Косичкина Татьяна Павловна. Исследование и разработка методов передачи и приема информации сверхширокополосными сигналами в системах радиодоступа

brief description

Косичкина Татьяна Павловна. Исследование и разработка методов передачи и приема информации сверхширокополосными сигналами в системах радиодоступа : Дис. ... канд. техн. наук : 05.12.13 : Москва, 2004 115 c. РГБ ОД, 61:05-5/1839

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ
На правах рукописи
Косичкина Татьяна Павловна
Исследование и разработка методов передачи и приёма информации сверхширокополосными сигналами в системах радиодоступа
Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель - к.т.н, проф. каф. РТС МТУ СИ
В. С. Сперанский

Москва, 2004 
Оглавление
Введение 5
Глава 1. Применение сверхширокополосных сигналов в системах радио-доступа 10
1.1. Анализ существующих систем радиодоступа 10
1.2. Особенности сверхширокополосных сигналов и систем 12
1.3. Обзор существующих СШП радиосистем передачи информации 17
1.4. Особенности излучения и распространения сверхширокополосных сигналов 19
Глава 2. Вопросы электромагнитной совместимости СШП систем радио-доступа. 23
2.1. Эффективность использования радиочастотного спектра 23
2.2. Алгоритм определения ЭМС СШП систем радиодоступа с другими радиосистемами, работающими в том же частотном диапазоне 29
2.3. Расчет ЭМС системы радиодоступа с СШП сигналами 33
2.3.1. Ограничения на излучаемую мощность СШП систем радиодос¬тупа 33
2.3.2. Выбор частотного диапазона для СШП систем радиодоступа 35
2.3.3. Пропускная способность СШП радиосистем при заданных огра¬ничениях на уровень излучения. 37
Глава 3. Анализ систем радиодоступа с СШП сигналами 47
3.1. Особенности применения различных методов разделения каналов в СШП системах радиодоступа 47
%
3.2. Виды модуляции СШП сигналов 53 
з
3.2.1. Амплитудная модуляция импульсов
3.2.2. Модуляция длительности импульсов
3.2.3. Модуляция положения импульсов
3.2.4. Фазовая модуляция импульсов в виде отрезков гармонических колебаний
3.3. Разработка СШП системы радиодоступа с высокой скоростью пере¬дачи данных
Глава 4. Особенности формирования и демодуляции квадратурных СШП радиосигналов
4.1. Комплексное представление СШП сигналов
4.2. Демодуляция квадратурных СШП сигналов
4.3. Формирование квадратурного СШП сигнала. Квадратурно-импульсная модуляция
Глава 5. Исследование энергетических спектров сверхширокополосных сигналов
5.1. Общая методика исследования
5.2. Аналитические исследования энергетических спектров
5.2.1. Амплитудная модуляция
5.2.2. Модуляция импульсов по длительности
5.2.3. Модуляция импульсов по положению
5.3. Исследование энергетических спектров СШП сигналов с помощью моделирования
5.3.1. Амплитудная модуляция
5.3.1. Модуляция по длительности импульса
5.3.3. Модуляция импульсов по положению
5.4. Спектральная плотность мощности СШП сигналов с квадратурной
модуляцией. Спектральная эффективность СШП сигналов 100
Заключение 104
Приложение. Вычисление спектральной плотности мощности СШП сиг¬налов 106
Библиографический список 109
Список сокращений 118
Введение
Одной из потребностей нашего времени является постоянно растущая необходимость в передаче больших потоков информации на значительные расстояния. При этом сово¬купность систем связи превращается в единый комплекс передачи, приёма и обработки информации, в котором используются новейшие технологические достижения проводной и беспроводной связи. Такие комплексы должны обеспечивать поддержку передачи раз¬личных видов информации: данных, видео, речевых сообщений. Исследования и разра¬ботки, ведущиеся во всём мире, определяют следующее поколение беспроводных широ¬кополосных мультимедиа сетей связи, которые в будущем создадут, так называемое, «глобальное информационное пространство». Основная концепция глобального информа¬ционного пространства состоит в том, что его составляют системы различного масштаба: от глобальных до пикосотовых структур. В то время как современные системы связи пре-имущественно ориентированы на выполнение какой-либо одной функции, например, пе¬редача речи в мобильной связи или высокоскоростная передача данных в беспроводных локальных сетях, системы связи следующего поколения будут интегрировать различные функции и приложения. Такие системы будут создаваться как на основе существующих технологий и средств, так и на основе новых технологий, среди которых различные тех¬нологии радиодоступа.
Системы радиодоступа предназначены для оперативного и относительно недорогого варианта расширения зон охвата сетями общего пользования территорий, для которых развертывание проводной (кабельной) сети не представляется целесообразным и/или возможным.
Использование средств беспроводной радиосвязи имеет ряд преимуществ, среди ко¬торых [82]:
• Возможность подключения там, где прокладка кабеля невозможна или слишком до¬рого стоит;
• Высокая скорость передачи информации по радиоканалу;
• Возможность подключать как отдельных абонентов, так и локальные сети;
• Краткие сроки развёртывания и ввода в эксплуатацию.
• Возможность изменить местоположение точки доступа пользователя с сохранением подключения;
• Возможность организовать по одному радиоканалу и доступ в Интернет и передачу голосового трафика (связь по одному радиоканалу);
• Экономическая эффективность получения услуг по радиоканалу;
• Относительно низкая себестоимость;
• Устойчивая связь с подвижными объектами;
• Надёжная работа в любых климатических условиях;
• Конфиденциальность передачи информации, обеспечиваемая применением различ¬ных способов кодирования.
Радиодоступ стационарных и мобильных абонентов к сетям общего пользования может быть реализован на основе существующих и широко внедряемых в России радио¬технологий, основанных на международных стандартах и принятых в качестве Феде¬ральных, либо разрешенных к применению на территории страны. В данной работе иссле¬дуются возможности применения сверхширокополосной (СШП) технологии для создания систем радиодоступа, для чего рассматриваются различные характеристики систем, в ко¬торых применяются СШП сигналы.
Основными характеристикам многоканальных систем передачи информации являют¬ся: требуемая полоса частот, число каналов, скорость передачи информации помехоустой¬чивость, дальность действия. Содержание работы направлено на исследование этих ха¬рактеристик, а также методов формирования и обработки сигналов в СШП системах. Особое внимание уделено также вопросам электромагнитной совместимости СШП систем с узкополосными радиосистемами, работающими в этом же частотном диапазоне.
Цель диссертационной работы
Целью данной диссертационной работы является оценка возможности использования СШП сигналов для организации высокоскоростного обмена данными малоподвижных абонентов локальной сети между собой, а также для доступа абонентов к общим сетям различного назначения. При этом предполагается использование радиочастотного ресурса на вторичной основе. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1) рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) СШП радио¬систем с радиосистемами, работающими в том же частотном диапазоне, а также выбор частотного диапазона для СШП систем радиодоступа;
2) оценивается дальность действия и пропускная способность указанных систем при заданных условиях ЭМС;
<» 3) рассматриваются возможные методы модуляции СШП сигналов и методы разде¬
ления каналов в устройствах радиодоступа;
4) исследуется спектральная плотность мощности и спектральная эффективность СШП сигналов с различными видами модуляции,
5) исследуется возможность повышения спектральной эффективности СШП сигналов за счет применения квадратурных методов модуляции.
Основные результаты диссертационной работы получены с помощью применения теории сигналов и спектрального анализа, теории статистической радиотехники, а также методов математического моделирования и классических разделов математического ана¬лиза.
Научная новизна работы
1. Показано, что при использовании СШП сигналов для организации высокоскоро-стного радиодоступа в локальных сетях целесообразно использовать принципы временного разделения каналов.
* 2. Рассмотрен метод демодуляции, позволяющий использовать квадратурные мето¬
ды модуляции СШП сигналов.
3. Предложено применять квадратурно-импульсную модуляцию СШП сигналов.
Практическая значимость результатов работы
В результате проделанной работы получены результаты, которые дают ответ на во¬прос о возможности применения СШП сигналов, а также технической реализации СШП систем радиодоступа, обеспечивающих достижение вышеуказанных целей.
1. Показана целесообразность применения СШП сигналов в системах радиодоступа для повышения эффективности использования радиочастотного спектра.
2. Определены требования к частотному диапазону для СШП систем радиодоступа.
3. Определена пропускная способность СШП систем радиодоступа.
4. Показана возможность повышения спектральной эффективности СШП сигналов и пропускной способности СШП систем за счет применения квадратурных методов модуляции.
Полученные в работе научные результаты дают возможность осуществить практиче¬скую разработку систем радиодоступа с высокоэффективным использованием частотного
* ресурса, что обеспечит повышение технико-экономической эффективности таких систем.
Внедрение результатов работы
Научные и практические результаты, содержащиеся в диссертационной работе вне¬дрены в практическую деятельность подразделений в/ч 71330-Т при создании специаль¬ных систем связи различного назначения (тема «Сопка»). Кроме того, результаты работы использованы при проектировании систем связи по НИР «Аспект», в частности в НИР «Исследование принципов создания перспективных систем радиосвязи с использованием кодированных последовательностей СКИ» («Аспект» - МТУСИ, 1996 г.) и «Проблемы по¬вышения помехоустойчивости сотовых систем с многостанционным доступом и времен¬ным и кодовым разделением» («Аспект» - МТУСИ, 1997 г.). Внедрение результатов дис¬сертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и полу¬чили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ (1994, 1995, 1998, 2003, 2004 г.) на LII (1997 г.) и LVIII (2003 г.) научной
* сессии НТОРЭС им. А. С. Попова (г. Москва), на Международной конференции СРСА-
2003 (Муром, 2003 г.), а также на семинаре по СШПС секции «Общая радиотехника» РНТОР и ЭС (Москва, 2002 г.).
Публикация результатов
Основные положения диссертации опубликованы в журналах «Электросвязь» (1), «Радиотехнические тетради» (1), в сборнике ЦНТИ «Информсвязь» (1), в материалах конференций НТОЭРС им. А.С. Попова (2) и других конференций (6). Всего опубликова¬но 11 работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 57j рисунка и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, приложения и библиографиче¬ского списка из 120 наименований. Во Введении обоснована актуальность диссертацион¬ной темы, сформулирована цель и направление исследований, приведены предполагаемые
конечные результаты, даны сведения об апробации и публикации основных положений работы описана структура диссертации. В Главе 1 приведен краткий обзор существую- Ф щих систем радиодоступа, а также радиосистем различного назначения, применяющих
СШП сигналы. Рассмотрено современное состояние и перспективы развития техники, ис¬пользующей СШП сигналы. Глава 2 посвящена вопросам электромагнитной совместимо¬сти систем радиодоступа с СШП сигналами и другими системами передачи информации, работающими в том же частотном диапазоне. Исследуется повышение эффективности ис¬пользования радиочастотного ресурса при использовании СШП сигналов в системах ра¬диодоступа. Рассматриваются вопросы выбора частотного диапазона для СШП систем ра¬диодоступа. Определена дальность действия систем радиодоступа с СШП сигналами. В Главе 3 рассмотрены варианты построения СШП систем радиодоступа при различных методах разделения каналов. Рассмотрены различные виды модуляции, которые можно применять в СШП системах радиодоступа. Обсуждается возможность практической реа¬лизации рассматриваемого класса систем и определяются требования к основным блокам системы. В Главе 4 исследуются особенности применения квадратурной модуляции, ра¬нее не применявшейся для передачи информации в сверхширокополосных радиосистемах. Глава 5 посвящена исследованию энергетических спектров СШП сигналов с различными видами модуляции. Рассмотрены вопросы спектральной эффективности СШП сигналов. В
*
заключении отражены основные результаты исследовании в соответствии с поставлен¬ными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.
Положения, выносимые на зашиту
1. Электромагнитная совместимость СШП радиосистем и других систем передачи информации, работающих в данном частотном диапазоне.
2. Методика оценки эффективности использования радиочастотного спектра на вто¬ричной основе.
3. Рекомендации по использованию методов модуляции, на основании анализа энер¬гетических спектров, и способов разделения каналов в СШП системах радиодосту¬па.
4. Возможность использования квадратурных методов модуляции в СШП радиосис¬темах.

bibliography

Заключение
В данной диссертации рассматривается возможность использования СШП сигналов для реализации высокоскоростной системы радиодоступа с малым радиусом действия.
Для этого проведен анализ электромагнитной совместимости СШП системы с узкопо¬лосными радиосистемами, работающими в этом же частотном диапазоне. В рамках этого определен диапазон частот СШП сигналов и максимальный радиус действия СШП сис¬тем. Проведен анализ моделей СШП сигналов с различными видами модуляции, наилуч¬шим образом подходящих для использования в системах радиодоступа, исследование энергетических спектров СШП сигналов. Наиболее существенные результаты, получен¬ные при выполнении работы, можно сформулировать следующим образом.
1. Рекомендовано выбирать частотный диапазон для СШП систем радиодоступа в пределах 1-10 ГГц, причем нижняя граница этого диапазона обусловлена условия¬ми ЭМС (перегруженностью этой части диапазона), а верхняя - возможными ис¬кажениями СШП сигнала из-за наличия резонансной линии поглощения у паров воды.
2. В системах радиодоступа нецелесообразно применять частотное разделение; при¬менение кодового разделения повышает помехоустойчивость системы, однако во столько же раз снижается скорость передачи информации. Следовательно, в систе¬мах радиодоступа, где передача ведется с высокой скоростью на небольшие рас¬стояния, целесообразно использовать временное разделение.
3. Наибольшей помехоустойчивостью, как и в традиционных (узкополосных) систе¬мах связи обладают противоположные сигналы. Спектр такого сигнала при равно¬вероятном (бинарном) распределении символов передаваемого сообщения не со¬держит дискретных составляющих. Однако, этот вид модуляции имеет низкую спектральную эффективность.
4. Рассмотрены особенности передачи и приёма сверхширокополосных сигналов с квадратурной модуляцией. Предложен метод демодуляции СШП квадратурных сигналов с помощью формирования квадратур на приемной стороне.
5. Предложено применять квадратурно-импульсную модуляцию. Показано, что при¬менение квадратурных видов модуляции повышает невысокую спектральную эф¬фективность СШП систем.
В целом, проведенное исследование доказывает принципиальную возможность и пер¬спективность использования СШП сигналов в системах радиодоступа с высокой скоро-
стью передачи информации, повышающих эффективность использования радиочастотно¬го спектра