К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 1 Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности Цель работы –Разработка методов повышения эффективности оценок характеристик систем сотовой связи в условиях плотной городской застройки Основные задачи –Проведение анализа существующих подходов к построению моделей канала, выявление недостатков и определение путей усовершенствования известных подходов. Определение требований к модели канала связи в условиях плотной городской застройки. –Разработка обобщенной модели канала, анализ основных характеристик канала связи с применением разработанной модели, вывод необходимых математических выражений. –Разработка способов оценки влияния свойств объектов среды распространения на свойства канала связи. –Анализ методов и алгоритмов обработки территориально-распределенной информации и создание необходимого набора программных средств обработки такой информации. –Выработка рекомендаций и правил построения зон обслуживания базовых станций на основе применения обобщенной модели канала связи. –Проведение компьютерного моделирования, сравнение результатов моделирования с существующими моделями.

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 2 Канал связи, система связи x - множество символов входного алфавита X y - множество кодовых символов Y z - множество сигналов Z a a b b c c i i j j k k... AB Канал связи совокупность средств, предназначенных для передачи сигнала. Канал связи любая часть системы связи, которую по условиям решаемой задачи невозможно или нежелательно изменять. Система связи Канал связи Система связи это канал связи вместе с источником сообщения и его получателем при заданных методах преобразования сообщения в сигнал и восстановления сообщения по принятому сигналу. Передающее устройство Приемное устройство Источник сообщений Кодер Моду- лятор Непре- рывный канал Демоду- лятор Де- кодер Получатель сообщений xyz x'y'z'

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 3 Распространение сигнала в условиях городской застройки Сценарные модели Существующие подходы, применяемые при моделировании канала связи Статистические модели Распределение РелеяРаспределение Райса COST207 (Cooperation in the field of Scientific and Techni- cal Research)

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 4 Недостатки существующих подходов применяемых при моделировании канала связи Статистические модели –Не учитывают реальную обстановку, или учитывают на уровне усредненных параметров распространения сигнала; –Обладают невысокой точностью; –Неприменимы для средних и малых размеров зон обслуживания. Сценарные модели –Опосредованный учет чреды распространения; –Большая вероятность расхождений результатов эксперимента и реальной обстановки. Модели с использованием ЦММ –Оценка целевых характеристик канала проводится только на основе анализа мощностных характеристик сигналов; –Не учитываются в явной форме случайные составляющие сигнала; –Не учитываются дополнительные параметры сигналов. Модели с использованием ЦММ 2D, 2D+, 3D – полезный сигнал –Учет среды распространения в явной форме. –Учет многолучевости в явной форме. –Учет флуктуации параметров сигнала. –Масштабируемость к множеству входных параметров и ограничений. –Техническая реализуемость. Требования к модели канала для условий плотной городской застройки – мощность полезного сигнала

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 5 Обобщенная модель многолучевого канала связи с использованием цифровой модели местности Определение. Принципиальными будем называть такие пути распространения сигнала от источника к приемнику, которые являются взаимно независимыми в соответствии с заданным критерием (далее критерий принципиальности). Определение. Под принципиальными сигналами (компонентами, лучами) будем понимать сигналы, достигшие приемника по принципиальным путям. Критерий принципиальности Существующие подходы: C pr = f (Значения параметров сигнала) Текущий подход: C pr = f (Значения выбранной целевой характеристики канала связи)

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 6 Обобщенная модель многолучевого канала связи с использованием цифровой модели местности (продолжение) Правила формирования модели Правило 1 Правило 2 Правило 3

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 7 Правила формирования модели (продолжение) Правило 4 Плотность распределения параметров компонент сигнала Правило 5 – Коэффициент передачи – фаза сигнала

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 8 Пропускная способность канала связи Представление сигнала в виде ряда Фурье: Пропускная способность канала для обобщенной модели канала: P с – мощность полезного сигнала; P ш – мощность шума в полосе частот F; Т э – длительность элемента сигнала. – условная полоса частот; Полезный сигнал: Пропускная способность канала связи С: Вероятность ошибки принятого сигнала Вероятности ошибки принятого сигнала : – эквивалентная мощность пары сигналов z 2 и z 1 ; – функция Крампа. Вероятность ошибки канала для обобщенной модели канала: – эквивалентная мощность пары сигналов z 2 и z 1 ;

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 9 Пропускная способность канала связи для различных способов приема Модельные параметры Мощность и пропускная способность полезного сигнала в случае интегрального приема Мощность и пропускная способность полезного сигнала в случае идеального разнесенного приема Полезный сигнал Независимый прием Способ повышения пропускной способности канала связи –Компьютерное моделирование с использованием цифровой модели местности. –Структурный анализ сигналов. Определение независимых путей. –Установка и пространственное ориентирование секторных антенн. –Обеспечение независимой обработки принимаемых сигналов в приемнике.

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 10 Результаты моделирования. Карты ЭМ полей и вероятности ошибки 1) Карта ЭМ полей при заданном положении БС 2) Карта вероятности ошибки P e (P e

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 11 Результаты моделирования. Сравнительные характеристики моделей канала 1) Отношение площадей зон обслуживания для различных моделей канала. 2) Коэффициент совпадения зон обслуживания, для различных моделей канала. 3) Суммарное число лучей в области. 4) Распределение точек приема по числу лучей 5) Среднее число лучей для полной и обобщенной моделей канала. 6) Среднее число лучей для полной и обобщенной моделей канала для областей, где число лучей > 1. (1)(2) (4)(5) (6)

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 12 Результаты моделирования. Карты пропускной способности канала для различных способов приема Карты пропускной способности 1) Вычисленные с применением полной модели канала для случая интегрального приема; 2) Вычисленные с применением полной модели канала для случая идеального приемника Рейк; 3) Вычисленные с применением полной модели канала для случая независимого приема; (1б)(2б)(3б) (1а)(2а)(3а)

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 13 Результаты моделирования. Влияние конфигурации отражающих поверхностей препятствий на свойства канала связи Отражение электромагнитной волны от неоднородной поверхности Зависимость вероятности ошибки принимаемого сигнала P e от мощности шума P n при разных значениях для случая приема единичного луча (1)(2)(3) 1) Карта вероятности ошибки для случая гладких поверхностей 2) Карта вероятности ошибки для случая негладких поверхностей 3) Карта и карта несоответствия вероятности ошибки

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 14 Метод определения зоны обслуживания базовой станции. Функциональная блок-схема 1. Компьютерное моделирование с использованием цифровой модели местности для создания карты электромагнитных полей и структуры сигналов на исследуемом участке местности. 2. Проведение структурного анализа сигналов. Классификация исследуемой области в соответствии с количеством и источниками (вторичными, и т.д.) сигналов. 3. Выбор целевых критериев (критические значения целевой характеристики, допустимые отклонения или интервалы) оценки целевой характеристики. 4. Выбор (создание) правил формирования обобщенной модели, определение параметров правил. 5. Построение обобщенной модели канала для каждой области с учетом параметров, определенных на этапе Генерализация областей, выделенных на этапе 2. Реструктуризация областей на основании новой информации о значимых сигналах. 7. Вычисление целевой характеристики для областей, полученных на этапе Окончательное определение зоны обслуживания на основании вычисленных значений целевой характеристики.

К.Ю. Ушаков. Моделирование каналов сотовой связи с использованием цифровых моделей местности 15 Карты ЭМ полей и структуры сигнала Метод определения зоны обслуживания базовой станции. Пример применения метода на участке городской застройки Карты ЭМ полей и структуры сигнала для принципиальных лучей 0 – зона, где величина вероятности ошибки P e ниже допустимого порогового значения P eth : P e P eth для всех возможных случаев 1, 2, 3, 4 – зоны характеризующиеся соответствующим числом компонент в обобщенной модели канала связи