспечения требуемой скорости для участков нисходящего канала зависит от информационной емкости поднесущих и определяется выражениями: ; (11) . (12) Информационные емкости «фрагментов» и двух восходящих каналов UL 1 и UL 2 определяются следующими выражениями: ; (13) , (14) где – количество информационных поднесущих во «фрагменте»; и – информационные емкости одной поднесущей для участков восходящих каналов UL 1 и UL 2 соответственно. С учетом выражения (8), количество «фрагментов» для обеспечения требуемой скорости для каждого участка восходящего канала также зависит от информационной емкости поднесущих и определяется выражениями: ; (15) . (16) под K инф N Н 1 DL C Н 2 DL C * инф DL R * инф K Н 1 1 под K Н инф 1 DL UL DL DL DL DL R T N C N C * инф K Н 2 2 под K Н инф 2 DL UL DL DL DL DL R T N C N C Ф 1 UL C Ф 2 UL C Ф под Ф Н 1 инф 1 UL UL C N C Ф под Ф Н 2 инф 2 UL UL C N C под Ф инф N Н 1 UL C Н 2 UL C * инф UL R * инф Ф Н 1 1 под Ф Н инф 1 UL UL DL UL UL UL R T N C N C * инф Ф Н 2 2 под Ф Н инф 2 UL UL DL UL UL UL R T N C N C
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 2, март – апрель 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 10 http://naukovedenie.ru 128TVN214 Часть ЧВР , требуемую для ретрансляции сигнала между АС и БС, определим как сумму всех поднесущих в «кластерах» и «фрагментах» участков нисходящих и восходящих каналов, позволяющих обеспечить требуемую скорость передачи информации. Принимая во внимание структуру «кластеров» и «фрагментов», представим в следующий вид: , (17) где и – количество пилотных поднесущих в «кластере» и «фрагменте» соответственно (рис. 3). Произведем подстановку выражений (2) и (17) в выражение (3). Тогда искомую долю ЧВР Q можно представить в следующем виде: . (18) Таким образом, получена аналитическая зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигналов, от информационной емкости поднесущих в дуплексных восходящих и нисходящих каналах, которая обеспечивает выполнение требований к скорости информационного обмена. 3. Информационная емкость поднесущих Информационная емкость поднесущих зависит от позиционности модуляции и параметров схем кодирования, которые определяются отношением сигнал-шум (ОСШ) на входе приемника каждой радиостанции, обеспечивающим требуемую достоверность передачи информации (табл. 3) [6, 7]. p q p q Н Н Н Н под K под К K Н K Н 1 2 1 2 инф пилот 1 1 2 2 под Ф под Ф Ф Н Ф Н инф пилот 1 1 2 2 , , , p DL DL UL UL DL DL DL DL UL UL UL UL q C C C C N N N C N C N N N C N C под К пилот N под Ф пилот N Н Н Н Н 1 2 1 2 под исп под K под К K Н K Н инф пилот 1 1 2 2 под Ф под Ф Ф Н Ф Н инф пилот 1 1 2 2 1 , , , 100 % DL DL UL UL OFDMA DL DL DL DL UL UL UL UL Q C C C C N N N N N C N C N N N C N C * ош P