Алгоритм поиска координат размещения ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате, обеспечивающий минимизацию доли частотно-временного ресурса для ретрансляции сигналов
Бесплатно
Основная коллекция
Издательство:
Науковедение
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 22
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 129TVN214 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 Алгоритм поиска координат размещения ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате, обеспечивающий минимизацию доли частотно-временного ресурса для ретрансляции сигналов Аннотация: В данной статье авторы продолжили исследования, представленные в ста тье «Модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате». Модель, описанная в предыдущей статье, позволяет определить минимальное количество частотно-временного ресурса, необходимого для ретрансляции сигналов через ретранслятор связи на беспилотном летательном аппарате. Входными параметрами разработанной модели являются координаты размещения базовой станции, абонентской станции, беспилотного летательного аппарата с ретранслятором связи. В результате исследований установлено, что выходной параметр носит нелинейный и ступенчатый характер, имеет несколько экстремумов, а также зависит от расстояния между базовой и абонентской станцией. Оптимальное размещение беспилотного летательного аппарата позволяет уменьшить частотно-временной ресурс, необходимый для ретрансляции. Таким образом, поиск координат размещения беспилотного летательного аппарата является актуальной задачей. Авторы предлагают использовать методы поисковой оптимизации. С целью снижения вычислительной сложности авторами был предложен модифицированный алгоритм Джарвиса. Алгоритм поиска координат размещения беспилотного летательного аппарата с ретранслятором связи учитывает изменение отношения сигнал шум в восходящих и нисходящих каналах. 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 129TVN214 Ключевые слова: Беспилотный летательный аппарат; ретранслятор связи; система широкополосного беспроводного доступа; оптимизация топологической структуры сети; распределение частотно-временного ресурса. Идентификационный номер статьи в журнале 129TVN214 Введение Современный этап развития региональных сетей широкополосного беспроводного доступа (ШБД) характеризуется увеличением зон обслуживания пользователей и расширением перечня предоставляемых им услуг связи. В 2006 году была организована целевая группа по созданию стандарта IEEE 802.16j [1, 2], предусматривающего применение стационарных ретрансляторов связи (РС) для увеличения зон обслуживания базовых станций (БС). При решении некоторых задач государственного управления возникают ситуации, когда требуется кратковременно расширить зону обслуживания БС, например при обеспечении связи из мест техногенных аварий. Применение стационарных РС в данном случае не позволит оперативно менять топологическую структуру сети ШБД ввиду ее низкой мобильности. Поэтому для повышения мобильности сети ШБД (не путать с мобильностью абонентов) предлагается размещать РС на подвижных объектах, в частности на беспилотных летательных аппаратах (БЛА). Рис. 1. Топологическая структура сети ШБД (составлено авторами) Рассмотрим сеть ШБД (рис. 1), в которой БС, расположенная в точке начала координат, в одном из секторов обслуживает несколько абонентских станций (АС), в том числе одну стационарную АС, размещенную на оси X, через РС, который может перемещаться в некоторой области . Вынесенная АС расположена на расстоянии от БС. Высота подъема РС определяется техническими характеристиками БЛА и обеспечивает прямую видимость на участках БС–РС и РС–АС. Антенные системы АС и БС расположены на высотах НАС и НБС соответственно. Ранее авторами была разработана модель распределения частотно-временного ресурса (ЧВР) в системе ШБД с мобильным РС и временным дуплексированием сигналов в восходящих и нисходящих каналах связи, которая позволяет на основании известных способов деления ресурсов в сети ШБД определить требуемое количество ЧВР для ретрансляции сигнала между БС и АС при условии выполнения требований к скорости и достоверности ин Y Z 0 БС (0, 0, НБС) БС РС R РС АС R Вынесенная АС (Rи, 0, НАС) И R X РС , , i j k x y z Область размещения РС на БЛА Прочие АС Сектор БС 1 DL 2 DL 2 UL 1 UL * , , X Y Z * , , X Y Z И R
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 129TVN214 формационного обмена. На основе модели требуется разработать алгоритм поиска координат размещения РС на БЛА, обеспечивающий минимизацию доли ЧВР для ретрансляции сигналов между АС и БС при условии выполнения требований к скорости и достоверности информационного обмена. 1. Модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате 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. Доля ЧВР – отношение части ЧВР, требуемой для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС ко всему ЧВР: . (1) где – весь ЧВР сектора БС; – ЧВР, требуемый для ретрансляции сигнала; – l-я точка, принадлежащая области допустимых координат размещения РС на БЛА (Рис. 1); , где , X*– множество допустимых координат по оси X; , где , Y* – множество допустимых координат по оси Y; , где , Z* – множество допустимых координат по оси Z. Модель распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА представим в виде системы выражений: р 0 , , , , 100 % i j k l i j k l q x y z Q x y z Q 0 Q р , , i j k l q x y z , , i j k l x y z * , , X Y Z * ix X 0,1... i I * jy Y 0,1... j J * kz Z 0,1... k K
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 129TVN214 (2) где – общее количество поднесущих, требуемое для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС на участках нисходящих каналов DL (Downlink – нисходящая линия связи) и восходящих каналов UL (Uplink – восходящая линия связи); и – количество информационных и пилотных поднесущих в «кластере» (совокупность несущих DL); и – количество информационных и пилотных поднесущих во «фрагменте» (совокупность несущих UL) [3, 4]; – длительность цикла передачи (фрейма); и – требуемая скорость передачи информации в восходящих и нисходящих каналах, определяемая пользователем; – количество используемых поднесущих в OFDMA символе [3, 4]; – количество OFDMA-символов в кадре (фрейме) [3, 4]; и – информационные емкости одной поднесущей для участков восходящих и нисходящих каналов, определяемая следующим выражением [5, 6]: * инф под под K под К 1 инф пилот под K Н 2 инф 1 1 * инф под под K под К 2 инф пилот под K Н 2 инф 2 2 под под Ф п 1 инф пилот , , ; , , , , ; , , , , DL UL DL DL i j k l DL DL i j k l DL UL DL DL i j k l DL DL i j k l UL i j k l R T N x y z N N N C h x y z R T N x y z N N N C h x y z N x y z N N * инф од Ф под Ф Н 2 инф 1 1 * инф под под Ф под Ф 2 инф пилот под Ф Н 2 инф 2 2 2 2 * 6 1, 2, 1, 2 1/2 ош под р 1 ; , , , , ; , , , , 1 10 ; , , UL UL DL UL UL i j k l UL UL DL UL i j k l UL UL i j k l UL UL DL DL i j k QPSK l i j k DL l R T N C h x y z R T N x y z N N N C h x y z h x y z h P q x y z N x под 2 под под 1 2 под 0 исп р 0 р 0 , , , , , , , , ; ; , , ; , , , , 100 %; i j k DL i j k l l UL i j k UL i j k l l OFDMA i j k l i j k l i j k l y z N x y z N x y z N x y z Q N N q x y z Q q x y z Q x y z Q под N под K инф N под К пилот N под Ф инф N под Ф пилот N UL DL T * инф UL R * инф DL R под исп N OFDMA N Н UL C Н DL 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 5 http://naukovedenie.ru 129TVN214 (3) где – отношение сигнал-шум (ОСШ) на входах приемников , , , для l-й точки размещения РС на БЛА. Рис. 2. Зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции при изменении положения РС по осям X, Y и Z (составлено авторами) Проведен анализ влияния взаимного расположения РС относительно БС и АС на каче ство обслуживания и эффективность использования ЧВР для обеспечения ретрансляции сигналов в сети ШБД стандарта IEEE 802.16j. Ступенчатый характер изменения доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала при изменении координат РС по осям X, Y и Z (рис. 2), позволяет определить область пространства, в которой доля ЧВР, требуемая для ретрансляции сигнала (при условии 2 2 2 Н 2 0,5, если 3,0 дБ , , 6,0 дБ для BPSK 1,0, если 6,0 дБ , , 8,5 дБ для 1.5, если 8,5 дБ , , 11,5 дБ для , , 2.0, если 11,5 дБ , , 15 дБ дл 1/ 2; QPSK 1/ 2; QPSK ; я 3/ 4 i j k l i j k l i j k l i j k i j k l l h x y z h x y z h x y z C x y z h x y z 2 2 2 3,0, если 15,0 дБ , , 19 дБ для 4,0, если 19,0 дБ , , 21 дБ 16QAM 1/ 2; 16QAM 3/ 4; 64QAM 2 / 3; 64QAM 3/ 4; для 4,5, если , , 21дБ для i j k l i j k l i j k l h x y z h x y z h x y z 2 , , i j k l h x y z 2 1 , , DL i j k l h x y z 2 2 , , DL i j k l h x y z 2 1 , , UL i j k l h x y z 2 2 , , UL i j k l h 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 6 http://naukovedenie.ru 129TVN214 выполнения требований к скорости и достоверности информационного обмена), остается неизменной. В целях минимизации доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала между БС и АС при условии выполнения требований к скорости и достоверности информационного обмена, необходимо разработать алгоритм поиска рациональной области размещения РС. 2. Постановка задачи на разработку алгоритма поиска координат размещения ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате Модель распределения ресурсов в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА позволяет установить зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала между БС и АС через РС, от координат размещения РС относительно БС и АС (рис. 2). Сложный, нелинейный характер зависимости целевой функции от координат размещения РС относительно БС и АС, изменяющийся при изменении расстояния между АС и БС, не позволяет однозначно определить направления поиска минимума целевой функции. Необходимо разработать алгоритм поиска множества рациональных значений координат размещения РС на БЛА на множестве допустимых значений координат , в которых обеспечивается минимизация целевой функции (1), то есть минимальный расход ЧВР, при условии выполнения требований к скорости и достоверности передачи данных в радиоканале: , (4) Исходными данными для работы алгоритма являются: • матрица высот местности размещения системы связи ; • координаты размещения БС (0, 0, НБС) и АС (RИ, 0, НАС); • технические характеристики БС, АС и РС; • величина шага поиска по координатам X, Y и Z ( соответственно). Матрица высот задается с шагом поиска по координатам X и Y соответственно (рис. 3). Ось X параллельна отрезку, соединяющему АС и БС. РС не может находиться на расстоянии более 5 км от АС, согласно рекомендациям [5]. Тогда размерность матрицы высот будет определяться следующими выражениями: рац РС , , x y z * , , X Y Z рац * РС , , , , * инф инф * ош ош arg min , , i j k l x y z X Y Z UL DL UL DL Q x y z R R P P B n m H , и x y z B n m H и x y B 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 7 http://naukovedenie.ru 129TVN214 ; (5) . (6) Рис. 3. Требуемые размеры матрицы высот (составлено авторами) Поиск рациональных координат размещения РС основан на определении минимума целевой функции (1) при изменении координат размещения РС относительно БС и АС с учетом модели распределения ЧВР (2). 3. Определение границ области допустимых координат размещения РС Верхняя граница ограничивает область пространства , в которой может размещаться РС. Эта область ограничивается максимальной высотой полета БЛА (подъем РС ) и максимальной дальностью связи между АС и БС, которая зависит от технических характеристик радиооборудования (выходной мощности передатчиков, чувствительности приемников, усиления антенных систем БС, РС и АС, диапазона рабочих частот и др.). Нижняя граница SН – это поверхность (рис. 4), определяющая минимально необходимую высоту подъема РС на БЛА с учетом рельефа местности. Под минимально необходимой высотой подъема РС будем понимать такую высоту подъема РС на БЛА, при которой рельеф местности лежит ниже зоны, существенной для распространения радиоволн (рис. 5). Для произвольной точки с координатами , находящейся в пределах матрицы высот , минимальная высота выражение (7) (рис. И км 10 км км R m x 2 км 10 км км y n y И R 5 км 5 км 5 км 5 км БС (0,0) АС (Rи,0) до 5 км x y 2 y 0 n y 2 x 3 y m x y y X Y 0 * , , X Y Z max PC H min РС H , i j x y B n m H min 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 8 http://naukovedenie.ru 129TVN214 5) определяется интервалом связи БС–РС и зависит от размера зоны, существенной для распространения радиоволн , высот местных предметов и высот поверхности Земли : . (7) Рис. 4. Границы области допустимых координат размещения РС (составлено авторами) Рис. 5. Поиск минимально допустимой высоты размещения РС с учетом рельефа местности (составлено авторами) 0 H МП H ПЗ H min РС min 0 МП ПЗ , , , i j H z x y f H H H И R X Y Z 0 БС-РС , , i j k l R x y z ( , ) БС-РС х y R ( , ) РС-АС х y R И АC ,0, , , , t R R H x y z РС-АС , , i j k R x y z Н S РС РС , , i j k l x y z В max PC S R H В max PC S R H БC БС 0,0,H И АC АC ,0, R H Н S (над гладкой поверхностью Земли) (с учетом рельефа местности) БС (0,0,НБС) НБС НМП НПЗ Н0 ( , ) БС-РС i j x y R ( , ) МП x y R min РС , , , i j i j x y z x y min ( , ) РС МП х y H R Х 0 x 2 x ix ix x
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 129TVN214 Таким образом, будет зависеть от расстояния до наивысшего препятствия на интервале радиолинии на участке БС–РС , поэтому для обеспечения прямой видимости на этом участке требуется большая высота подъема РС. Поверхность SН определяется последовательным дискретным поиском с заданным шагом поиска по координатам X и Y для всей матрицы высот . В точке размещения РС с координатами , принадлежащей матрице высот , определяется длина интервала (рис. 5). Затем осуществляется сканирование по оси X с шагом поиска . Варьируемая координата . Для каждой точки определяются и соответствующая этому значению высота РС в точке с координатами – : , (8) где – размер зоны, существенной для распространения радиоволн в точке с варьируемыми координатами (x, y) [7]: . (9) – высота местных предметов в точке с варьируемыми координатами (x, y), полученная из матрицы высот (8): . (10) – высота поверхности Земли в точке с варьируемыми координатами (x, y) [7]: , (11) min РС H ( , ) МП х y R МП H min РС H B n m H , i j x y B n m H ( , ) БС-РС i j x y R x 0, ,2 ,..., i x x x x ( , ) МП х y R , i j x y min , i j z x y ( , ) ( , ) ( , ) min 0 МП МП МП ПЗ МП , , , х y х y х y i j z x y f H R H R H R ( , ) 0 МП х y H R ( , ) ( , ) ( , ) МП БС РС МП ( , ) 0 МП ( , ) БС РС λ 1 3 i j i j х y х y х y х y х y R R R H R R ( , ) МП МП х y H R ( , ) B МП МП , х y n m H R f H x y ( , ) ПЗ МП х y H R ( , )2 ( , ) ( , ) ( , ) БС-РС МП МП ПЗ МП ( , ) ( , ) э БС РС БС РС 1 2 i j i j i j х y х y х y х y х y х y R R R H R а R R
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 129TVN214 где λ – длинна волны; – эквивалентный радиус Земли. Тогда минимальная высота подъема РС (рис. 5) для каждой точки с координатами будет определяться следующим выражением: С учетом принятых обозначений нижняя граница SН будет определяться множеством дискретных точек, заданных с шагом , по координатам X и Y соответственно: (13) Верхняя граница области допустимых координат размещения РС на БЛА – это часть сферы – поверхность SВ (рис. 3). Центр сферы расположен в точке с координатами (RИ, 0, НАС) – электрическом центре антенной системы АС [8]: (14) где ; – радиус сферы, расстояние от АС до точек пространства, в которых ОСШ на входе приемника РС соответствует порогу переключения модуляции и кодирования с QPSK 1/2 на BPSK 1/2 (3). Радиус сферы определяется при условии: э а min , i j z x y , i j x y ( , ) ( , ) ( , ) МП БС РС МП ( , ) БС-РС ( , ) ( , ) БС РС min B МП БС ( , ) МП ( , )2 ( , ) ( , ) БС РС МП МП ( , ) ( , , ) э и БС РС λ 1 3 , max 1 2 i j i j i j i j i j x y х y х y x y x y х y i j х y x y х y х y х y х yx y R R R R R z x y H R H R R R R а R R БС ( , ) ( , ) МП БС РС .(12) 0, ... i j x y х y H R x R и x y Н min , , , 0, ,2 ... ; 0... ; 0, ,2 ... ; 0... . i j i j i j S x y z x y x x x n x i n y y y m y j m И В АС sin θ cos φ ; 0 sin θ sin φ ; cos θ ; x R R S y R z Н R θ 0 π , φ 0 2π R R