CC BY
216
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.
302034, г. Орёл, ул. Приборостроительная, д. 35
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 частотно-временной 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 широкополосного беспроводного доступа; распределение частотно-временного ресурса; оптимизация топологической структуры сети.
Идентификационный номер статьи в журнале 128ТУЫ214
Введение
Современный этап развития региональных сетей широкополосного беспроводного доступа (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 802.16/ [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-времен-ногоресурса (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.
Входные параметры j (заданные)
Входные Математический Выходные
параметры (варьируемые) аппарат 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 (х, у, г)БС , (х, у, 2)дс, (х, у, 2)рс соответственно.
Входные заданные параметры определяются качеством обслуживания пользователей (скорость и достоверность Р*ш передачи информации) и техническими характеристиками
системы ШБД (тх |, 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:
Q = F
(х, у, z)EC, (х, у, z)AC , (х, у, z)pc , , Р*ш, ТХ
(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 ( Q0 ) на длительности одного кадра (фрейма) определим как произведение количества используемых поднесущих в OFDMA-символе ( N^ ) (Orthogonalfrequency division multiple access - множественный доступ
с ортогональным частотным разделением) на количество OFDMA-символов ( nofdma ) в кадре (фрейме):
Qo = NT • NOFDMA . (2)
Количество используемых поднесущих в OFDMA символе определяется шириной полосы частот радиоканала (табл. 1) [2, 4].
Таблица 1
Количество поднесуших в OFDMA-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 ОЕВЫЛ-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 nofdma 19 24 39 49 79 99 124 198
Доля ЧВР (0) - отношение части ЧВР (# ), требуемой для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС ко всему ЧВР ( ):
q р
Q = .100% . (3)
Q0
Стандарт IEEE 802.16/ 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 ТТТБД с РС на БЛА (рис. 2). В зоне обслуживания БС работают несколько АС (АС 1 - АС N). Удаленная АС расположена на расстоянии ЯИ от БС. Высота подъема РС (Н?с ) определяется техническими характеристиками БЛА и обеспечивает прямую видимость на участках БС - РС и РС - АС.
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].
D Я
В 5?
D К
ч о
С
13
о о о •
о о о о о о
• о о о о о о о
• о о
о о о
Структура «кластера» нисходящего канала (БЬ) 28 поднесущих в 2-х символах из них 24 информационных и 4 пилотных
Информационные
поднесущие Пилотные
ко*
!г> о о
Ж
поднесущие
ООО
о •
Символы OFDMA
Структура «фрагмента» восходящего канала (ПЬ) 12 поднесущих в 3-х символах из них 8 информационных и 4 пилотных
Рис. 3. Структура элементов ЧВР в нисходящем и восходящем каналах
В нисходящем канале длительность слота - один или два символа (в режимах Еи8С и РШС соответственно). В каждом «кластере» определяются пилотные поднесущие - для четных
9
5
1
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).
пл
60
Частота (поднесущие)
« 8
н о
о н к
<и
к о
Ю й
X
¡Г О
Я
й а а о
•е к К
О
«
Я
К $
о
В «
<и К О
ю й
X
¡Г О
а о
•е к К
• О*
ООО ООО
• О*
ООО ООО
• О •
ООО ООО
о о о: о о о ооо! ооо
210
БЬ 1
БЬ 2
иь 1
иЬ 2
БЬ
иь
Цикл передачи ( )
Время
{отыл-
символы)
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 БР8К 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 Я^ф* и
инф
Я^нф определяется пользователем, причем она могжет отличаться. Для обеспечения требуемой скорости в каждом цикле передачи должно содержаться определенное количество бит информации Ки*нф:
у* = ЯЩ эь)*
'инф -1 Чшф
• Т
иь-эь
(4)
1
2
1
6
2
где Тиь_пь - длительность цикла передачи (фрейма). При временном дуплексе
уВ£1 уШ 2
количество бит информации, переданное в двух нисходящих каналах ( инф и инф ), а также в
уЦЫ уПЬ 2
двух восходящих каналах ( инф и инф ) должно совпадать:
yDL\ = 2 = V
* liufn ' HUfh ' т;
DL 2
инф
инф
tDL* инф ;
(5)
yUL\ _ yUL2 _ yUL* y инф y инф y инф .
(6)
Для обеспечения временного дуплекса необходима двукратная передача требуемого количества бит в цикле передачи TUL_DL 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» ( Nк ) и «фрагментов» ( NФ ), которое позволит
обеспечить требуемую скорость передачи информации:
nDL* т j^K _ ^инф ' TUL-DL .
C
к
(7)
nUL* т Ф ^инф ' TUL-DL
NФ =
C
Ф
(8)
где Си С - информационные емкости «кластеров» и «фрагментов» соответственно. Информационные емкости «кластеров» С^ц и С^2 двух нисходящих каналов БЬ 1 и БЬ 2 определяются следующими выражениями:
Cк = Nпод K ' CН • CQÏ
CDL1 = 7уинф CDL1 ; (9)
CDL2 = -^инф ' CDL 2 • (10)
где N^ K - количество информационных поднесущих в «кластере»; CDH)L1 и CD,l 2 -
информационные емкости одной поднесущей для участков нисходящих каналов DL 1 и DL 2 соответственно. Исходя из выражения (7), количество «кластеров» для обеспечения требуемой
скорости R^Lfy для участков нисходящего канала зависит от информационной емкости
поднесущих и определяется выражениями:
N
к
DL1
(CL )
nDL* т "инф 'T UL-DL
N
под K £>Н
инф
DL1
(11)
N
к
DL 2
(Cн )
(CDL 2 ) '
rDL* ■ T
инф
UL-DL
vH
ДГпод K f!) N инф ' CDL 2
(12)
Информационные емкости «фрагментов» Сф]^1 и Сфш двух восходящих каналов UL 1 и UL 2 определяются следующими выражениями:
CФ = мпод Ф ' CН • mï
CUL1 = 7*инф CUL1 ; (13)
CФ = мпод Ф ' CН f14ï
CUL2 = 7уинф CUL2 , (14)
где N^ Ф - количество информационного поднесущих во «фрагменте»; СЦНЬ1 и CUL2 -
информационные емкости одной поднесущей для участков восходящих каналов UL 1 и UL 2 соответственно. С учетом выражения (8), количество «фрагментов» для обеспечения требуемой
скорости "н* для каждого участка восходящего канала также зависит от информационной
емкости поднесущих и определяется выражениями:
N
ф
UL1
(c)l1 )
J?UL* т -"инф 'T UL-DL д г под Ф ^>Н N инф ' CUL1
(15)
RUL** T
ътФ (/~<н \_ "инф 'TUL-DL (ЛСЛ
nUL2 (CUL2 )= д.под Ф ^Н • (16)
дгподФ ^ N инф ' CUL 2
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 Чр в следующий вид:
а (ГН ГН ГН ГН N под к + ^под К )/ (Г н ) + " к (Г н )\ +
Чр (ГДЫ1, ГОЬ2, Гиы, Гиь2 I - ("" инф + "пилот I ("ВЫ1 (ГДЫ1 ) + " ВЫ2 (ГДЫ2 )) +
, (17)
+ ("под Ф + "под Ф)■( (гН 1+ NФ (ГН )|
+ ( "инф + "пилот I I "иЫ1 \ГиЬ1 ) + "иЫ2\ГиЬ 2 II
где "^илот и "Г® - 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:
О (Г Н Г Н Г Н Г Н _1_х
О (ГВЫ1, ГОЬ 2, ГиЫ, Гиы 2) - дтол . ^ВМА Х
" исп ' "
"под к + "под К ) / "к (ГН ) + "к (ГН )\ + (18)
"инф + "пилот )("ВЫ1 (ГВЫ1) + " ВЫ2 (ГВЫ2)) + • 4 '
+ ("ипноф Ф + СГ )■( (ГНЫ1) + "Фы2 (гНы 2 )))-100 %
х
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 Ро*ш (табл. 3) [6, 7].
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления,
Выпуск 2, март - апрель 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru
Таблица 3
Информационная емкость поднесущих и параметры схем модуляции и кодирования для
Рш = 1* 10_6
Схемы модуляции и кодирования Отношение сигнал-шум И 2, дБ Информационная емкость, бит на одну поднесущую в символе
БРБК 1/2 3,0 0,5
ОРБК 1/2 6,0 1,0
ОРБК 3/4 8,5 1,5
160АМ 1/2 11,5 2,0
160АМ 3/4 15,0 3,0
640АМ 2/3 19,0 4,0
640АМ 3/4 21,0 4,5
Тогда информационную емкость одной поднесущей можно представить следующей ступенчатой функцией:
С Н (И2 ) = <
0,5, если 3,0дБ < И2 < 6,0дБ, 1,0, если 6,0дБ < И2 < 8,5дБ, 1,5, если 8,5дБ < И2 < 11,5дБ, 2,0, если 11,5дБ < И2 < 15дБ, 3,0, если 15,0дБ < И2 < 19дБ, 4,0, если 19,0дБ < И2 < 21дБ, 4,5, если И2 > 21дБ,
(19)
где СН - информационная емкость одной поднесущей для участков восходящих и
2
нисходящих каналов, и - ОСШ на входе приемника радиостанции. Исходя из постановки задачи на разработку модели в общем виде по формуле (1), необходимо определить зависимость ОСШ в дуплексных восходящих и нисходящих каналах от координат размещения РС на БЛА при заданном положении БС и АС.
ОСШ определяется как отношение уровня сигнала на входе приемника Рс к уровню собственных (тепловых) шумов приемника Ртш или в логарифмических единицах [9, 10]:
И2 [дБ] = Рс _ р.
(20)
Уровень собственных (тепловых) шумов приемника определяется техническими характеристиками приемника [9, 10]:
Рт.ш.[дБ]- 10-1ё(к-Т- А/), (21)
где к = 1,38*10"23 Дж/К - постоянная Больцмана, Т [К] - шумовая температура приемника, А/ [Гц] - рабочая полоса частот приемника.
Уровень сигнала на входе приемника определяется следующим выражением [7, 8]:
рр^рслс) [ дБ] - ррдас) + аПБрдРСДС) + сПБрСМРСДС) - Ы - ^, (22)
где Р1(БС,РС,АС) [дБ] - мощность на выходе передатчика БС, РС или АС; GpIБ,дРС,АС) [дБ] и
аЙ?МРС,АС) [дБ] - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн БС, РС или АС,
Г [дБ] - запас на замирание радиосигнала; Ь [дБ] - потери на трассе распространения радиоволн:
Ы[дБ]- Ы0 + Ыдифр + Аа , (23)
где Ьо [дБ] - затухание сигнала в свободном пространстве [11]:
Ы (Я) [дБ] - 92,45 + 20 ■ (А/) + 20 ■ 1е (Я) , (24)
где Я [км] - наклонная дальность между электрическими центрами антенных систем радиостанций.
Ыдифр [дБ] - дифракционные потери [11]:
Ыдифр [дБ]- /1 (Я) • (25)
Аа [дБ] - дополнительное ослабление в атмосфере [11]:
Аа [дБ] - /2 (Я) • (26)
Тогда потери на интервале будут функцией от наклонной дальности Я между электрическими центрами антенных систем станций:
Ь (Я) = ¿0 (Я) + £Дифр (Я) + Ла (Я). (27)
Рассмотрим систему координат (рис. 5), в которой определяются наклонные дальности между БС и РС ( Я ) и между РС и АС ( Я ) соответственно.
Начало координат - точка под БС с координатами (0, 0, 0). Тогда геометрический центр антенной системы БС расположен в точке с координатами (0, 0, Нбс) - где Нбс высота мачты БС. Положение АС фиксируется в соответствии со значением Яи. Геометрический центр антенной системы АС имеет координаты (Яи, 0, Нас). Здесь Нас - высота антенны АС. Положение РС изменяется по трем координатам: X, У и 2.
Рис. 5. Расположение БС, РС и АС в системе координат (составлено авторами)
Известно, что расстояние между двумя произвольными точками А и В, которые заданы координатами (х1,у1,) и (х2,у2,г2) соответственно, в декартовой системе координат определяется следующим выражением [12]:
\ЛБ\ = у!( Х2 _ х )2 +(У2 _ У1 )2 +(*2 _ 21 )2 . (28)
На основании выражения (28) и принятых обозначений для нисходящего БЬ 1 и восходящего иЬ 2 каналов (рис. 5) наклонная дальность между электрическими центрами антенных систем БС и РС ЯБС_РС будет определяться следующим выражением:
Ярс-БС (X, у, z) ->/(0 - X)2 +(0 - у)2 +(HБС - z)2 . (29)
Для нисходящего БЬ 2 и восходящего иЬ 1 каналов наклонная дальность между электрическими центрами антенных систем РС и АС ЯРС_АС с учетом принятых обозначений будет определяться следующим выражением:
Ярс-АС (X, У, z )-^/( Яи - ^ )2 +( 0 - у )2 + (HАС - z )2 . (30)
В соответствии с выражением (22) определяются уровни сигнала на входах приемников в восходящих и нисходящих каналах:
рВЫ1 (X, у, z) - /ПРд + Опсд + Опсм -1 (ЯБс-Рс (X, У, z)) - ^, (31)
Р?2 (X, у, z) - /РРд + ОПСд + ОПСм - Ы (Ярс-бс (X, У, z)) - ^, (32)
Р?1 (X, У, z) - /Ад + САСд + ^ПСм - Ы (Яас-рс (X, У, z)) - ^ , (33)
РВ2 (х, У, z) - РпРРд + ОПСд + 0*М - Ы (Ярс-ас (X, У, z)) - ^ • (34)
Энергетические характеристики передатчиков и антенных систем АС, БС и РС могут отличаться, поэтому ОСШ на входах приемников также будут различными. В соответствии с выражением (21) и учитывая формулы (31)-(34), ОСШ на входах приемников в восходящих и нисходящих каналах будут определяться следующими выражениями:
к2пп (X, У, z) - РпБРд + аПСд + О^СМ - Ы (Ябс-рс (X, У, z)) - ^ - Р^., (35)
ЛЦы2 (X, У, z)-РпРрСд + ОПСд + ОПсм - Ы (Ярс-БС (X, У, z))-^ - Р^., (36)
Ииы (х, у, Г) = р*§ + О^д + аПСм _ Ь (ЯАС_РС (х, у, г))_ F _ РтРС., (37)
И^2 (х, у, г) = РПСд + аПСд + САСм _ Ь (Ярс_ас (х, у, г))_ F _ ртш. (38)
Таким образом, выражения (19), (35)-(38) однозначно описывают в аналитическом виде зависимость информационной емкости поднесущих в восходящих и нисходящих каналах от координат размещения РС на БЛА относительно БС и РС.
4. Зависимость доли частотно-временного ресурса для ретрансляции
сигналов от координат размещения ретранслятора связи на беспилотном
летательном аппарате
В соответствии с функционалом (1) определим зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигналов между АС и БС, от координат размещения РС на БЛА. Рассмотрим процесс распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА. Структурно-функциональная схема модели представлена на рисунке 6.
Преобразование входных параметров модели в выходной параметр разделим на несколько процедур.
Первая процедура заключается в определении ОСШ в соответствии с выражениям (35)-(38) как функции от /-го набора координат размещения РС (х, у, ) е {X, У, Z} относительно БС и АС для участков восходящих и нисходящих каналов на основе технических характеристик БС, АС, РС. Множество {X, У, Z } определяет допустимые координаты размещения РС.
В результате выполнения второй процедуры в соответствии с выражением (19) вычисляется информационная емкость поднесущих для каждого из участков восходящих и нисходящих каналов. Пороги ОСШ для адаптивного изменения параметров модуляции и
кодирования (табл. 3) обеспечивают требуемую достоверность передачи данных Ро*ш. Следовательно, информационная емкость поднесущих также зависит от координат размещения РС относительно БС и АС.
Рис. 6. Структурно-функциональная схема модели распределения ЧВР в радиоинтерфейсе
системы ШБД с РС на БЛА (составлено авторами)
Третья процедура позволяет установить необходимое количество «кластеров» и «фрагментов» в дуплексных восходящих и нисходящих каналах в соответствии с выражениями (11), (12), (15), (16). Их количество зависит от требуемой скорости информационного обмена
Я^ф* и Я^ф* и информационной емкости поднесущих для каждого из участков восходящих и
нисходящих каналов, определенной во второй процедуре. Распределение требуемого числа «кластеров» и «фрагментов» по участкам восходящих и нисходящих каналов, в свою очередь, будет зависеть от координат размещения РС относительно БС и АС.
В результате выполнения четвертой процедуры в соответствии с выражением (17) определяется количество ЧВР, требуемое для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС.
Пятая процедура позволяет рассчитать искомую долю ЧВР Q, требуемую для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС, в соответствии с выражением (18).
В обобщенном виде, учитывая полученные выражения (11), (12), (15), (16)—(19), (35)-(38), модель распределения ЧВР можно представить следующей системой уравнений:
NDLi (*,y, z, ) = (K + NZK) • NDli (CHli (h2DLl (x,,y,, z,)));
K0A (X, yt, z, ) = (N^ K + NZK ) • NDl2 (cDl2 (h2DL2 (X, У,, z )));
N^ ( X,, yt, z, ) = (Ф + СГФ ) • <1 (CUL1 ( /ULi ( X, У,, z,))); NUL2 (X, y,, z ) = (Ng Ф + NZX )• NUL2 (CUL 2 (U 2 (X, У,, z)));
q (x, yt, z ) = NDL1 (x, yt, z)+NDL2 (x, У,, z)+n^ (x, yt, z) +NLS (x, y,, z);
Q _ Nпод • Nofdma • Q0 N исп ' ;
q (x> yt>z, Qo;
Q ( X, y, z,)_ ^by^l • 100 %; Q0
где ^под - общее количество поднесущих, требуемое для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС на участках восходящих и нисходящих каналов, с учетом структуры «кластеров» или «фрагментов» (рис. 3).
Таким образом, разработана модель распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА. Доля ЧВР Q, требуемая для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и
АС с требуемой скоростью (и Ринф ) и достоверностью (Рош ), зависит от координат
размещения РС относительно БС и АС и будет изменяться при изменении положения РС.
5. Анализ результатов моделирования
Для оценки влияния координат размещения РС на долю ЧВР, требуемую для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС, проведено моделирование перемещение РС на БЛА относительно АС и БС. Рассмотрим исходные данные, допущения и ограничения для моделирования. Для получения численных оценок в качестве примера взяты технические характеристики системы SI3000 Mobile WiMAX (табл. 4).
Таблица 4
Технические характеристики SI3000 Mobile WiMAX
Характеристика Тип оборудования
Базовая станция SI3000 WiMAX BSM Абонентская станция SI3000 WiMAX SSM 3140 Ретранслятор
Мощность ПРД max +36 дБм +24дБм +33 дБм
Чувствительность ПРМ -103 дБм -101 дБм -103 дБм
Полоса частот канала передачи AF 5 МГц, 10 МГц 5 МГц, 10 МГц 5 МГц, 10 МГц
Антенная система Параболическая 8о х 8о Штыревая Штыревая
Коэффициент усиления антенны 22 дБ 3 дБ 3 дБ
ЭИИМ max (в соответствии с рекомендациями ГКРЧ) 60 дБм (точка-точка) 36 дБм (точка-многоточка) 36 дБм (точка-многоточка)
Допустим, что необходимая пользователю скорость передач информации в прямом и ffUL* _ rdL _ 1 Мбит/с
обратном каналах ^нф инф . В соответствии со стандартом IEEE 802.16
требуемая достоверность передачи информации Рош 1х 10
-6
Высота размещения БЛА
регламентируется правилами полетов и в соответствии с техническими характеристиками не превышает 4 км. В соответствии со стандартом IEEE 802.16 запас на замирания составляет F = 10 дБ [6].
Размещение РС на БЛА обусловливает оборудование АС и РС ненаправленными штыревыми антеннами.
На рисунке 7 показаны полученные в результате моделирования зависимости ОСШ от координат размещения РС для двух значений протяженности интервала Яи = 50 км (рис. 7, а) и ЯИ = 100 км (рис. 7, б) и различной высоты размещения РС. РС перемещается вдоль оси X. Также показаны пороги изменения позиционности модуляции и параметров кодирования (табл. 1).
Рис. 7. ОСШ на входах АС, БС, РС при изменении положения РС по оси X
(составлено авторами)
Из графиков видно, что при изменении положения РС по оси X ОСШ на участке АС-РС изменяется значительно сильнее, чем на участке БС-РС. Зависимость носит нелинейный характер. Высота размещения РС (координата по оси Z) также оказывает значительное влияние на изменение ОСШ для участка АС-РС и незначительно влияет на участке БС-РС.
Рис. 8. ОСШ на входах АС, БС, РС при изменении положения РС по оси Y (составлено авторами)
На рисунке 8 показаны результаты перемещения РС вдоль оси Y для двух значений протяженности интервала: Яи = 50 км (рис. 8, а) и Яи = 100 км (рис. 8, б). Отрицательные значения расстояния по оси Y соответствуют смещению РС влево от АС, а положительные -вправо в соответствии с системой координат (рис. 5).
Из графиков видно, что на участке АС-РС перемещения РС по оси Y оказывают аналогичное влияние на изменение ОСШ, как и перемещение РС по оси X. На участке БС-РС изменение положения РС по оси Y практически не влияет на изменение ОСШ.
Таким образом, при изменении положения РС выявлена большая чувствительность модели к изменению ОСШ на участке АС-РС, чем на участке БС-РС. Наибольший интерес для дальнейшего исследования представляет размещение РС вблизи АС.
На рисунке 9 в соответствии с выражением (39) показана зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала, от координат размещения РС при изменении его положения по оси X для двух значений протяженности интервал: Яи = 85 км (рис. 9, а) и Яи = 100 км (рис. 9, б). Высота размещения РС составляет 500 м, 1 км и 1,5 км. Значения xmin и xmax определяют границы допустимых координат размещения РС по оси X. Выход за эти границы ведет к невыполнению требований к ОСШ на входе приемника РС на участке АС-РС.
Рис. 9. Зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции при изменении положения РС по
оси X
(составлено авторами)
Из графиков видно, что зависимость доли ЧВР, требуемой для обеспечения ретрансляции сигнала, от координат размещения РС носит нелинейный, ступенчатый характер, изменяющийся при различном расстоянии между АС и БС. На участке анализа имеется один или несколько локальных минимумов, положение которых зависит от протяженности интервала Яи и высоты размещения РС.
На рисунке 10 в соответствии с выражением (39) показана зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала от координат размещения РС при изменении его положения по оси Y для двух значений протяженности интервала: Яи = 50 км (рис. 10, а) и Яи = 100 км (рис. 10, б). Значения jmin и ymax определяют границы допустимых координат размещения РС по оси Y. Выход за эти границы ведет к невыполнению требований к ОСШ на входе приемника РС на участке АС-РС
Из графиков видно, что зависимость доли ЧВР, требуемого для обеспечения ретрансляции сигнала, от координат размещения РС так же носит ступенчатый характер, однако характер зависимости при различном расстоянии между АС и БС практически не изменяется. Меняется только величина доли ЧВР, требуемой для обеспечения ретрансляции сигнала. На участке анализа имеется один минимум для каждой анализируемой высоты размещения РС.
Рис. 10. Зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции при изменении положения РС
по оси ¥ (составлено авторами)
Ступенчатый характер изменения доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала при изменении координат РС по осям X, ¥ и Z, позволяет определить область пространства, в которой доля ЧВР, необходимая для ретрансляции сигнала, одинакова.
Заключение
В работе получена аналитическая зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала между АС и БС, от координат размещения РС системы ШБД относительно БС и АС. На основании выявленной зависимости разработана модель распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС.
Системы ШБД рассчитаны на адаптацию скорости передачи в зависимости от ОСШ на входе приемников. Чем выше это отношение, тем выше реализуемая скорость передачи с требуемой достоверностью. Предложенная модель описывает минимальное количество ЧВР, необходимое для передачи информации с требуемыми скоростью и достоверностью в восходящих и нисходящих каналах при заданных координатах размещения РС относительно АС и БС. Таким образом, в отличие от известных моделей, предложенная модель распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА обеспечивает гарантированную скорость передачи информации с требуемой достоверностью за счет перераспределения ЧВР в восходящих и нисходящих каналах при пространственном перемещении РС относительно АС и БС.
Разработанная модель может быть применена для решения отдельного класса задач по оптимизации топологической структуры многопользовательских сетей ШБД, в которых реализуется ретрансляция сигналов с временным дуплексированием между БС и одной из АС.
Направлением дальнейшего исследования является разработка на основе модели распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС алгоритма поиска координат размещения РС, обеспечивающего минимизацию доли ЧВР для ретрансляции сигналов при условии выполнения требований к скорости и достоверности информационного обмена.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вишневский, В. М. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. Вишневский, В. М., Портной, С. Л., Шахнович, И. В. - М. : Техносфера, 2009. - 472 с.
2. Сюваткин, В. С. WiMAX - технология беспроводной связи: теоретические основы, стандарты, применение. Сюваткин, В. С. Есипенко, В. И. - СПб. : БХВ-Петербург, 2005. - 368 с.
3. Севостьянов, А. Г. Моделирование технологических процессов: учебник / А. Г. Севостьянов, П. А. Севостьянов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 344 с.
4. Берлин, А. Н. Цифровые сотовые системы связи - М. : Эко-Трендз, 2007. - 296 с.
5. M.Okuda et al. Multihop Relay Extension for WiMAX Networks - Overview and Benefits of IEEE 802.16j Standard/ - FUJITSU Sci. Tech. Journal, 44, 3, July 2008, p.292-302.
6. IEEE 802.16j-2009, «IEEE Standard for Local and metropolitan areanetworks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment 1: Multiple Relay Specification» Dec. 2009.
7. WiMAX Forum. WiMAX System Evaluation Methodology. - 2007. - 209 p.
8. Рашич, А. В. Сети беспроводного доступа WiMAX : учеб. пособие. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - 179 с.
9. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение 2 изд. - М.: «Вильямс», 2007. - 1104 с.
10. Прокис, Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с
11. ГОСТ Р 53363-2009. Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета.
12. Выгодский, М. Я. Справочник по высшей математике. - М. : ACT: Астрель, 2006. - 991 с.
Рецензент: Алешин Михаил Геннадьевич, сотрудник, кандидат технических наук, ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России).
Sergej Djakonov
The Academy of Federal Security Guard Service of the Russian Federation
Russia, Orel E-Mail: sergey.v.seti@gmail.com
Aleksandr Sivov
The Academy of Federal Security Guard Service of the Russian Federation
Russia, Orel E-Mail: sivov_au@mail.ru
Valentin Lazorenko
The Academy of Federal Security Guard Service of the Russian Federation
Russia, Orel E-Mail: lazorenko.vs@mail.ru
The model of frequency-time resource allocation in the air
interface of broadband wireless access system with communication retransmitter on unmanned aerial vehicle
Abstract: The mobile broadband wireless access networks are being implemented everywhere in our life. Deployment of these networks is reasonable only in regions with high density of users.
Consequently the coverage areas of broadband wireless access networks have limited sizes.
Relay stations descripted in IEEE Std. 802.16j-2009 may be used for coverage area expansion. Authors propose to apply unmanned aerial vehicles for deployment of relay stations.
Deployment of relay stations on unmanned aerial vehicles gives new features to the broadband wireless access networks. These features must be taken into consideration, because common frequency-time resource is jointly used by relay stations and base stations. Therefore, throughput of broadband wireless access networks will be depended from efficiency of use of common resource. For this purpose the model of frequency-time resource allocation in the air interface of broadband wireless access system with relay station on unmanned aerial vehicle is developed by authors.
The analytic dependence that allows defining a part of frequency-time resource needed for signal retransmission is derived in the article. This dependence considers information capacity of subcarriers in uplink and downlink channels and provides execution of requirements to data rate. The dependence of capacity of subcarriers in uplink and downlink channels from location coordinates of the unmanned aerial vehicle with relay station is derived by authors.
The consideration of spatial instability of unmanned aerial vehicle makes represented model other than others.
Keywords: Unmanned aerial vehicle; relay station; broadband wireless access system; frequency-time resources allocation; network topological structure optimization.
Identification number of article 128TVN214
REFERENCES
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10. 11. 12.
Vishnevskij, V. M. Jenciklopedija WiMAX. Put' k 4G. Vishnevskij, V. M., Portnoj, S. L., Shahnovich, I. V. - M. : Tehnosfera, 2009. - 472 s.
Sjuvatkin, V. S. WiMAX - tehnologija besprovodnoj svjazi: teoreticheskie osnovy, standarty, primenenie. Sjuvatkin, V. S. Esipenko, V. I. - SPb. : BHV-Peterburg, 2005. - 368 s.
Sevost'janov, A. G. Modelirovanie tehnologicheskih processov: uchebnik / A. G. Sevost'janov, P. A. Sevost'janov. - M.: Legkaja i pishhevaja promyshlennost', 1984. -344 s.
Berlin, A. N. Cifrovye sotovye sistemy svjazi - M. : Jeko-Trendz, 2007. - 296 s.
M.Okuda et al. Multihop Relay Extension for WiMAX Networks - Overview and Benefits of IEEE 802.16j Standard/ - FUJITSU Sci. Tech. Journal, 44, 3, July 2008, p.292-302.
IEEE 802.16j-2009, «IEEE Standard for Local and metropolitan areanetworks Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems Amendment 1: Multiple Relay Specification» Dec. 2009.
WiMAX Forum. WiMAX System Evaluation Methodology. - 2007. - 209 p.
Rashich, A. V. Seti besprovodnogo dostupa WiMAX : ucheb. posobie. - SPb. : Izd-vo Politehn. un-ta, 2011. - 179 s.
Skljar, B. Cifrovaja svjaz'. Teoreticheskie osnovy i prakticheskoe primenenie 2 izd. M.: «Viljams», 2007. 1104 s.
Prokis, Dzh. Cifrovaja svjaz'. Per. s angl. / Pod red. D.D. Klovskogo. M.: Radio i svjaz', 2000. 800 s
GOST R 53363-2009. Cifrovye radiorelejnye linii. Pokazateli kachestva. Metody rascheta.
Vygodskij, M. Ja. Spravochnik po vysshej matematike. - M. : ACT: Astrel', 2006. -
991 s.
