Передача информации в условиях многолучевого распространения радиоволн

На правах рукописиЗахаров Петр НиколаевичПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХМНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛНСпециальность 01.04.03 – радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2010 г.Работа выполнена на кафедре фотоники и физики микроволн физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.

Ломоносова.Научные руководители:доктор физико-математических наук, профессорАнатолий Петрович Сухоруковкандидат физико-математических наук, доцентАнатолий Федорович КоролевОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессорДмитрий Сергеевич Лукиндоктор физико-математических наук, профессорАнатолий Степанович ЧиркинВедущая организация:Институт радиотехники и электроникиимени В.А. Котельникова РАНЗащита диссертации состоится « 20 » _мая_ 2010 г. в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.67 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ленинскиегоры, МГУ, д.1, стр.

2, физический факультет.С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научной библиотекиМГУ им. М.В. Ломоносова (физический факультет).Автореферат разослан«» ____ 2010 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук,доцентА.Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Работа посвящена исследованию свойств каналовпередачи информации в условиях многолучевого распространения радиоволн.Многолучевое распространение характерно для городской среды и радиоканаловвнутри зданий.

В силу интерференции волн, приходящих в точку приемас различными амплитудами и фазами, возникает искажение пространственновременной структуры полезного сигнала, в частности его дисперсия и замирания.Это сказывается на качестве, скорости и надежности передачи информации.Многолучевое распространение необходимо учитывать в системах стационарнойи мобильной радиосвязи.В настоящее время не существует единого подхода к определению критериевкачества открытых радиоканалов в системах цифровой связи.

В большинстве работдля описания качества радиоканала используются его физические характеристики,традиционно применяющиеся для аналоговых систем: затухание волн в канале,отношение сигнал/шум (включая помехи), профиль временного рассеяния и другиепараметры. Широкое использование данных характеристик объясняется, в первуюочередь, простотой их расчета и измерений.

В значительно меньшем числе работприменяются строгие критерии качества радиоканала – параметры канала передачиинформации, такие как вероятность ошибки на бит, пропускная способность,скорость передачи данных. Таким образом, представляется актуальным сравнениеопределений качества радиоканала с помощью физических характеристик ипараметров передачи информации.В научной литературе отсутствуют общие методы расчета характеристикканала передачи информации в условиях многолучевого распространениярадиоволн. В существующих методах прогнозирования параметров радиоканала, вбольшинстве случаев, осуществляется определение его физических характеристикна основе моделирования распространения радиоволн.

Для этого используютсяэмпирические, статистические, детерминированные и комбинированные методы.Детерминированные методы обеспечивают более высокую точность расчетахарактеристик канала по сравнению со статистическими и эмпирическими, и всовременных системах связи, оперирующих с малыми пространственнымимасштабами, являются наиболее эффективными.В диссертационной работе впервые развит общий детерминированный методрасчета характеристик канала передачи информации (пространственноераспределение пропускной способности, вероятности ошибки на бит, скоростипередачи и др.) на основе известных данных о свойствах среды. Разработанныйметод был проверен экспериментально с использованием созданных в рамкахработы экспериментальных измерительных комплексов.Определение характеристик радиоканала является актуальным в практическихзадачах планирования и развертывания систем беспроводной передачиинформации.3Цель работы – проведение детальных теоретических и экспериментальныхисследований беспроводного канала передачи информации в условияхмноголучевого распространения радиоволн, включая анализ физическиххарактеристик радиоканала и качества передачи информации, установление ихвзаимосвязи, разработку методов расчета характеристик канала.Научная новизна работы.В работе впервые получены следующие результаты:1.

Развит и применен метод численного решения интегральных уравненийМаксвелла в трехмерной реализации для расчета распространения радиоволн напространственных масштабах десятков – сотен длин волн. Экспериментальныеисследования показали малую погрешность расчета уровня поля с использованиемданного метода (1.1 – 2.4 дБ).2.

Установлено, что вместо физических характеристик радиоканала для оценкиего качества в общем случае необходимо использовать характеристики передачиинформации. При использовании физических характеристик ошибка определениякачества радиоканала достигала трех порядков в определении средней в областипространства вероятности ошибки на бит.3. Разработан общий детерминированный метод расчета характеристикмноголучевого канала передачи информации. Этим методом впервые проводитсяопределение статистических оценок характеристик канала в областях пространстваразмером существенно больше длины волны, что позволяет увеличить точностьрасчетов.

Экспериментально получена погрешность метода при расчете среднейпропускной способности в локальных окрестностях точек пространства менее 20 %.4. Определена зависимость точности расчета статистических оценокпараметров канала (среднее, минимальное, максимальное) от размера областейпространства, на которых рассчитываются статистические оценки. В большинствеслучаев получено существенное повышение точности расчета при увеличенииразмеров областей.5.Разработанэкспериментальныйизмерительныйкомплексдлясверхширокополосного зондирования среды распространения радиоволн,позволяющий осуществлять генерацию коротких (до одного периода колебания)радиоимпульсов с несущей частотой, выбираемой в диапазоне 30 МГц – 3 ГГц.Зондирование среды короткими радиоимпульсами в условиях многолучевогораспространения радиоволн позволяет судить о лучевой структуре.6.

Предложен и реализован экспериментальный метод усреднения по частотедля получения средних значений уровня поля в λ / 2 -окрестностях точекпространства вместо пространственного усреднения. Определен критерийнеобходимого диапазона изменения частоты, соответствующий перемещениюантенны в λ / 2 -окрестности. Разработанный метод позволяет существенноупростить и автоматизировать процедуру проведения экспериментальныхисследований.4Практическая значимость работы.Предложенный детерминированный метод расчета характеристик каналапередачи информации может быть непосредственно применен в практическихзадачах планирования беспроводных систем передачи информации.

Результатырасчета с помощью метода могут быть использованы для определения зонпокрытия, для выбора оптимальных положений базовых станций, минимизации ихколичества и определения требуемых параметров приемо-передатчиков.Применение метода позволяет достичь более высокой эффективностибеспроводных систем, что обусловлено 1) использованием строгих критериевописания качества радиоканала (характеристик канала передачи информации)и 2) высокой точностью расчета, обусловленной определением статистическихоценок характеристик канала по пространственным областям вместопрогнозирования характеристик канала в точках пространства.Положения, выносимые на защиту.1.

Использование характеристик канала передачи информации для корректнойоценки качества радиоканала. Применение среднего по области пространствакоэффициента передачи канала для оценки качества радиоканала может приводитьк существенным ошибкам: до 3 порядков в определении средней в данной областипространства вероятности ошибки на бит.2.

Общий детерминированный метод расчета характеристик беспроводногоканала передачи информации, включающий 3 этапа: 1) моделированиераспространения радиоволн с использованием детерминированной модели; 2)расчет статистических оценок параметров информационного канала в λ / 2 окрестностях точек пространства методом Монте-Карло; 3) определениестатистических оценок характеристик канала передачи информации по областямпространства размером существенно больше длины волны с целью увеличенияточности расчета. Экспериментальные исследования подтвердили высокуюточность метода: дисперсия отклонений расчета от измерений средней в локальныхобластях пространства пропускной способности составила менее 20 %.3. Два способа повышения точности расчета статистических оценок параметроврадиоканала по областям пространства: 1) увеличение размеров областей, покоторым осуществляется расчет статистических оценок параметров канала и 2)увеличение количества точек расчета в каждой области (т.е., размещение точек сменьшим пространственным шагом).