Многоканальные антенные системы сотовой связи нового поколения с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский авиационный институт (государственного технического университета) - МАИ

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Многоканальные антенные системы сотовой связи нового поколения с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Скородумов Андрей Иванович

Москва - 2010

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиофизика, антенны и микроволновая техника» Московского авиационного института (государственного технического университета) - МАИ

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Пономарев Леонид Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бей Николай Арсеньевич

доктор технических наук, профессор Громаков Юрий Алексеевич

доктор физико-математических наук Калошин Вадим Анатольевич

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский институт радио» (НИИР), г. Москва

Защита состоится 8 июня 2010 года в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.125.03 Московского авиационного института (государственного технического университета) МАИ по адресу: Россия, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, т. 158-58-62.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) МАИ.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просьба выслать по адресу: Россия, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, МАИ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.125.03.

Автореферат разослан 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.125.03 кандидат технических наук, доцент М.И. Сычев.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Сегодня около 4,5 млрд. абонентов по всему миру пользуются услугами сотовой связи. Расширение спектра услуг, внедрение систем сотовой связи (ССС) нового поколения, развитие мобильного широкополосного доступа являются особенно важными для решения государственных задач по модернизации российской экономики и вовлечения населения нашей страны в мировое информационное сообщество.

Происходящий в настоящее время многократный рост трафика передачи данных вызывает необходимость ускоренного развития всей телекоммуникационной инфраструктуры. Существенное повышение пропускной способности ССС при экономически обоснованных затратах операторов может быть достигнуто внедрением новых, более совершенных технологий сотовой связи и широкополосного доступа (рис. 1).

Рис. 1. Технологии сотовой связи и широкополосного доступа

Перспективы широкого распространения мобильного широкополосного доступа и необходимость повышения пропускной способности ССС оказали большое влияние на решения Всемирной конференции радиосвязи 2007 года (ВКР-2007): в интересах развития сотовой связи на всемирной основе было дополнительно выделено 136 МГц в диапазонах 450…470 МГц, 790…862 МГц, 2300…2400 МГц и 3400…3600 МГц. Ранее для сетей сотовой связи было выделено около 400 МГц в диапазонах 806…900 МГц, 1710…1800 МГц, 1920…2170 МГц и 2500…2690 МГц. Общие же потребности ССС в радиочастотном ресурсе (РЧР) с учетом роста трафика передачи данных оцениваются в объеме около 1 300 МГц к 2015 году. Принимая во внимание российские особенности выделения радиочастотного ресурса для радиоэлектронных средств (РЭС) гражданского назначения, важнейшим условием успешного внедрения перспективных технологий сотовой связи является разработка предложений и рекомендаций по повышению эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС) в диапазонах, определенных на всемирной основе для развертывания ССС нового поколения [1]. Существенный вклад в области повышения эффективности использования радиочастотного спектра внесли российские ученые: Ю.Б. Зубарев, Ю.А. Громаков, М.А. Быховский, Л.Я.Кантор, В.Я.Канторович, М.Г.Локшин, О.Ю. Перфилов, Б.Г. Тележный, В.О. Тихвинский, Г.И. Трошин, В.Д. Челышев.

Необходимость повышения пропускной способности ССС нового поколения требует освоения все более высокочастотных диапазонов волн, в которых можно обеспечить широкие рабочие полосы частот. При этом уменьшение дальности распространении радиоволн с увеличением частоты вызывает сокращение радиуса сот и, соответственно, увеличение их числа. Для передачи служебной информации и обеспечения непрерывности радиосвязи при перемещении абонента из одной соты в другую приходится задействовать все более значительные сетевые ресурсы. С учетом глобального покрытия земной поверхности системами спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, российскими учеными предложен новый способ сотовой связи, в котором функция определения местоположения абонента переносится на абонентский терминал (АТ), что позволяет снизить нагрузку на инфраструктуру сети, повысить ее пропускную способность и сократить затраты на ее создание и эксплуатацию [2]. После получения координат абонента центр управления сетью передает команду на определенную базовую станцию (БС) установить с ним связь и сопровождать его перемещение путем соответствующего перенацеливания максимума диаграммы направленности (ДН) многолучевой антенны. Применение в составе базовых станций многолучевых антенн позволяет увеличить дальность связи по сравнению с секторными антеннами или антеннами с круговой диаграммой направленности, а также сократить время установления связи по сравнению с адаптивными антеннами. Исследования по реализации нового способа сотовой связи, запатентованного в России, США и Китае, ведутся в настоящее время в ОАО «Интеллект Телеком» совместно с компаниями «Nokia Siemens Networks» и «ZTE». Ключевым моментом исследований является создание многолучевых антенных систем, обеспечивающих пространственную фильтрацию сигналов.

Решение задачи повышения пропускной способности перспективных ССС и качества обслуживания абонентов особенно актуально для сложных условий распространения сигналов в условиях города. Для обеспечения связи в городе характерными являются случайные каналы с релеевскими замираниями амплитуды сигналов вследствие эффекта многолучевого распространения радиоволн и с доплеровской частотной дисперсией при перемещении абонентов. Релеевские замирания, обусловленные интерференцией большого числа рассеянных сигналов и сильным ослаблением основного сигнала, являются наиболее глубокими и приводят к увеличению вероятности ошибки при приеме сообщений [3]. При наличии нескольких антенн на передаче и приеме в реальных условиях распространения радиоволн существует несколько пространственных каналов, по которым можно осуществлять независимый обмен сообщениями, что и реализуется с помощью многоканальной технологии MIMO (Multiple Input - Multiple Output). C применением в перспективных ССС технологии MIMO (CCC-MIMO) уменьшение вероятности ошибки на бит принимаемого сообщения достигается разнесением сигнала на передаче и приеме, а повышение пропускной способности - использованием методов адаптивной пространственной обработки сигналов для обеспечения одновременного приема сообщений по нескольким независимым радиоканалам. Однако с увеличением числа независимых радиоканалов происходит снижение энергии на бит передаваемого сообщения и соответствующее повышение вероятности ошибки на бит принимаемого сообщения, что делает актуальным поиск компромисса между повышением пропускной способности CCC - MIMO и уменьшением вероятности ошибки на приеме [4].

Таким образом, успешное внедрение ССС нового поколения требует научно-обоснованных подходов к решению двух основных проблем их современного развития: выделение полос радиочастот в новых диапазонах и повышение спектральной эффективности существующих и разрабатываемых ССС. В диссертационной работе данные проблемы исследуются в комплексе, причем решение второй проблемы осуществляется применением многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией.

Применение методов пространственно-частотной фильтрации сигналов с использованием технологии MIMO, многолучевых адаптивных антенных систем с коммутируемыми лучами, высокодобротных полосно-пропускающих фильтров на основе материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП) позволяет увеличить энергетический потенциал радиолинии и пропускную способность перспективных ССС и, следовательно, повысить их спектральную эффективность. Для достижения данного результата наряду с внедрением передовых научных разработок требуется обеспечить всестороннее экономическое, нормативно-техническое и организационно-правовое сопровождение проектов по развертыванию перспективных ССС, в том числе - в области выделения радиочастотного ресурса (РЧР), частотно-территориального планирования, электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств, лицензирования, сертификации, межсетевого взаимодействия и конвергенции технологий.

Целью диссертационной работы является разработка теории, методов анализа и принципов построения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией для повышения спектральной эффективности ССС нового поколения.

Для достижения цели в диссертационной работе решены следующие научные задачи:

1. Проанализированы потребности сотовой связи в радиочастотном ресурсе и возможные способы повышения эффективности использования радиочастотного спектра, разработаны предложения по выделению радиочастотного ресурса в диапазоне 2,1 ГГц для развертывания систем сотовой связи третьего поколения в России.

2. Проведено исследование эффективности применения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов в перспективных системах сотовой связи в условиях многолучевого распространения радиоволн и воздействия помех, сосредоточенных по направлениям прихода.

3. Определены требования к характеристикам направленности многоканальных антенных систем базовых станций и абонентских терминалов с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов с учетом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс и эффектов взаимодействия элементов антенных решеток (АР), предложены варианты построения многоканальных антенных систем перспективных ССС.

4. Предложены и исследованы полифокальные антенные системы со сферическими диэлектрическими линзами, обоснована эффективность их применения в качестве широкополосных многоканальных антенных систем базовых станций перспективных ССС.

5. Исследованы характеристики канальных ВТСП фильтров и определены потенциальные возможности их применения для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприемном тракте базовой станции, пропускной способности и спектральной эффективности перспективных систем сотовой связи.

Методы исследования. При проведении исследований использовались теория дифракции электромагнитных волн, методы спектрального разложения канальных матриц по собственным векторам, аналитические методы оптимизации при заданных ограничениях, матричная теория взаимодействия излучателей антенных решеток, методы теории фильтров и адаптивных антенных решеток. Разработанные алгоритмы использовались для математического моделирования антенно-фильтрующих систем и численного исследования их электрических характеристик. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартного измерительного оборудования, в том числе и в ходе натурных испытаний на сетях сотовой связи в процессе их развертывания в России.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы определяется применением корректных математических методов и физических моделей, подтверждается хорошим соответствием теоретических результатов данным математического моделирования и экспериментальных исследований в ходе развертывания систем сотовой связи стандартов GSM и UMTS в России.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Повышение эффективности использования РЧС в диапазоне 2,1 ГГц позволяет развернуть на территории России четыре полнофункциональные ССС стандарта UMTS.

2. Теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов позволяет исследовать потенциальные возможности повышения спектральной эффективности ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн.

3. Многоканальные антенные системы с управляемыми диаграммами направленности позволяют повысить спектральную эффективность сотовой связи путем выбора радиоканала с максимальным собственным значением либо при соответствующем возбуждении радиоканалов с близкими собственными значениями.

4. Многоканальные антенные системы со сферическими диэлектрическими линзами, коммутируемыми облучателями и дополнительными цепями адаптации позволяют расширить возможности сотовой связи путем обеспечения работы базовой станции в широком секторе пространства и в нескольких диапазонах частот с усилением до 40 дБ.

5. Канальные фильтры 3-7 порядков, адаптированные к параметрам сигналов и помех на входе радиоприемного устройства базовой станции, позволяют повысить спектральную эффективность сотовой связи в 1,5 - 2 раза.

Научная новизна. В диссертационной работе развиты теория, методы анализа и принципы построения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией с целью повышения спектральной эффективности систем сотовой связи нового поколения, а именно:

1. Разработана теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов сотовой связи и исследованы потенциальные возможности повышения спектральной эффективности перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Выявлена зависимость спектральной эффективности ССС с многоканальными антенными системами от параметров пространственно-неоднородной радиотрассы, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода, определены закономерности и условия применения многоканальных антенных систем.

2. Разработан метод анализа адаптивных многоканальных антенных систем с учетом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода. Доказано, что повышение спектральной эффективности CCC нового поколения достигается применением многоканальных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности и обеспечивается выбором радиоканала с максимальным собственным значением в случае радиоканалов с существенно различными собственными значениями либо выбором соответствующего возбуждения радиоканалов с близкими собственными значениями.

3. Определены требования к характеристикам направленности антенных устройств базовых станций и абонентских терминалов перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Доказано, что применение многоканальных антенных систем повышает спектральную эффективность перспективных ССС в случае, когда ДН антенных устройств являются собственными ДН соответствующих радиоканалов, а отношение Р_C/(Р_Ш+Р_П) на входе радиоприемного устройства превышает 10 дБ. Разработаны схемы и способы реализации ДН многоканальных антенных систем перспективных ССС, установлено, что собственные ДН радиоканалов являются аналогом ДН многолучевых антенн, но отличаются от них по своей форме и ориентации лучей, которые зависят от параметров пространственно-неоднородной радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода.

4. Предложен метод анализа полифокальных антенн со сферическими диэлектрическими линзами с произвольным амплитудно-фазовым распределением (АФР) возбуждающего поля, разработан численный алгоритм расчета их электродинамических характеристик. Проведены исследования и оптимизация электродинамических характеристик антенн с однородной, двухслойной и многослойной сферическими линзами с учетом потерь в диэлектрике и отражений от границ слоев. Обоснована эффективность применения многоканальных антенных систем со сферическими линзами из однородного диэлектрика с коммутируемыми облучателями и дополнительными цепями адаптации в БС перспективных ССС.

5. Разработан метод анализа характеристик канальных ВТСП фильтров с учетом параметров сигналов и помех в сетях сотовой связи разных стандартов. Определены потенциальные возможности применения канальных ВТСП фильтров для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприемном тракте базовых станций ССС стандартов GSM и UMTS, обоснована целесообразность использования канальных ВТСП фильтров для повышения пропускной способности и спектральной эффективности перспективных ССС.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что на основе разработанной теории и предложенных способов реализации многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией сигналов определены пути и возможности дальнейшего повышения спектральной эффективности систем сотовой связи нового поколения, что позволяет улучшить энергетические характеристики радиоканалов, расширить возможности частотно-территориального планирования и создает необходимые предпосылки для успешного развертывания перспективных систем сотовой связи. Результаты диссертационной работы использованы в ходе проектирования опытной зоны систем сотовой связи стандарта UMTS, при проведении исследований в области ЭМС и разработке норм частотно-территориального разноса (ЧТР), при обосновании конкурсных требований к претендентам и подготовке тендерных документов в ходе лицензирования операторской деятельности в сетях связи третьего поколения, явились основой для формирования научно-технической и нормативно-правовой политики органов государственного регулирования в области развития сотовой связи в Российской Федерации, а также нашли отражение в исследованиях, проводимых ОАО «Интеллект Телеком» по реализации нового способа сотовой связи. Результаты исследований были одобрены НТС Мининформсвязи России (протоколы №2-001 от 28.05.2001, № 5 от 11.07.2001 и № 7 от 16.01.2007), приняты к реализации решениями Государственной комиссией по радиочастотам (протоколы ГКРЧ № 4650-ОР от 12.02.2001, № 5702-ОР от 25.01.2002, № 32/5 от 24.02.2004, №06-17 от 23.10.2006, №07-21 от 25.06.2007) и постановлениями Коллегии Мининформсвязи России (протоколы № 5-КМ от 22.06.2007 и № 8-КМ от 16.10.2007), использовались в ходе развертывания систем сотовой связи стандарта UMTS на территории России.

Личный вклад автора. Результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, принадлежат автору, что подтверждено публикациями в научных изданиях. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат постановка задачи, определение направлений исследования, результаты теоретических и экспериментальных исследований. Роль автора как руководителя и непосредственного участника исследований в области внедрения сетей связи третьего поколения отражена в решениях ГКРЧ, постановлениях НТС Мининформсвязи России и актах о внедрении результатов диссертационной работы.

Апробация и публикации результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 84 международных и российских конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе: IEEE ICC 2006 Conference (Istanbul, Turkey, 2006); Международные научные конференции «Современные информационные системы, проблемы и тенденции развития» (Туапсе, 2006, 2007); Международные научно-технические конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2006, 2007; Самара, 2008); Mobility World Congress & Exhibition (Hong Kong, China, 2007); Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007» (Севастополь, 2007); XIV международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2008); Международная научная конференция «Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития» (Судак, 2008); Международный Форум 3GPP (Москва, 2008), III Всероссийская научно-техническая конференция ИРЭ РАН «Радиолокация и связь» (Москва, 2009); Научно-техническая конференция, посвященная 60-летию ФГУП НИИР (Москва, 2009).

Результаты диссертационной работы опубликованы в шести монографиях, 68 статьях, в том числе 27 статей - в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, тезисах 40 докладов на международных и российских конференциях. На научно-технические решения получено два авторских свидетельства и три патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и трех приложений. Общий объем диссертации - 332 стр., в том числе: иллюстраций - 157, таблиц - 7, приложений - 52 стр. Библиографический список содержит 268 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и научные задачи диссертационной работы, представлены сведения о методах исследования, структуре и содержании работы, показана практическая востребованность и научная новизна результатов исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные проблемы эволюционного развития сотовой связи. Показано, что перспективные ССС для обеспечения требований по предоставлению абонентам разнообразных мультимедийных услуг, мобильного широкополосного доступа в Интернет и корпоративные сети должны обеспечивать пиковую скорость передачи данных до 100 Мбит/c, что на несколько порядков выше, чем в сетях связи второго поколения (2G). многоканальный антенный полифокальный

Проведен анализ основных способов повышения эффективности использования РЧС. Обоснован вывод о том, что основной задачей дальнейшего развития ССС, требующей проведения комплексных научных исследований, является увеличение их пропускной способности и спектральной эффективности.

Величина спектральной эффективности определяется из отношения скорости передачи данных (бит/c) на 1 Гц используемой полосы частот (бит/c/Гц). На основе теоремы Шеннона для канала с «белым» шумом определены граничные значения спектральной эффективности ССС в зависимости от энергетического потенциала радиоканалов и проведена их сравнительная оценка со спектральной эффективностью ССС разных стандартов (рис. 2).

Обоснован вывод о том, что повышение спектральной эффективности является одним из важнейших направлений совершенствования ССС: так, применение доступа OFDMA (Ortogonal Frequency Division Multiple Access) в сочетании с технологией MIMO позволяет повысить спектральную эффективность ССС стандарта LTE (Long Term Evolution) по сравнению с ССС стандарта UMTS в десятки раз в зависимости от ширины рабочей полосы частот и используемой схемы MIMO [5,6].

Предложены научно-технические способы повышения спектральной эффективности перспективных систем сотовой связи на основе методов пространственно-частотной фильтрации сигналов путем увеличения числа пространственно-независимых каналов, повышения их энергетического потенциала и сокращения межканальных (защитных) полос радиочастот на основе применения многоканальных антенных систем и канальных фильтрующих устройств с малыми потерями.

а) б)

Рис. 2. Теоретическая (а) и реальная (б) спектральная эффективность систем сотовой связи

Результаты работы, представленные в первой главе, позволили определить основные направления исследований в области разработки многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией сигналов для повышения спектральной эффективности перспективных систем сотовой связи.

Во второй главе на основе анализа международного распределения РЧС, таблицы распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации и потребностей ССС третьего поколения в радиочастотном ресурсе рассмотрены возможности использования диапазона 2,1 ГГц в интересах развертывания ССС третьего поколения в России.

Обоснован вывод о том, что изыскание возможности обеспечения ССС стандарта UMTS требуемым РЧР в диапазоне 2,1 ГГц при комплексном подходе к решению научно - технических, экономических и нормативно-правовых задач повышения эффективности использования РЧС является необходимым условием их внедрения в России.

Анализ загруженности диапазона 2,1 ГГц подтвердил, что при развертывании ССС стандарта UMTS в России неизбежно возникнут проблемы обеспечения их ЭМС с РЭС другого назначения, работающими в совмещенной и смежной полосах частот. В частности, радиоэлектронная обстановка в Москве, Санкт-Петербурге и других крупных административно-промышленных центрах страны характеризуется наличием большого числа РЭС правительственного назначения. С целью повышения эффективности использования РЧС предложено пересмотреть его существующее распределение и разработать условия его совместного использования РЭС ССС стандарта UMTS и РЭС другого назначения с определением территориальных, пространственных и энергетических ограничений.

Проведен анализ возможностей обеспечения ЭМС РЭС сетей стандарта UMTS с РЭС других назначений, определены полосы и номиналы частот для развертывания опытной зоны ССС стандарта UMTS в России: общая ширина парных полос в режиме FDD составила 30 МГц, непарных полос в режиме TDD - 10 МГц (рис. 3). Наличие данного РЧР позволило развернуть четыре фрагмента опытной зоны ССС стандарта UMTS в Москве и Санкт-Петербурге. Важным результатом исследований в опытной зоне явилась разработка условий обеспечения ЭМС РЭС сетей связи стандарта UMTS и РЭС другого назначения, работающими в совмещенной и смежной полосах радиочастот. Натурные испытания на ЭМС базовых станций UMTS c некоторыми РЭС гражданского и военного назначения, в частности, с радиорелейными станциями Р-414, подтвердили правильность разработанных условий их совместного использования. Результаты исследований были использованы для последующей разработки и утверждения Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) норм частотно-территориального разноса РЭС стандарта UMTS и РЭС военного назначения.

В результате исследования возможностей повышения эффективности использования РЧС предложено выделить 140 МГц в диапазоне 2,1 ГГц для развертывания на территории России четырех ССС стандарта UMTS. Это позволяет каждому из операторов организовать три канала в режиме FDD и один канал - в режиме TDD, что является достаточным для построения полнофункциональной сети сотовой связи и позволяет использовать каждый канал на своем уровне иерархии для обслуживания районов с разным уровнем нагрузки: каналы TDD - на уровне пикосот, каналы FDD - на уровне микро- и макросот.

Рис. 3. Полосы радиочастот для работы РЭС опытной зоны ССС стандарта UMTS

Результаты исследований по обеспечению радиочастотным ресурсом ССС третьего поколения, полученные научно-исследовательскими организациями Мининформсвязи и Минобороны России при непосредственном участии автора и под его методическим руководством, были одобрены НТС Мининформсвязи России в июле 2001 года и послужили основанием для принятия в октябре 2006 года решения ГКРЧ о выделении полос радиочастот 1935…1980 МГц, 2010…2025 МГц и 2125…2170 МГц для сетей связи стандарта UMTS, что позволило в 2007 году на конкурсной основе выдать операторам лицензии и приступить к развертыванию ССС третьего поколения на территории РФ.

Проанализированы потребности перспективных ССС в РЧР и возможные способы повышения эффективности использования РЧС. Разработаны предложения по выделению РЧР в интересах развертывания перспективных сетей сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа, обоснована возможность повышения эффективности использования РЧС при их взаимодополняющем развитии. Расчеты проводились для сплошного покрытия зоны обслуживания ССС стандарта UMTS с усредненной оценкой предполагаемой нагрузки и с учетом рекомендаций МСЭ-Р М.1390. В качестве дополняющей использовалась сеть БШД стандарта IEEE 802.16e. Результаты моделирования взаимодополняющих сетей сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа показывают, что в зависимости от роста трафика передачи данных их применение позволяет сократить необходимый объем РЧР в 1,5 - 2 раза. Результаты проведенных исследований одобрены решением НТС Мининформсвязи России в январе 2007 года.

Результаты исследований, представленные во второй главе, явились основой для принятия решений Мининформсвязи России о порядке внедрения ССС стандарта UMTS в Российской Федерации, а выделение необходимого радиочастотного ресурса в диапазоне 2,1 ГГц позволило приступить к их развертыванию и коммерческой эксплуатации.

В третьей главе исследованы возможности повышения спектральной эффективности ССС на основе применения методов частотной фильтрации сигналов с учетом параметров сигналов и помех в сетях сотовой связи разных стандартов.

Полосно-пропускающие ВТСП фильтры характеризуются высокой добротностью (10⁶) и малыми потерями в полосе пропускания (0,1…0,2 дБ) в диапазонах частот от 1 МГц до 10 ГГц, а их полоса пропускания может быть согласована с шириной спектра сигнала [7]. Применение ВТСП фильтров в БС сотовой связи позволяет повысить чувствительность и избирательность радиоприемного устройства, а, следовательно, и энергетический потенциал радиолинии [8]. Исследования в области ВТСП фильтров проводятся российскими специалистами: И.А. Архаров, О.Г. Вендик, И.Б. Вендик, В.Ю. Емельянов, Л.И. Пономарев и зарубежными исследователями: R. Simon, B. Willemsen, M. Lancaster, Bin Wei, Ueno Yoshiki. Анализ публикаций по данной теме подтвердил актуальность математического моделирования канальных ВТСП фильтров и определения требований к их характеристикам с учетом параметров сигналов и помех в сетях сотовой связи стандартов GSM и UMTS.

Метод анализа характеристик канальных фильтров состоит из двух этапов. На первом этапе проводится численное моделирование фильтров трех типов: Баттерворта, Чебышева и Золотарева, полоса пропускания которых соответствует рабочей полосе частот радиоканала (рис. 4). С учетом требований по крутизне спада амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) более 70 дБ/МГц, уровню потерь в полосе пропускания не более 0,1 дБ и уровню затухания в полосе задерживания 100 дБ определяется тип канального ВТСП фильтра с наименьшим порядком n. На втором этапе синтезированные АЧХ фильтров используются для расчета эффективности подавления помех в радиоприемном тракте БС с учетом спектральных масок сигналов, характерных для ССС стандартов GSM и UMTS, а также для оптимизации порядка и типа фильтров. Исследования проводились на основе модели произвольного i - го канала приема БС с учетом межканальных помех от каналов связи между АТ и БС своей и соседних сот (рис. 5). В качестве показателя эффективности применения фильтров выбрано отношение средней мощности сигнала к средней мощности помех от смежных каналов с номерами k = 1,2,…, которое рассчитывается на выходе i-го канального фильтра:

, (1)

где: - спектральная маска сигнала; - АЧХ канального фильтра.

Анализ результатов моделирования показывает, что независимо от типа фильтра увеличение его порядка сверх n = 5 (для ССС стандарта GSM) и сверх n = 7 (для ССС стандарта UMTS) с энергетической точки зрения не имеет смысла, так как в этом случае зависимость отношения P_С/(P_Ш+P_П) на его выходе и на выходе «идеального» фильтра (с прямоугольной формой АЧХ) от уровня помех со стороны смежных каналов приема практически совпадает (рис. 6). Эффективность же подавления помех при n = 2…7 зависит от типа фильтра. Так, для ССС стандарта GSM при одинаковом n = 3 фильтры Чебышева и Золотарева более эффективны по сравнению с фильтром Баттерворта: различие в степени подавления межканальных помех с соответствующими номерами k составляет от 1 до 8 дБ. Для ССС стандарта UMTS при одинаковом n = 7 фильтр Чебышева имеет выигрыш в степени подавления межканальных помех от смежных каналов приема, равный 19 дБ при k=1 и 69 дБ при k=3, а для фильтра Золотарева такого же порядка выигрыш составляет 22 дБ при k=1 и 59 дБ при k=3.

Результаты исследований показывают, что применение канальных ВТСП фильтров 3-7 порядка, адаптированных к параметрам сигналов и помех в сетях сотовой связи, потенциально позволяет увеличить отношение Р_С/(Р_Ш+Р_П) на входе радиоприемного устройства БС на 10-15 дБ для ССС стандарта GSM и на 15-20 дБ для ССС стандарта UMTS и, соответственно, в 1,5 - 2 раза повысить спектральную эффективность существующих и перспективных ССС. Учет результатов исследований о возможности использования ВТСП фильтров в приемном тракте БС с целью сокращения защитных интервалов между соседними частотными каналами в ходе разработки новых стандартов сотовой связи также может способствовать повышению спектральной эффективности перспективных ССС.

а) б)

Рис. 4. АЧХ фильтра Золотарева с различным порядком n для использования в базовых станциях ССС стандартов GSM (a) и UMTS (б)

Рис. 5. Схема базовой станции с канальными ВТСП фильтрами в приемном тракте

а) б)

Рис.6. Зависимость отношения P_С/P_П на выходе «идеального» фильтра и фильтра Баттерворта от уровня помех с номерами k для ССС стандартов GSM (a) и UMTS (б)

При наличии мощных узкополосных помех от других РЭС их подавление может осуществляться путем включения на входе приемного тракта БС полосно-заграждающего ВТСП фильтра с перестраиваемой полосой заграждения во всей рабочей полосе частот.

Применение ВТСП фильтров позволяет не только улучшить избирательность радиоприемного устройства БС, но и расширить его динамический диапазон по нелинейным эффектам. Установлено, что динамический диапазон по интермодуляции (ДДИ) радиоприемного тракта БС в составе (ВТСП фильтр + МШУ + радиоприемное устройство) превышает ДДИ собственно радиоприемного устройства приблизительно на величину выигрыша , который может быть выражен в [дБ] при расчете по формуле:

(2)

где: - амплитудно-частотная характеристика ВТСП фильтра, выраженная в разах;

- полоса отстройки соседнего канала от основного канала приема.

С учетом результатов моделирования ВТСП фильтров обоснована возможность их применения для расширения динамического диапазона радиоприемного устройства БС по интермодуляции третьего порядка для ССС стандартов GSM и UMTS: при использовании ВТСП фильтров Баттерворта 2-4 порядков выигрыш составляет от 16 до 30 дБ, а при использовании ВТСП фильтров Золотарева 5-го порядка выигрыш возрастает более чем на 60 дБ. Подтверждена возможность использования ВТСП фильтров для расширения динамического диапазона радиоприемного тракта БС по блокированию (ДДБ): в сравнении с ДДИ выигрыш оказывается не хуже.

Таким образом, результаты исследований, приведенные в третьей главе, позволили определить потенциальные возможности применения канальных ВТСП фильтров для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприемном тракте базовых станций ССС стандартов GSM и UMTS и обосновать целесообразность использования канальных ВТСП фильтров для повышения пропускной способности и спектральной эффективности перспективных ССС. Следует подчеркнуть, что полученные данные относятся и к цифровым фильтрам с высокой разрядностью аналого-цифрового преобразования (16 и выше). С учетом ускоренного развития процессорной техники фильтры такого типа уже в ближайшем будущем могут быть востребованными как с точки зрения упрощения конструкции и увеличения скорости перестройки, так и по экономическим соображениям.

В четвертой главе разработана теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией, предложен метод анализа и оптимизации их характеристик с учетом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, исследована эффективность применения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией в перспективных ССС.

Важные результаты в области разработки теоретических основ применения технологии многоканальной передачи сообщений MIMO были получены российскими специалистами М.А. Быховским, В.М. Вишневским, В.А. Власовым, И.Л. Евдокимовым, В.Т. Ермолаевым, В.С. Сперанским, А.Г. Флаксманом и зарубежными исследователями J. Winters, J. Salz, A. Paulrag, T. Kailath, G. Raleign, J. Foschini, J. Gans, E. Telatar, S. Alamauti, G. Tsoulos, R. Heath, N. Mehta, A. Molish, D. Gore, A. Paulraj, D. Gesbert, Хотя вопросам применения технологии MIMO и посвящено большое число исследований, однако в них не сформулированы условия ее эффективного использования в ССС, нет определенности и в оценке влияния параметров пространственно-неоднородных радиотрасс и многоканальных антенных систем на спектральную эффективность ССС, а требования к антенным системам не в полной мере учитывают особенности применения технологии MIMO в перспективных ССС.

Пусть антенные решетки в схеме ССС - MIMO, представленной на рис. 7, состоят из N передающих и М приемных элементов, связанных некоторым числом радиоканалов. На вход n-го элемента передающей АР, изолированного от остальных, подается сигнал с нормированной амплитудой напряжения . Электромагнитные волны, распространяясь в условиях неоднородного пространства по нескольким направлениям (радиоканалам), вызовут появление на m входе изолированного элемента приемной АР отраженного (по отношению к этому входу) сигнала с нормированной амплитудой напряжения . Полная канальная матрица образуется из элементов и имеет следующий вид:

, (3)

где A = (,…), B = (,…) - некоторые сечения (входы) в фидерных линиях элементов передающей и приемной АР.

С использованием детерминистического подхода к модели распространения радиоволн [2] и в предположении, что элементы приемной АР идеально согласованы с приемным устройством, показано, что канальная матрица с учетом взаимодействия элементов АР может быть выражена через аналогичную матрицу без учета взаимодействия:

, (4)

где: - матрица рассеяния передающей АР относительно ее входов А, связывающая между собой комплексные амплитуды напряжений падающих и отраженных волн:

; (5)

- матрица рассеяния приемной АР; E - единичная матрица.

Рис. 7. Структурная схема ССС с многоканальными антенными системами

Рис. 8. Зависимость выигрыша от числа каналов при разных значениях : -10дБ (1);0дБ (2);10дБ (3);20дБ (4);30дБ (5)

Из полученного выражения (4) следует, что учет эффектов взаимодействия элементов передающей и приемной АР приводит к изменению канальной матрицы .

Для определения мощности принимаемого сигнала, предполагая, что он является гармоническим, с учетом взаимодействия элементов приемной и передающей АР можно перейти к выражению для энергетической матрицы вида , элементы которой и определяют мощность сигнала Р_С(В) в сечениях bm фидерных линий элементов приемной АР:

. (6)

Спектральное разложение энергетической матрицы по собственным векторам позволяет определить собственные значения каналов:

,(7)

где: Т - матрица ортонормированных собственных векторов матрицы W;

- диагональная матрица собственных значений , определяемых из системы уравнений:

(8)

Взаимодействие элементов приемной и передающей АР приводит к изменению собственных векторов и собственных значений энергетической матрицы .

На основе теоремы Шеннона для канала с «белым» шумом [3] максимальное значение спектральной эффективности ССС - SISO с одноканальной схемой построения может быть представлено в виде:

, где: ; . (9)

В случае же организации независимых радиоканалов спектральная эффективность ССС - MIMO определяется выражением:

.(10)

Данное выражение получено путем спектрального разложения энергетической матрицы и поиска максимального значения спектральной эффективности ССС - MIMO при неизменной мощности излучения (Р_С(А)=const). Отметим, что в случае единственного канала выражение (10) переходит в выражение (9), а в случае каналов с равными значениями =- в известное выражение [3]:

. (11)

Тогда выигрыш в спектральной эффективности ССС - MIMO при организации каналов с равными значениями по сравнению с ССС - SISO будет равен:

. (12)

Из анализа зависимости от числа каналов при разных значениях (рис. 8) следует, что повышение спектральной эффективности ССС - MIMO более чем в 1,5 раза, возможно только для значений > 10 дБ. Многолучевое распространение сигнала сопровождается значительным ослаблением его мощности как при отражении от препятствий, так и при дифракции на них, что приводит к существенному уменьшению собственных значений каналов . Это справедливо и при «организации» каналов с равными значениями , когда для реально используемых мощностей излучения даже на небольших расстояниях от БС выполняется неравенство <<1. В этом случае : спектральная эффективность ССС - MIMO приближается к спектральной эффективности ССС - SISO.

В диссертационной работе с использованием метода максимизации при заданных ограничениях доказано, что при воздействии на приемную АР узкополосных помех, сосредоточенных по направлениям прихода, и в предположении =const, спектральная эффективность ССС - MIMO определяется выражением:

. (13)

Наличие помех, сосредоточенных по направлению прихода, может существенно уменьшить число радиоканалов, используемых в ССС - MIMO, вплоть до одного.

Разработанная теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией позволяет определить максимальную спектральную эффективность ССС с учетом параметров пространственно - неоднородных трасс, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, сосредоточенных по направлению прихода. Аналитические выражения оптимального возбуждения элементов АР дают возможность оценить влияние каждого радиоканала на спектральную эффективность ССС и принять решение о целесообразности его использовании. Исследование основных закономерностей применения многоканальных антенных систем и определение потенциальных возможностей повышения спектральной эффективности ССС проведены для двух моделей многолучевого распространения сигнала - дифракционной и переотражающей (рис. 9).

а) б)

Рис. 9. Дифракционная (а) и переотражающая (б) модели распространения сигнала

Результаты численного моделирования многолучевого распространения сигнала показывают, что собственные значения радиоканалов и спектральная эффективность ССС - MIMO зависят от параметров пространственно-неоднородных радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода. На основе разработанной теории предложены адаптивные многоканальные антенные системы, проведено исследование эффективности их применения в перспективных ССС - MIMO. На рис.10 представлены два способа построения адаптивных многоканальных антенных систем: с многоканальной (а) и одноканальной (б) схемами обработки сигнала.



а)

б)

Рис.10. Адаптивные многоканальные антенные системы ССС - MIMO с многоканальной (а) и одноканальной (б) схемами обработки сигнала

В диссертационной работе доказано, что многоканальную схему обработки сигнала целесообразно применять в случае, когда собственные значения радиоканалов примерно одинаковы. Форма и направления лучей ДН приемной и передающей АР определяются параметрами радиоканалов, эффектами взаимодействия элементов АР и влиянием помех, сосредоточенных по направлениям прихода. При этом спектральная эффективность ССС - MIMO при соответствующем отношении Р_С/(Р_Ш+Р_П) >10 дБ может увеличиваться почти в М раз, где М - число независимых каналов. Если собственные значения каналов различаются в три и более раз, а один из них характеризуется наибольшим собственным значением, то многоканальная схема обработки сигнала становится неэффективной - требуется организовать единственный луч, направление максимума которого соответствует радиоканалу с наибольшим собственным значением. Одноканальная схема обработки сигнала при соответствующем выборе формы ДН приемной антенны может обеспечить практически такую же, а при определенных условиях и большую спектральную эффективность по сравнению с использованием многоканальной схемы. В этом случае максимумы ДН приемной и передающей антенн могут быть направлены даже в разные стороны. Например, в модели радиотрассы с полубесконечным экраном образуется единственный канал, наибольшее собственное значение которого соответствует ДН, максимумы которых направлены на кромку экрана, что вполне объяснимо и с физической точки зрении (рис. 11,а).

Результаты математического моделирования многолучевого распространения сигнала при дифракции электромагнитных волн на экране в двухканальной схеме обработки сигнала с четырехэлементной АР на передачу (рис. 11,б) позволили определить зависимость спектральной эффективности ССС - MIMO такого типа как от числа элементов АР, так и от характера их возбуждения (рис. 12).

а) б)

Рис. 11. Модели распространения сигнала с полубесконечным экраном (а) и с четырехэлементной АР на передачу (б)

Рис. 12. Зависимость спектральной эффективности ССС - MIMO 4х2 от числа излучателей: 1 - оптимальное возбуждение; 2 - синфазный канал; 3 - противофазный канал

Значительный интерес представляет форма ДН многоканальных антенных систем, обеспечивающих многолучевое распространение сигналов в ССС - MIMO. В соответствии с предложенным методом собственная ДН j-го канала определяется выражением:

, (14)

где:- нормирующий множитель; - ДН одиночных элементов передающей АР.

В результате исследований определены требования к ДН антенных устройств БС и АТ перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Доказано, что с целью повышения спектральной эффективности ССС - MIMO форма и ориентация лучей ДН многоканальных антенных систем должны соответствовать собственным ДН радиоканалов.

Собственные ДН синфазного и противофазного каналов, рассчитанные для дифракционной модели ССС-MIMO 2х2, представлены на рис. 13. Собственные ДН второго и третьего каналов, рассчитанные для дифракционной модели ССС-MIMO 4х4, представлены на рис. 14. Собственные ДН первого и четвертого каналов по своей форме похожи на собственные ДН синфазного и противофазного каналов, но имеют более узкие лепестки.

Рис.13. Собственные ДН для синфазного (сплошная) и противофазного (пунктир) каналов для двух полуволновых вибраторов без экрана (слева) и с боковым экраном (справа)

Рис. 14. Собственные ДН второго (слева) и третьего (справа) каналов четырехканальной ССС-MIMO для четырех полуволновых вибраторов без экрана

Установлено, что в условиях многолучевого распространения радиоволн собственные ДН радиоканалов являются аналогом ДН многолучевых антенн, но отличаются от них по своей форме и ориентации лучей, которые зависят от параметров пространственно-неоднородной радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода. Анализ возможностей практической реализации собственных ДН радиоканалов позволяет сделать вывод, что наиболее полно предъявляемым требованиям удовлетворяют многолучевые антенные системы с широкоугольным сканированием ДН и дополнительными цепями адаптации. С учетом необходимости обеспечения работы в городских условиях управление формой и ориентацией лучей ДН антенн в реальном масштабе времени можно осуществить путем формирования соответствующего АФР в их раскрыве, в том числе - с применением цифровых методов.

Результаты исследований, представленные в четвертой главе, позволили выявить следующие закономерности использования и принципы построения многоканальных антенных систем сотовой связи нового поколения:

· применение многоканальных антенных систем повышает спектральную эффективность перспективных ССС в случае, когда ДН антенн являются собственными ДН соответствующих радиоканалов и формируются с учетом параметров пространственно-неоднородной радиотрассы, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода, а отношение мощности сигнала (Р_С) к суммарной мощности помехи и шумов (Р_Ш+Р_П) на входе радиоприемного устройства превышает 10 дБ;

· неравнозначность радиоканалов и наличие помех, сосредоточенных по направлениям прихода, снижает спектральную эффективность CСC-MIMO, а из-за эффектов взаимодействия элементов АР существует такое расстояние между ними, при котором спектральная эффективность ССС-MIMO достигает максимума;

· применение многоканальных антенных систем с управляемыми ДН повышает спектральную эффективность ССС-MIMO при выборе радиоканала с максимальным собственным значением в случае существенно различных собственных значений радиоканалов либо при соответствующем возбуждении радиоканалов с близкими собственными значениями;

· в случае однородного пространства собственная ДН радиоканала соответствуют ДН адаптивной антенны, а в случае неоднородного пространства и одноканальной схемы построения системы сотовой связи SISO собственная ДН радиоканала обеспечивает максимальную спектральную эффективность ССС;

· собственные значения радиоканалов существенно и по-разному зависят от взаимного расположения БС и АТ, что ограничивает возможность повышения спектральной эффективности CСC-MIMO, особенно при работе в движении и на большие расстояния.

В пятой главе исследованы пути построения многоканальных антенных систем со сферическими диэлектрическими линзами, обоснована эффективность их применения в базовых станциях перспективных ССС. Основополагающие исследования в области многолучевых и сканирующих антенных систем выполнены известными российскими учеными Н.А. Беем, Д.И. Воскресенским, А.Ю. Гриневым, В.А. Калошиным, Б.Е. Кинбером, В.И. Классеном, Л.И. Пономаревым, Д.М. Сазоновым, Н.Я. Фроловым, Ю.Я. Харлановым.

В качестве многолучевых антенных систем БС перспективных ССС могут использоваться или система из нескольких совмещенных АР, перекрывающих весь пространственный сектор и требуемые диапазоны частот, или одна широкополосная антенна, например, полифокальная линзовая антенна (ЛА) с коммутируемыми облучателями. По совокупности требований, предъявляемых к антенным системам БС перспективных ССС, полифокальные ЛА обладают преимуществами по сравнению с АР, обеспечивая работу в широком секторе углов (вплоть до 360°) во всех рабочих диапазонах частот. Применение линз является предпочтительным и в гибридных антеннах - ведь размеры многоэлементного облучателя и диаграммообразующей схемы могут быть весьма значительными [9]. Среди полифокальных ЛА, обеспечивающих многолучевой режим работы в секторе углов до 360°, наибольшей эффективностью обладают линзы Люнеберга, фокусирующие свойства которых достигаются определенным законом изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от расстояния до центра линзы [10,11].