Автореферат (Повышение скорости передачи данных в сетях GSM на принципах когнитивного радио)

На правах рукописиРодионов Владимир ВячеславовичПовышение скорости передачи данных в сетях GSM напринципах когнитивного радиоСпециальность 05.12.13 –«Системы, сети и устройства телекоммуникаций»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква, 2012Работа выполнена на кафедре «Средства связи с подвижными объектами»Московского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета).Научный руководитель- доктор технических наук, профессорГромаков Юрий АлексеевичОфициальные оппоненты- доктор технических наукБутенко Валерий Владимирович- кандидат технических наукДю Константин ОлеговичВедущая организация- ОАО «НПК «НИИДАР»Защита состоится «15» мая 2012 г.

в 10:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.125.02 при Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете) по адресу: 125993, Москва, A-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета).Автореферат разослан «___» _________2012 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.т.н., доцентПетраков А.М.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемыдиссертации.Мобильныеибеспроводныетехнологии сегодня обеспечивают практически глобальное покрытие дляпередачи речи и данных с невысокой скоростью.

Только в сетях GSMпредоставляются услуги более 4 миллиардам абонентам в 219 странах. Успехтехнических решений, принятых в стандарте GSM более 20 лет назад,позволяет применять их в современных и перспективных системах связи. Наоснове GSM развиваются системы связи для железных дорог (GSM-R). На базеGSM создаются в Европе и России системы экстренного реагирования надорогах (eCall и ЭРА ГЛОНАСС). В США планируется создание системы GSMв новой полосе частот – 850 МГц. Параллельно с GSM уже существуют сетиUMTS и CDMA 2000, относящиеся к третьему поколению сотовой связи (3G).На их основе развиваются новые виды технологий, услуг и приложений длямобильных и стационарных абонентов для общения людей между собой, дляразвития бизнеса, для взаимодействия с устройствами и машинами (М2М).Главной тенденцией для пользователя становится получение услугмультимедиа и различного контента «везде и в любое время» через различныеустройства и системы доступа.

Основной проблемой для реализациисовременных тенденций развития мобильной и беспроводной связи становитсяпроблема увеличения скорости передачи данных на радиоинтерфейсе, решениекоторой однозначно связано с расширением полосы частот, выделяемойсистеме связи.В связи с ограниченностью частотного ресурса, приемлемого длямобильной и сотовой связи, чрезвычайно актуальной проблемой является поискспособов повышения скорости передачи данных в радиоканале без увеличенияполосы частот системы связи. К ним можно отнести:3- увеличение плотности установки базовых станций, применение микросоти фемтосот, за счет чего увеличивается емкость сети, а также скоростьпередачи данных на одного абонента;- применение современных систем сотовой связи и беспроводногоширокополосного доступа с агрегацией трафика;-применениепринимаемыхинтеллектуальныхсигналов,чтоантеннобеспечиваетдляувеличениявозможностьуровняработысвысокоскоростными видами модуляции и реализует методы пространственногоразнесения;- совместное использование полос частот, выделенных отдельнымоператорам сотовой связи (spectrum sharing);- «когнитивное радио».В данной работе исследуются вопросы повышения скорости передачиданных в сетях GSM на принципах «когнитивного радио».Объект и предмет исследований.

Объектом исследований являются сетимобильной и беспроводной связи и их характеристики, связанные со скоростьюпередачи данных.Предметом исследования являются способы построения когнитивнойсистемы передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM, а такжевозможные варианты построения оборудования подсистемы передачи данныхна принципах адаптации по спектру с действующими сетями GSM.Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являетсяразработка и исследование системы передачи данных с высокой скоростью всетях GSM на основе когнитивного радио.

В соответствии с поставленнойцелью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:41. Анализ возможных способов увеличения скорости передачи данных всетях сотовой связи GSM. Анализ технологий когнитивного радио,ориентированных на передачу данных с высокой скоростью.2. Разработка способа передачи данных с высокой скоростью в сетяхGSM на принципах когнитивногорадио.

Разработка методовадаптивного выбора рабочих частот и формирования сигнала для сетипередачи данных, работающей на принципах когнитивного радио.3. Анализ вопросов электромагнитной совместимости радиоэлектронныхсредств (РЭС) GSM и системы высокоскоростной передачи данных.4. Разработкаобеспечения,алгоритмовиреализующегосоответствующегофизическийпрограммногоуровеньсистемывысокоскоростной передачи данных.5. Разработка рекомендации по практической реализации системывысокоскоростной передачи данных в сетях GSM.Методы исследованийВ работе использованы методы системного анализа, теории связи,электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, частотногопланирования сетей радиосвязи, теория телетрафика, теории планированияэксперимента и теории моделирования.Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней разработаны:1.

Способ увеличения скорости передачи данных в системе сотовой связиGSM на основе создания дополняющей микросотовой сети, работающей вобщей полосе частот с действующей сетью GSM на принципах когнитивногорадио с соблюдением условий электромагнитной совместимости РЭС GSM идополняющей микросотовой сети.52. Способ формирования сигнала в каналах передачи данных на основеиспользования OFDM модуляции, обеспечивающий работу сети GSM имикросотовой сети высокоскоростной передачи данных в общей полосе частот.3.

Методы реализации функций адаптации по спектру и уровню сигналов,излучаемых в микросотовой сети высокоскоростной передачи данных,обеспечивающих электромагнитную совместимость с РЭС действующих сетейGSM.Личный вкладАвтором разработаны и получены лично представленные результатыисследований способа передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM,структурные схемы сети, базовых и абонентских станций высокоскоростнойсети передачи данных, способ формирования сигнала в канале передачи данныхна основе OFDM мультиплексирования, обеспечивающий электромагнитнуюсовместимость РЭС базовой сети и сети высокоскоростной передачи данных,результаты исследования электромагнитной совместимости сети GSM ипредлагаемой микросотовой сети, включая численные результаты, модельфизического уровня совмещенной сети высокоскоростной передачи данных наоснове OFDM/GSM.Практическаяалгоритмов изначимостьзаключаетсявразработкеспособов,рекомендаций, использование которых позволяет создаватьсовмещенные системы сотовой связи GSM с дополняющей системой,обеспечивающей скорость передачи данных в GSM, близкую к скоростипередачи данных в системах сотовой связи 3G с HSPA и HSPA+, без выделениядополнительного спектра частот.6Реализация полученных результатовРезультаты диссертационной работы использованы компанией ОАО«Интеллект Телеком» при формировании программы работ «Стратегическоемоделирование будущего телекоммуникаций», явились основанием длявключения в план работ ОАО «Интеллект Телеком» НИОКР «Разработкасистемы передачи данных с высокой скоростью в системах GSM на принципах«когнитивного радио».Результаты диссертации представлены в отчете по теме «Концепцияформирования современной инфраструктуры связи», исполнитель ОАО«ИнтеллектТелеком»,заказчик–Министерствосвязиимассовыхкоммуникаций.

В указанной теме «Способ передачи данных с высокойскоростью в сетях GSM на принципах «когнитивного радио» включен вперечень отраслевых критических технологий, связанных с прогнозом развитияотрасли информационных и телекоммуникационных технологий: «обеспечениерадикальногоувеличенияпропускнойспособностисетейиснижениястоимости пропуска трафика».Результаты диссертационной работы использованы ОАО «Мегафон» дляоценки перспектив увеличения скорости передачи данных в сетях второгопоколения стандарта GSM при составлении планов технического развитиясетей 2G на 2012 год и при разработке функциональной стратегии развитиясети ОАО «МегаФон» до 2015 года.АпробацияОсновныерезультатыдиссертационнойработыдокладывалисьиобсуждались на научно-практической конференции «Инновации в авиациии космонавтике-2011». Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет).

Москва, 2011.7ПубликацииПотемедиссертацииопубликованазаявканаизобретение№ 2009149054 Российская Федерация, МПК А H04W80/00. Способ передачиданных в системе сотовой связи и система для его реализации. Громаков Ю.А.Настасин К.С. Родионов В.В.; заявл. 30.12.2009; опубл. 10.07.2011, Бюл. №19;приоритет 30.12.2009, решение о выдаче патента 06.02.2012, 3 c.По теме диссертационной работы опубликованы 2 печатные работы внаучно-техническихжурналах, рекомендованных ВАК, результаты работыотражены в 1 научном отчете.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Способ увеличения скорости передачи данных в системе сотовой связиGSM на принципах когнитивного радио, обеспечивающей скорость передачиданных в GSM, соответствующую скорости передачи данных в системахсотовой связи 3G с HSPA и HSPA+ в рамках действующих сетей GSM.2. Способ формирования OFDM-сигнала в каналах передачи данных,обеспечивающий работу базовой сети и сети высокоскоростной передачиданных в общей полосе частот с соблюдением заданных требованийэлектромагнитной совместимости.3. Инфраструктура совмещенной сети GSM и дополняющей микросотовойсетипередачиданных,структураприемопередающихустройстввдополняющей сети передачи данных, позволяющие реализовать предложенныйспособ увеличения скорости передачи данных.4. Методика определения максимально допустимой мощности базовойстанциимикросотовойсети,обеспечивающейэлектромагнитнуюсовместимость макросотовой и микросотовой сетей с учетом частотнотерриториального разноса между базовыми станциями указанных сетей.8Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 99страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и спискалитературы. Графический материал представлен в виде 51 рисунка и19 таблиц. Список использованных источников включает 58 наименований на 5страницах.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,формулируются ее цели и основные направления исследований, перечисленыосновныеположения,диссертации,выносимыепредставленанаинформациязащиту.поПриведенаапробациииструктуравнедрениюрезультатов.В первой главе содержится анализ способов увеличения скоростипередачи данных в рамках сети сотовой связи GSM.

До настоящего времениувеличение скорости передачи данных достигалось путем: перехода от системы с коммутации каналов к системе с коммутациейпакетов; увеличения спектральной эффективности каналов связи; применения более эффективных методов кодирования каналов икоррекции ошибок;при этом для поддержки новых возможностей в системе требуется добавлениеновых и модернизация действующих узлов сети, а также замена абонентскихстанций.Выявлены проблемы в развитии сотовой связи GSM и последующихпоколений. Среди них можно отметить ограниченную ширину полосы частотканала связи, а также более низкую спектральную эффективность действующихрешений на базе GSM по сравнению с сетями сотовой связи последующихпоколений.