Оптимизация построения цифровых радиолиний и сетей фиксированной наземной радиосвязи в условиях воздействия внутрисистемных помех

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ РАДИОЛИНИЙ И СЕТЕЙ ФИКСИРОВАННОЙ НАЗЕМНОЙ РАДИОСВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНУТРИСИСТЕМНЫХ ПОМЕХ

Специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

ДАНИЛОВИЧ Дмитрий Андреевич

Санкт - Петербург 2009

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный доктор технических наук, профессор руководитель Сиверс Мстислав Аркадьевич

Официальные доктор технических наук, профессор оппоненты Семенов Георгий Алексеевич кандидат технических наук, доцент Попов Евгений Александрович

Ведущая организацияВАС им. С.М. Буденного Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «___» ____________ 2009 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «____» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Специфические особенности территории России, слабо развитая инфраструктура связи во многих регионах страны, а также экономическая целесообразность обуславливают перспективу широкого использования беспроводных технологий на транспортных сетях связи и в сетях доступа.

«Транспортное» направление беспроводной связи ориентировано в основном на использование цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ) плезиохронной (PDH) и синхронной (SDH) иерархий, входящих в состав магистральных и внутризоновых сетей, а также местных сетей и сетей технологической связи c различной топологией. В настоящее время ЦРРЛ работают в широком диапазоне частот от 160 МГц до 38 ГГц и даже выше.

В сравнении с волоконно - оптическим линиям связи (ВОЛС) ЦРРЛ выгодно отличаются слабой зависимостью от природно - географических условий, высокой надежностью линейного тракта и меньшими капитальными затратами при строительстве.

При этом в соответствии с современными рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ) требования к показателям качества передачи являются одинаковыми как для ВОЛС, так и для ЦРРЛ, поэтому с точки зрения качественных показателей ВОЛС и ЦРРЛ не должны отличаться.

Следует также отметить полную совместимость ВОЛС и ЦРРЛ при построении современных транспортных сетей связи, а также наличие свободного частотного ресурса в большинстве районов страны, что способствует широкому применению ЦРРЛ на сетях связи России.

Беспроводные сети доступа формируются на основе систем подвижной связи (СПС) и систем беспроводного широкополосного доступа (БШД). При этом развитие и совершенствование СПС и БШД стимулирует строительство высокоскоростных и надежных транспортных сетей на основе ЦРРЛ для соединения базовых станций и передачи их трафика магистральным сетям и узлам коммутации.

Важной задачей при построении любых беспроводных систем связи является повышение эффективности использования частотного ресурса, которое обеспечивается, прежде всего, за счет повторного использования частот на линиях и в сетях радиосвязи.

Во всех случаях повторное использование частот неизбежно ведет к увеличению уровней внутрисистемных помех, непосредственно влияющих на показатели качества передачи, поэтому учет влияния указанных помех является одной из основных задач при проектировании ЦРРЛ и сетей радиосвязи.

Основным методом борьбы с внутрисистемными помехами при заданных характеристиках радиорелейного оборудования и антенн является оптимизация выбора проектного решения на основе адекватного учета влияния внутрисистемных помех.

Помимо внутрисистемных помех при проектировании ЦРРЛ и сетей радиосвязи следует учитывать их влияния на региональную электромагнитную обстановку (ЭМО).

В реальных условиях проектирования многоинтервальных ЦРРЛ и сетей радиосвязи часто имеют место дополнительные неформальные или трудно формализуемые ограничения, которые во многих случаях даже не известны на этапе проектирования. В этих условиях наряду с оптимальным решением рассматриваемой задачи оптимизации желательно иметь еще несколько ранжированных лучших вариантов ее решений с тем, чтобы на завершающем этапе можно было выбрать наилучший вариант решения с учетом всех дополнительных ограничений, не вошедших в математическую модель задачи. Таким образом, практический интерес представляют задачи многовариантной оптимизации построения ЦРРЛ и сетей радиосвязи.

В настоящее время в литературе отсутствуют решения основных задач многовариантной оптимизации построения цифровых РРЛ и сетей радиосвязи с учетом влияния внутрисистемных помех.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является моделирование и разработка алгоритмов решения задач многовариантной оптимизации построения многоинтервальных цифровых радиорелейных линий и сетей фиксированной радиосвязи со звездообразной и кольцевой топологией с учетом влияния внутрисистемных помех.

Для достижения этой цели сформулированы и решены следующие задачи:

- разработка усовершенствованных моделей и исследование на их основе влияния внутрисистемных помех на многоинтервальных ЦРРЛ и в сетях местной и технологической радиосвязи;

- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на многоинтервальных ЦРРЛ;

- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ;

- моделирование и решение задачи многовариантной совместной оптимизации выбора размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;

- моделирование и решение задачи оптимизации характеристик ответвления от существующей многоинтервальной ЦРРЛ с учетом влияния взаимных помех;

- моделирование и решение задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- моделирование и решение задачи многовариантной совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- моделирование и решение задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией;

- оценка эффективности разработанных алгоритмов оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ и сетей радиосвязи.

Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, математической статистики, математического моделирования, а также методы дискретной оптимизации, основанные на принципах динамического программирования.

Прикладное программное обеспечение, необходимое для моделирования многоинтервальных участков ЦРРЛ, сетей фиксированной радиосвязи и проведения вычислительных экспериментов, реализовано в среде Visual Basic.

Научная новизна. В диссертации впервые решены основные задачи многовариантной оптимизации построения цифровых РРЛ и сетей радиосвязи с учетом влияния внутрисистемных помех. При этом получены следующие новые научные результаты:

- исследовано влияние внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на многоинтервальных ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи многовариантной совместной оптимизации размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации характеристик ответвления от существующей многоинтервальной ЦРРЛ;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи оптимизации мощностей передатчиков на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- разработаны математическая модель и алгоритм решения задачи совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- разработаны методика и алгоритм решения задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией;

- исследована эффективность многовариантной оптимизации высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ и характеристик ответвлений от существующих ЦРРЛ;

- исследована эффективность оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией.

Практическая ценность.

Основными результатами диссертационной работы, имеющими очевидную практическую значимость, являются:

- результаты исследования влияния внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией;

- программное обеспечение для решения задач многовариантной оптимизации размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ;

- программное обеспечение для решения задач многовариантной оптимизации мощностей передатчиков и частотно - территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией;

- результаты оценки эффективности разработанных алгоритмов оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ и сетей связи со звездообразной топологией, подтверждающие высокую эффективность указанных алгоритмов.

Указанные результаты могут быть использованы в проектных организациях и подразделениях при автоматизированном проектировании многоинтервальных ЦРРЛ, а также местных и технологических сетей радиосвязи со звездообразной топологией. Кроме того, полученные в диссертации результаты могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий.

Достоверность полученных результатов обеспечена: учетом реальных условий оптимального проектирования многоинтервальных ЦРРЛ и сетей местной и технологической связи при разработке математических моделей рассматриваемых задач оптимизации; учетом статистических характеристик распространения радиоволн и особенностей влияния внутрисистемных помех различного вида на ЦРРЛ и в сетях радиосвязи; использованием математического аппарата, обеспечивающего нахождение заданного числа точных решений рассматриваемых задач многовариантной оптимизации; непротиворечивостью полученных теоретических результатов и результатов многочисленных вычислительных и натурных экспериментов; апробацией основных полученных результатов в печатных трудах, на международном симпозиуме и научно-технических конференциях.

Личный вклад автора. Все основные научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, а также результаты вычислительных и натурных экспериментов, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Реализация результатов работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в практической деятельности ЗАО "Радиан" (Санкт-Петербург) и в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь», а также на НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 2008 и 2009 гг.

По результатам диссертации опубликованы 7 печатных работ, из них 3 в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования влияния внутрисистемных помех на моделях линейных трасс ЦРРЛ, трасс с ответвлениями и сетей радиосвязи со звездообразной топологией.

2. Математические модели и алгоритмы решения задач многовариантной оптимизации выбора мощностей передатчиков, размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ.

3. Математические модели и алгоритмы решения задач многовариантной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на местных и технологических сетях со звездообразной топологией.

4. Методика и алгоритм решения задачи оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией.

5. Результаты оценки эффективности многовариантной оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ, а также местных и технологических сетей со звездообразной топологией.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Работа содержит 151 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 74 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи работы, кратко изложено содержание работы по главам, приведены сведения об апробации результатов работы, сформулированы выносимые на защиту основные положения, отражающие научную новизну и практическую значимость результатов проведенных исследований.

В первой главе представлены результаты исследования влияния внутрисистемных помех от сигналов обратного направления и узлообразования на радиорелейных линиях с линейными трассами и трассами с ответвлениями, а также в местных сетях радиосвязи со звездообразной топологией. При этом рассмотрены возможности использования антенн с разными характеристиками направленности и автоматической регулировки мощности передатчиков. Отличительной особенностью всех проведенных исследований является учет различного характера влияния теплового шума и внутрисистемных помех, а также зависимости битового коэффициента ошибок BER(SES) от скорости передачи информации.

В общем случае с учетом внутрисистемных помех запас на плоские замирания на интервале для значения битового коэффициента ошибок BER = BER(SES), соответствующего сильно пораженным (ошибками) секундам (SES), определяется выражением, дБ:

, (1)

где - средний уровень принимаемого сигнала при номинальной мощности передатчика, дБм; - пороговый уровень приемника для BER = BER(SES), дБм;

- деградация запаса на плоские замирания из-за влияния внутрисистемных помех для BER(SES), зависящая от уровня внутрисистемных помех на интервале, дБ,

Для расчета энергетических характеристик интервалов ЦРРЛ с учетом указанных выше особенностей разработана программа РЭПИ-ЦРРЛ, обеспечивающая широкие возможности для автоматизированного исследования влияния внутрисистемных помех.

На многоинтервальных линейных трассах ЦРРЛ с достаточной зигзагообразностью при использовании двухчастотных планов внутрисистемные помехи возникают из-за влияния сигналов обратного направления (СОН). При этом уровни суммарной средней мощности помех на интервале n для направлений слева-направо и справа-налево, определяются соответственно выражениями, дБм:

, (2)

, (3)

где и , и - соответственно средние мощности помех от сигналов обратного направления 1-го и 2-го видов для направлений слева-направо и справа-налево, дБм.

Были выполнены вычислительные эксперименты, в результате которых исследованы зависимости запаса на замирания и величины его деградации на линейных трассах ЦРРЛ от соотношения длин соседних интервалов и характеристик направленности антенн, а также от диапазона АРМП (рис. 1, 2).



Вычислительные эксперименты проводились для среднескоростных ЦРРЛ диапазона частот 7 ГГц. Результаты этих экспериментов позволяют сделать следующие основные выводы:

- даже при использовании антенн с высокими характеристиками направленности (типа НР) с коэффициентом защитного действия B > 60 дБ деградация запаса на замирания может достигать больших значений, превышающих 5 - 7 дБ, что обуславливает обязательный учет ее при проектировании многоинтервальных ЦРРЛ с двухчастотными планами при использовании оборудования без АРМП;

- применение стандартных антенн с В < 50 дБ, в рассматриваемых условиях обуславливает деградацию запаса на замирания больше 15 дБ, что свидетельствует о недопустимости использования указанных антенн на ЦРРЛ с двухчастотными планами без АРМП;

- полученные зависимости деградации запаса на замирания от соотношения длин соседних интервалов качественно подтверждают известные ранее результаты, однако использование усовершенствованной модели влияния СОН позволило повысить точность оценки величины деградации на 1 - 3 дБ;

- при использовании оборудования с АРМП применение стандартных антенн в условиях, когда длины соседних интервалов не меньше длины рассматриваемого интервала, возможно лишь в случае, если диапазон АРМП не менее 20 дБ, а в случае коротких соседних интервалов - не менее 25 дБ, поэтому диапазон АРМП 20 дБ, используемый в большинстве радиорелейных систем, во многих случаях может оказаться недостаточным;

- при использовании антенн НР для эффективного ослабления помех от сигналов обратного направления диапазон АРМП, как правило, должен быть не меньше 10 - 15 дБ.

При построении ответвлений от существующих ЦРРЛ в процессе развития сетей связи необходимо обеспечить не только выполнение требований к качественным показателям на самом ответвлении, но и минимальное влияние этого ответвления на качество передачи информации на основной (существующей) ЦРРЛ. С целью исключения взаимного влияния на ответвлении и смежных интервалах основной ЦРРЛ обычно используются разные частоты, т.е. построение ответвления требует использования дополнительных частот. Между тем, во многих случаях можно ограничиться использованием лишь одной пары частот, как на интервалах основной линии, так и на ответвлении.

Были выполнены вычислительные эксперименты, целью которых являлось исследование зависимости увеличения деградации запаса на замирания на интервалах основной ЦРРЛ из-за влияния дополнительных помех, создаваемых ответвлением, от величины угла между трассой основной линии и ответвлением и диапазона АРМП, используемой на ответвлении (рис. 3, 4).

Результаты экспериментов позволили сделать следующие выводы:

- для ЦРРЛ средней емкости в диапазонах частот 7 и 8 ГГц при одинаковой поляризации радиоволн на интервалах основной линии и ответвлении увеличение деградации этого запаса за счет влияния ответвления не превышает 7 - 8 дБ, если угол между трассой основной линии и ответвлением не меньше примерно , и не превышает 2 - 3 дБ, если указанный угол не меньше примерно ;

- в случае использования разной поляризации на основной линии и ответвлении при аналогичных условиях увеличение деградации запаса на замирания на интервалах основной линии не превышает 5 - 6 дБ, если угол между трассой основной линии и ответвлением не меньше примерно , и не превышает 2 - 3 дБ, если указанный угол не меньше примерно , при условии, что длина ответвления не меньше длин смежных интервалов основной линии; в случае коротких ответвлений увеличение деградации запаса на замирания не превышает 7 - 8 дБ, если угол между трассой основной линии и ответвлением не меньше примерно , и не превышает 2 - 3 дБ, если указанный угол не меньше ;

- возможность повторного использования частот на ответвлении зависит от угла излома трассы основной ЦРРЛ на узловой станции, при этом угол между соседними интервалами основной линии должен удовлетворять условию: , где - наименьшее значение угла между трассой основной линии и ответвлением, соответствующее допустимой величине увеличения деградации запаса на замирания на интервалах основной ЦРРЛ;

- как в случае одинаковой, так и в случае разной поляризации радиоволн наименьшее увеличение деградации достигается в случае примерно одинаковых длин интервалов основной линии и ответвления при условии, что везде используются одинаковые антенны;

- в случае коротких ответвлений при использовании как одинаковой, так и разной поляризации меньшее увеличение деградации достигается за счет уменьшения мощности передатчиков на ответвлении вместо уменьшения размеров используемых антенн;

- в случае использования на ответвлении оборудования с АРМП наименьшие возможные значения угла между трассой основной ЦРРЛ и ответвлением существенно уменьшаются: при диапазоне АРМП 10 дБ увеличение деградация не превышает 5 - 6 дБ при углах не менее и 2 - 3 дБ при углах не менее , при диапазоне 20 дБ увеличение деградации не превышает 5 - 6 дБ при углах не менее и 2 - 3 дБ при углах не менее .

Полученные результаты подтверждают возможность повторного использовании частот на ответвлениях даже в случае оборудования без АРМП при условии строгого учета влияния дополнительных внутрисистемных помех в каждом конкретном случае.

Были проведены исследования влияние помех узлообразования при повторном использовании частот на моделях сетей радиосвязи со звездообразной топологией. В рассматриваемом случае деградация запаса на замирания для каждого луча зависит от помех, создаваемых всеми другими лучами звезды. При этом для направления передачи от оконечной (ОС) к узловой (УС) станции средняя суммарная мощность помех узлообразования на входе приемника УС j-го луча звезды определяется выражением, дБм:

, (4)

где - мощность мешающего сигнала от передатчика ОС i-го луча на входе приемника УС j-го луча, дБм; - общее число лучей звезды.

Целью выполненных вычислительных экспериментов являлось исследование зависимости деградации запаса на замирания на интервалах сетей радиосвязи со звездообразной топологией от величины угла между соседними лучами для моделей сетей с разным числом лучей при использовании одинаковой и разной поляризации радиоволн (рис. 5).

При этом рассматривались различные модели сетей со звездообразной топологией в диапазоне частот 15 ГГц с пропускной способностью лучей

34 Мбит/с (16Е1). Полученные результаты позволяют сделать следующие основные выводы:

- при использовании одинаковой поляризации на всех лучах величина деградации запаса на замирания не зависит от числа лучей, если угол между ближайшими соседними лучами не менее при числе лучей от 3 до 8 и не менее при числе лучей от 5 до 8;

- при использовании одинаковой поляризации величина деградации запаса на замирания не превышает 1 - 1,5 дБ при числе лучей 3 - 5, если угол между ближайшими соседними лучами не менее примерно , не превышает 3 дБ при числе лучей 3 - 7, если угол между ближайшими соседними лучами не менее примерно , и не превышает 6 дБ при числе лучей 3 - 8, если угол между ближайшими соседними лучами не менее ;

- заметная зависимость деградации запаса на замирания от числа лучей проявляется лишь при малых углах между соседними лучами, не превышающих примерно ;

- при использовании разной поляризации на соседних лучах минимальные углы между соседними лучами, соответствующие заданной деградации, существенно уменьшаются: так деградация не превышает 1 - 1,5 дБ при числе лучей 4, 6 и 8, если угол между соседними лучами не менее примерно ; не превышает 6 дБ, если при 6 или 8 лучах угол не менее , а при 4-лучевой модели - не менее примерно .

Сложный характер зависимости деградации запаса на замирания в системах с повторным использованием частот от топологических и топографических характеристик, характеристик направленности и высот подвеса антенн, энергетических характеристик приемопередающего оборудования, используемых видов поляризации радиоволн и диапазона частот обуславливает важность задач оптимизации выбора мощностей передатчиков, высот подвеса и размеров используемых антенн, а также частотно территориального планирования при проектировании строящихся и реконструируемых систем радиосвязи.

Во второй главе рассмотрены решения основных задач многовариантной оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ с учетом влияния внутрисистемных помех: оптимизация мощностей передатчиков, оптимизация высот подвеса антенн, совместной оптимизация выбора антенн и высот их подвеса, а также оптимизации характеристик одноинтервального ответвления от существующей ЦРРЛ.

Рассматривается задача нахождения заданного числа ранжированных лучших решений при оптимизации выбора мощностей передатчиков (МП) на многоинтервальных ЦРРЛ с двухчастотными планами. При этом учтены влияние мешающих сигналов обратного направления (СОН) и существующие требования к обоим нормируемым показателям качества передачи информации: показателю качества по ошибкам для сильно пораженных секунд (показателю SESR) и показателю неготовности. Математическая модель задачи многовариантной оптимизации МП имеет вид:

найти такие УП-МП , , для которых средняя МП

, (5)

при условиях:

, ; (6)

; ; (7)

; , (8)

здесь K - заданное число отыскиваемых ранжированных лучших решений задачи; N - число интервалов на ЦРРЛ; - упорядоченная последовательность МП (УП-МП) на интервалах ЦРРЛ; - дискретное множество всех возможных УП-МП на ЦРРЛ; - МП, входящая в ; - УП-МП, соответствующая k-му ранжированному лучшему решению задачи; - МП на интервале n, входящая в состав УП-МП ; - множество УП-МП, на котором определяется k-е ранжированное лучшее решение; - минимальное значение МП на интервале n, учитывающее требования к показателям качества передачи на данном интервале и влияние СОН от соседних интервалов; и - минимальные значения МП на крайних интервалах: первом и последнем; - множество УП-МП, состоящее из k лучших решений.

Минимальное значение МП на интервале n

, (9)

где - минимальное значение МП на интервале n без учета СОН; - величина деградации запаса на замирания на интервале n.

При небольшой размерности задача (5) - (8) может быть решена методом простого перебора вариантов решения. Однако в реальных условиях проектирования многоинтервальных ЦРРЛ с большим числом интервалов метод простого перебора неприменим из-за чрезвычайно большого объема необходимых вычислений. Учитывая сепарабельный характер функций, входящих в условия (6) и (7), для решения рассматриваемой задачи использован многовариантный метод динамического программирования.

Функциональное уравнение многовариантного динамического программирования в данном случае имеет вид:

(10)

где ; - номер ранжированной условно лучшей УП-МП на участке, включающем интервалы: (n+2), (n+3), …, N, а - соответствующее значение условно минимальной средней МП; - множество, на котором определяется -я ранжированная условно лучшая УП-МП при фиксированном ,

,

; элементами множества являются пары , при этом = ; = \, где - множество всех возможных пар ; - множество () ранжированных условно лучших УП-МП.

Одной из основных задач при проектировании строящихся и реконструируемых многоинтервальных ЦРРЛ является выбор высот подвеса антенн.

Задача многовариантной оптимизации высот антенн на многоинтервальных ЦРРЛ с двухчастотными планами решается на основе принципа минимума затрат, т.е. находится заданное число ранжированных лучших решений, для которых суммарные затраты на все антенные опоры минимальны при условии выполнения существующих критериев допустимости пар высот антенн на отдельных интервалах с учетом влияния СОН. При этом учтена зависимость показателей качества передачи на каждом отдельном интервале как от высот антенн на рассматриваемом интервале так и от высот антенн на обоих соседних интервалах, что обеспечивает возможность учета потерь распространения для мешающих сигналов и статистическую зависимость замираний полезных и мешающих сигналов.

При решении данной задачи полагалось, что заданы места расположения радиорелейных станций, характеристики радиорелейного оборудования и характеристики направленности антенн.

Разработаны математическая модель, основанная на принципе минимума затрат, и основанный на многовариантном динамическом программировании алгоритм нахождения нескольких ранжированных лучших решений задачи оптимизации выбора высот подвеса антенн на многоинтервальных ЦРРЛ с двухчастотными планами.

При совместной оптимизации выбора размеров антенн и высот их подвеса могут быть обеспечены наименьшие затраты на антенно-мачтовые сооружения (АМС) на ЦРРЛ.

Для решения задачи совместной многовариантной оптимизации на многоинтервальных ЦРРЛ с двухчастотными планами также разработаны математическая модель и основанный на многовариантном динамическом программировании алгоритм нахождения нескольких ранжированных лучших решений. Как и задача оптимизации высот антенн, задача совместной многовариантной оптимизации решается на основе принципа минимума затрат, однако в данном случае находится заданное число ранжированных лучших решений, для которых суммарные затраты на все антенны и антенные опоры минимальны при условии выполнения существующих критериев допустимости пар высот антенн на отдельных интервалах с учетом влияния СОН.

Для автоматизации решения задач многовариантной оптимизации выбора высот подвеса антенн и совместной оптимизации выбора размеров антенн и высот их подвеса на многоинтервальных ЦРРЛ разработана программа МО-ПАВП.

Произведена оценка верхней границы объема необходимых вычислений при решении всех трех рассмотренных задач многовариантной оптимизации построения многоинтервальных ЦРРЛ с линейной топологией методом многовариантного динамического программирования (МВДП). Указанный объем вычислений определяется числом проверок допустимости изменяемых характеристик на интервалах, числом вычислений текущих значений целевой функции и числом сравнений этих значений при их ранжировании и отборе заданного числа наименьших значений. Показано, что в сравнении с методом простого перебора метод МВДП обеспечивает большой выигрыш в объеме вычислений, причем выигрыш быстро возрастает с увеличением числа интервалов на ЦРРЛ, что позволяет находить достаточно большое число ранжированных лучших решений рассмотренных задач многовариантной оптимизации при проектировании ЦРРЛ практически любой протяженности в условиях большой вариантности изменяемых характеристик интервалов.

Задачи оптимизации характеристик ответвления от основной (существующей) ЦРРЛ рассматриваются в предположении, что местоположение оконечной станции ответвления задано, на основной ЦРРЛ и ответвлении используется единый двухчастотный план распределения частот и высота опоры на узловой станции определяется высотой подвеса на ней верхней антенны основной ЦРРЛ.

Разработано математическое обеспечение для решения задач многовариантной оптимизации мощности передатчиков на ответвлении, размеров антенн, а также высот их подвеса на узловом и удаленном концах ответвления. При решении этих задач учтены не только существующие требования к показателям качества передачи на ответвлении и взаимное влияние интервалов основной ЦРРЛ и ответвления, но и влияние ответвления на региональную электромагнитную обстановку, а также ожидаемые затраты на строительство ответвления. Рассмотрены случаи одинаковой и разной поляризации радиоволн на интервалах основной РРЛ и ответвлении. Предложена методика совместной оптимизации выбора мощности передатчиков, размеров антенн и высот их подвеса на ответвлении.

В третьей главе рассматриваются задачи многовариантной оптимизации построения местных и технологических сетей фиксированной радиосвязи со звездообразной и кольцевой топологией: оптимизация мощностей передатчиков на сетях со звездообразной топологией, совместная оптимизация мощностей передатчиков и частотно - территориальных планов на сетях со звездообразной топологией, оптимизация выбора трасс для сетей с кольцевой топологией, оптимизация высот антенн на сетях с кольцевой трассой.

Задача многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на сетях со звездообразной топологией решается в предположении использования на всех лучах звезды одной и той же пары частот, что обуславливает взаимное влияние всех лучей друг на друга и связанную с этим необходимость совместного рассмотрения характеристик всех лучей. Указанное влияние зависит от числа лучей, их длины и углов между ними, характеристик направленности антенн, мощностей передатчиков, используемых видов поляризации радиоволн на интервалах (лучах).

Рассматриваемая задача оптимизации решается с учетом влияния внутрисистемных помех и существующих требований к обоим нормируемым показателям качества передачи информации: показателю SESR и показателю неготовности. Математическая модель задачи многовариантной оптимизации мощностей передатчиков может быть записана следующим образом: требуется найти такие упорядоченные последовательности МП (УП-МП) , , для которых средняя МП, усредненная по всем лучам,

(11)

при условиях:

, ; (12)

, ; (13)

; , . (14)

В выражениях (11) - (14): - возможное значение мощности передатчиков (МП) на j-м луче, ; - УП-МП на лучах сети; - дискретное множество всех возможных УП-МП на сети; - УП-МП, соответствующая k-му ранжированному лучшему решению задачи; - МП на j-м луче, входящая в состав УП-МП ; - множество УП-МП, на котором определяется k-е ранжированное лучшее решение; - множество УП-МП, состоящее из k лучших решений; - запас на плоские многолучевые замирания на j-м луче, соответствующий и зависящий от энергетических характеристик только этого луча, дБ; и - величины деградации запаса на замирания на j-м луче для направлений передачи от ОС к УС и от УС к ОС, соответствующие , зависящие от энергетических характеристик всех лучей, а также от различия азимутов лучей, дБ; - минимально допустимое значение запаса на плоские замирания на j-м луче, зависящее от требований к показателям качества передачи, параметров сигнатурной характеристики оборудования и региональной статистики радиоклиматических параметров; - множество (k - 1) ранжированных лучших УП-МП.

Алгоритм решения задачи (11) - (14) предусматривает выполнение двух этапов.

На первом этапе формируется множество значений , удовлетворяющих условию , .

На втором этапе решается собственно задача оптимизации МП на сети со звездообразной топологией. Учитывая несепарабельный характер функций, входящих в условия - ограничения (12) - (14), для решения рассматриваемой задачи оптимизации следует использовать метод прямого перебора допустимых вариантов решения. При этом с целью уменьшения объема вычислений следует использовать относительную коррекцию полученных на предшествующем шаге результатов расчета.

Задача многовариантной совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на сети со звездообразной топологией и с повторным использованием частот также решается с учетом влияния внутрисистемных помех и существующих требований к обоим нормируемым показателям качества передачи информации. При этом в качестве критерия оптимальности также используется минимум средней мощности передатчиков на лучах, усредненной по всем лучам звезды.

Структура математической модели задачи совместной оптимизации аналогична структуре модели (11) - (14), а алгоритм решения аналогичен алгоритму оптимизации мощностей передатчиков, с той лишь разницей, что в данном случае из-за неизбежного увеличения размерности задачи существенно возрастает объем необходимых вычислений. Это обуславливает необходимость соответствующего уменьшения вариантности МП на лучах, что ведет к снижению точности решения задачи оптимизации. Объем необходимых вычислений может быть существенно уменьшен, если перейти от задачи совместной оптимизации МП и ЧТП к решению последовательности задач оптимизации только МП для разных, однозначно заданных и предварительно ранжированных вариантов ЧТП. При таком подходе обеспечивается нахождение минимального числа необходимых пар частот на сети и, следовательно, наибольшая эффективность использования частотного ресурса.

Для автоматизированного решения обеих рассмотренных задач многовариантной оптимизации: задачи оптимизации мощностей передатчиков и задачи совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно - территориального планирования разработана прикладная программа «Звезда». Данная программа позволяет находить до 1000 ранжированных лучших решений обеих указанных задач оптимизации и может быть использована при проектировании местных и технологических сетей радиосвязи со звездообразной топологией в диапазонах частот от 2 до 23 ГГц.

Задача оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией решена на основе принципа минимума затрат. При заданном положении пунктов, которые должны быть соединены, и выбранном типе радиорелейного оборудования затраты на строительство сети, зависящие от выбора ее топологии, определяются в основном стоимостью антенных опор, которая зависит от необходимых высот подвеса антенн. Поэтому в качестве критерия оптимальности выбран минимум суммарных затрат на все антенные опоры.

Разработана методика оптимизации выбора трасс местных и технологических сетей радиосвязи с кольцевой топологией, в соответствии с которой решение рассматриваемой задачи выбора оптимального варианта кольцевой топологии сети включает 3 этапа.

На первом этапе формируется множество звеньев - интервалов, соединяющих заданные пункты связи, которые предположительно могут быть включены в трассу кольцевой ЦРРЛ, с учетом протяженности интервалов, допустимости максимально возможных высот подвеса антенн, выполнения требований к показателям качества передачи без учета влияния внутрисистемных помех. На втором этапе формируются несколько предпочтительных вариантов кольцевой трассы, из числа которых и должен быть выбран оптимальный вариант. При этом, во-первых, необходимо исключить варианты сети с большими углами излома трасс соседних интервалов, чтобы свести к минимуму влияние СОН при недостаточном их ослаблении за счет диаграмм направленности антенн, во-вторых, необходимо обеспечить достаточную зигзагообразность на трехинтервальных участках трассы в обоих направлениях, чтобы исключить сильное влияние помех от сигналов прямого прохождения с первой станции на четвертую. На третьем этапе вначале для каждого из отобранных вариантов трассы определяются минимально возможные затраты на все антенные опоры, после чего выбирается оптимальный вариант кольцевой трассы, которому соответствуют наименьшая величина указанных затрат, или несколько ранжированных лучших вариантов, из числа которых выбирается наилучший с учетом дополнительных неформальных ограничений.

При выполнении третьего этапа решается задача оптимизации выбора высот подвеса антенн на сети с кольцевой топологией. Разработаны математическая модель, методика и алгоритм решения задачи оптимизации выбора высот подвеса антенн на трассах с кольцевой топологией. При этом в процессе оптимизации рассматриваются лишь пары высот антенн (ПВА), допустимые с точки зрения критериев, основанных на величинах просвета при средней рефракции и субрефракции радиоволн. С учетом сепарабельности и большой размерности рассматриваемой задачи в реальных условиях для ее решения использован метод динамического программирования. В отличие от оптимизации высот антенн на линейной трассе оптимизация на кольцевой трассе предусматривает выполнение цикла вычислений условно минимальной суммарной стоимости всех антенных опор для каждой допустимой (ПВА) на одном из интервалов.

Четвертая глава посвящена оценке эффективности разработанных методов и алгоритмов оптимизации построения цифровых радиолиний и сетей радиосвязи.

Для оценки эффективности алгоритма оптимизации высот антенн с использованием программы МО-ПАВП выполнены вычислительные эксперименты, целью которых было нахождение минимально возможных затрат на антенные опоры, соответствующих 99 ранжированным лучшим совокупностям высот антенн, для двух (15 и 16-и интервальных) реальных существующих магистральных РРЛ ОАО «Ростелеком», и сравнение полученных затрат с затратами на существующие опоры указанных РРЛ.

Результаты выполненных экспериментов, во-первых, подтверждают высокую эффективность оптимизации выбора высот антенн на многоинтервальных РРЛ: для двух рассмотренных РРЛ относительное уменьшение суммарных затрат на опоры составило 7,27 и 8,85 %, во-вторых, показывают, что наряду с оптимальной существует достаточно большое число лучших ранжированных совокупностей высот антенн, для которых стоимость опор либо не отличается, либо незначительно отличается от стоимости для оптимальной совокупности. Последнее обстоятельство обеспечивает широкие возможности для учета дополнительных неформальных или трудно формализуемых ограничений в реальных условиях проектирования и строительства многоинтервальных РРЛ.

Для оценки эффективности оптимизации характеристик ответвления на различных моделях основной ЦРРЛ с ответвлением были выполнены вычислительные эксперименты с использованием программы «Звезда». В указанных экспериментах рассматривались модели основной (существующей) многоинтервальной ЦРРЛ с одноинтервальным ответвлением и учитывалось взаимное влияние интервалов основной линии и ответвления на показатели качества передачи. При проведении экспериментов рассматривались среднескоростные ЦРРЛ диапазона 8 ГГц. Эффективность оптимизации мощности передатчиков на ответвлении оценивалась разностью между ее номинальным значением и значением, полученным в результате оптимизации, при условии выполнения требований к показателям качества передачи на интервалах основной линии и на ответвлении.

Результаты проведенных экспериментов представлены на рисунках. На рис. 6 приведены зависимости уменьшения мощности передатчиков на ответвлении от угла между трассой основной ЦРРЛ и ответвлением для разных длин ответвления = 15, 30 и 45 км и соответственно разных диаметров антенн на ответвлении = 1,2, 1,8 и 2,4 м при одинаковой (сплошные линии) и разной (пунктирные линии) поляризации радиоволн на основной линии и ответвлении. При этом полагалось, что длины всех интервалов основной ЦРРЛ одинаковы и равны 30 км, а диаметры всех антенн на основной линии d = 1,8 м. На рис. 7 представлены аналогичные зависимости для разных вариантов выбора диаметров антенн на узловом () и удаленном () концах ответвления при использовании на основной ЦРРЛ и ответвлении одинаковой и разной поляризации радиоволн. При этом полагалось, что длины всех интервалов основной ЦРРЛ и ответвления одинаковы и равны 45 км, а диаметры всех антенн на основной линии d = 1,8 м.

Полученные графические зависимости позволяют сделать следующие основные выводы:

- оптимизация мощности передатчиков на ответвлении обеспечивает существенное уменьшение этой мощности по сравнению с номинальным значением, причем величина выигрыша возрастает с увеличением угла между трассой основной РРЛ и ответвлением;

- использование на основной РРЛ и ответвлении разной поляризации радиоволн обеспечивает существенное уменьшение величины наименьшего угла между ними, при котором выполняются требования к показателям качества передачи;

- в случае одинаковой поляризации радиоволн заметное уменьшение мощности передатчиков на ответвлении за счет оптимизации имеет место начиная со значений углов между существующей ЦРРЛ и ответвлением порядка , при больших значениях угла величина уменьшения мощности быстро возрастает, достигая 12 - 19 дБ при углах более ;

- в случае использования на ответвлении кроссполяризации мощность передатчиков уменьшается на 4 - 13 дБ уже при углах и достигает 12 - 18 дБ при углах ;

- в случае одинаковой поляризации радиоволн минимальный угол между ответвлением и существующей ЦРРЛ, при котором выполняются требования к показателям качества передачи на основной РРЛ и ответвлении, лежит в пределах от для коротких ответвлений до для ответвлений большой протяженности;

- в случае разной поляризации радиоволн минимальный угол между ответвлением и существующей ЦРРЛ лежит в пределах ;

- наилучшим вариантом выбора антенн на ответвлении с точки зрения уменьшения мощности передатчиков является использование на узловом конце антенны большого диаметра при малом диаметре антенны на удаленном конце.

С использованием программы «Звезда» выполнены также вычислительные эксперименты для оценки эффективности многовариантной оптимизации мощностей передатчиков на интервалах сетей со звездообразной топологией.

Эксперименты проводились в предположении использования диапазона частот 15 ГГц, радиорелейного оборудования средней емкости с типовыми энергетическими характеристиками и одинаковых для всех лучей антенн диаметром 1,2 м на узловой станции и 0,6 м на всех оконечных станциях. При проведении экспериментов использовались модели сетей с различным числом лучей одинаковой длины 20 км и одинаковыми углами между соседними лучами. Эффективность оптимизации мощностей передатчиков (МП) оценивалась величиной уменьшения средней МП за счет оптимизации при условии выполнения требований к показателям качества передачи на всех лучах.

Результаты проведенных экспериментов, отраженные на рис. 8 и 9 (сплошные линии - одинаковая поляризация на соседних лучах; пунктир - разная поляризация), позволяют сделать следующие основные выводы:

- оптимизация мощностей передатчиков в большинстве случаев обеспечивает резкое снижение средней излучаемой мощности на звездообразной сети, достигающее 8 - 10 дБ при углах между соседними лучами не менее , что существенно улучшает региональную электромагнитную обстановку;

- для рассмотренных моделей сети существенное различие между уровнями средней мощности передатчиков для разного числа лучей проявляется лишь при углах между соседними лучами, не превышающих примерно ; при этом указанное различие возрастает с уменьшением угла;

- использование чередования видов поляризации на соседних лучах обеспечивает существенное уменьшение минимального угла между соседними лучами, при котором выполняются требования к показателям качества передачи; при этом зависимость средней мощности передатчиков от числа лучей проявляется лишь для углов, меньших примерно 10 градусов.

- монотонно убывающая зависимость уменьшения средней мощности передатчиков от номера лучшего решения имеет плавный характер (средние мощности, соответствующие 1 и 100 решениям, отличаются не более чем на 1,5 дБ для всех рассмотренных случаев за исключением 4-лучевой звезды с одинаковой поляризацией, когда указанное отличие составляет 2,5 дБ), это позволяет иметь достаточно большое количество альтернативных проектных решений и обеспечивает широкие возможности учета дополнительных неформальных ограничений при оптимизации построения звездообразных сетей;

- при не очень больших номерах ранжированных лучших решений, не превышающих примерно 100, зависимость средней мощности передатчиков от числа лучей имеет ожидаемый характер: с увеличением числа лучей средняя мощность возрастает, причем с ростом номера решения это возрастание замедляется;

- при больших номерах ранжированных лучших решений, превышающих примерно 100, зависимость средней мощности передатчиков от числа лучей имеет неожиданный характер: с увеличением числа лучей средняя мощность убывает, причем с ростом номера решения это убывание становится все более ощутимым.

Были также выполнены вычислительные эксперименты с целью оценки эффективности оптимизации частотно территориального планирования на сетях со звездообразной топологией. Целью указанных экспериментов было исследование возможности использования одной пары частот на сетях с разным числом лучей и разными углами между соседними лучами при одинаковой и разной поляризации радиоволн на этих лучах при условии выполнения существующих требований к показателям качества передачи на всех лучах. При проведении этих экспериментов использовались модели сетей с числом лучей от 2 до 20 и одинаковыми углами между соседними лучами, лежащими в пределах градусов. Полагалось, что все лучи являются сухопутными и пересеченными, а длины всех лучей одинаковы и равны 20 км.

В результате проведенных экспериментов найдены наименьшие значения углов между соседними лучами для разного числа лучей при использовании одинаковой и разной поляризации радиоволн на соседних лучах. Основные выводы по этим экспериментам:

- при использовании всего одной пары частот на сети со звездообразной топологией можно обеспечить достаточно большое число лучей при выполнении требований к показателям качества для местных и технологических сетей связи;

- определяющую роль с точки зрения возможного числа лучей играют диаграммы направленности антенн, причем как основная, так и кроссполяризационная;

- использование разной поляризации радиоволн на соседних лучах сети позволяет существенно уменьшить минимальный возможный угол между этими лучами;

- следует отметить слабую зависимость наименьшего угла между соседними лучами от числа лучей, особенно при большом их числе.

В качестве примера оценки эффективности совместной оптимизации мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на сетях со звездообразной топологией для реальной 5-интервальной сети технологической связи ООО «Кубаньгазпром» со звездообразной топологией найдено оптимальное распределение мощностей передатчиков на интервалах при наименьшем числе используемых пар частот и выполнении существующих требований к нормируемым показателям качества передачи. Полученные при этом результаты позволяют уменьшить необходимое число пар частот с двух до одной и существенно снизить среднюю мощность передатчиков в сети: с 25 дБм до 13,8 дБм для первого лучшего решения и до 17,0 дБм для 1000-го решения. При этом относительно небольшое увеличение средней мощности передатчиков с увеличением номера ранжированного лучшего решения задачи обуславливает широкие возможности учета дополнительных неформальных условий-ограничений.