3230

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Р.В. Семёнов

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ СВЯЗИ

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2017

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции в области информационных технологий обуславливают стремительный рост внедрения беспроводных систем и сетей связи в различных сферах деятельности человека. Уровень развития этих систем обеспечивается развитием беспроводных технологий передачи и обработки информации. Эволюция развития указанных технологий и постоянно возрастающие требования к качеству и диапазону предоставляемых телекоммуникационных услуг определяют необходимость применения методологии автоматизированного проектирования. Вместе с тем, учитывая степень важности решаемых задач, в рамках данной методологии требуется адекватное развитие методов анализа и синтеза проектируемых систем.

Проектирование беспроводных систем и сетей связи - это сложная комплексная задача, связанная с выбором их логической и физической структуры, точек размещения оборудования (например, базовых станций), изучением потребностей в услугах связи, прогнозированием спроса на них и выбором технологии, требуемых параметров оборудования и линий связи. Решение каждой из этих подзадач отражается на характеристиках проектируемой системы связи.

Данное учебное пособие посвящено вопросам автоматизации проектирования беспроводных систем и сетей связи. Рассматриваются методы теории принятия решений, такие как метод анализа иерархий, метод аналитических сетей, а также методы на основе теории нечетких множеств, применяемые при построении данных систем. Изложены теоретические основы комбинаторно-морфологического анализа и синтеза систем.

В учебном пособии особое внимание уделено решению задач формирования и выбора рациональных вариантов построения систем на основе морфологического и иерархического подходов. Приводятся примеры оптимального проектирования беспроводных систем связи.

3

Учебное пособие ориентировано на использование в самостоятельной работе студентов по дисциплине «Автоматизация проектирования мобильных беспроводных сетей связи», а также будет полезно при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ.

4

1.ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

ИСЕТЕЙ СВЯЗИ

1.1. Классификация беспроводных систем и сетей связи

Средствами связи называют совокупность технических и программных средств, служащих для передачи информации.

Сетью связи называют совокупность технических средств: узлов и линий связи, программных средств, обеспечивающих возможность подключения абонентского оборудования. Сеть связи состоит из множества базовых станций, узлов связи (коммутаторов) и линий присоединения базовых станций к узлам связи.

Система связи содержит сеть связи и подключенное к ней абонентское оборудование, при этом под беспроводной системой связи (БСС) понимается система связи, где информация передается по радиоканалу.

В настоящее время отсутствует общепринятая система классификации БСС, что связано с их постоянным развитием и совершенствованием, как показано на рис. 1.1 [1].

Рис. 1.1. Эволюция поколения беспроводных технологий

5

Поэтому рассмотрим наиболее популярные способы ранжирования различных беспроводных систем связи. Обычно БСС подразделяют [2]:

•по способу обработки первичной информации – на цифровые и аналоговые;

•по ширине полосы передачи – на узкополосные, широкополосные и сверхширокополосные;

•по локализации абонентов – на подвижные и фиксированные;

•по географической протяженности – на персональные, локальные, региональные (городские) и глобальные;

•по виду передаваемой информации – на системы передачи речи, видеоинформации и данных.

Также применяют системы градации на основе используемой технологии (спутниковые сети, атмосферные оптические линии и т. п.), по назначению и др.

Приведем отличительные признаки мобильных БСС, охарактеризовав и «сопредельные» системы. К цифровым относят системы, у которых входная аналоговая информация (например, голос, аналоговый сигнал и т. п.) первоначально преобразуется в цифровую (дискретную) форму. Однако уже здесь возникает некоторая нечеткость. В самом деле, любой сигнал при передаче через физический канал имеет чисто аналоговый вид, он в принципе не должен быть дискретным, чего добиваются специальными методами. Поэтому термин «цифровая система» говорит только о том, что в ней входящие аналоговые данные оцифрованы и обрабатываются (фильтрация, скремблирование, коммутация) преимущественно цифровыми методами (методами цифровой обработки сигналов – ЦОС ).

Для ширины полосы обычно полагают, что если ширина спектральной полосы F, в которой работает система,

много меньше центральной частоты этой полосы fc , то система узкополосная (т.е. F / fc <<1 ) [3]. В противном случае

6

система широкополосная.

При подразделении на мобильные и подвижные системы следует различать собственно возможность мобильности абонентов, предоставляемую технологией, и подразделение на мобильную и фиксированную службы связи, связанное с вопросами частотного распределения и лицензирования. Кроме того с технической точки зрения, ограничивать мобильность может чувствительность технологии связи к скорости движения абонента, сложность перехода из одной зоны обслуживания в сопредельную без разрыва связи, восприимчивость к кратковременным пропаданиям связи и т. п.

Подразделение по размеру зоны обслуживания также достаточно условно, если рассматривать соседние градации. К

персональным сетям (WPAN – wireless personal area network)

относят системы с радиусом действия от сантиметров до нескольких метров (до 10-15 м). Основное назначение таких сетей состоит в замещении кабельной системы для связи оборудования (например, компьютера и периферийных устройств). При этом мощность излучения передатчиков, как правило, не превышает 10 мВт. Локальные сети (WLAN – wireless local area network) подразумевают взаимную удаленность устройств на расстоянии до сотен метров и мощности передатчиков до 100 мВт. Это сети, предназначенные для объединения устройств в пределах локальной зоны (здания, предприятия и т. п.).

К сетям городского масштаба (региональным) можно отнести множество различных технологий. Это и наземное теле- и радиовещание, сотовая связь. Развивается семейство стандартов на широкополосные беспроводные сети городского масштаба IEEE 802.16. Глобальные беспроводные системы передачи данных представлены спутниковыми системами связи.

Особой градацией является подразделение в зависимости от типа передаваемой информации, например, на системы передачи речи (или видеоинформации) и несинхронных дан-

7

ных. С одной стороны, речь – это один из видов информации. После оцифровки поток речевых данных по виду не отличим от потока любой другой информации. Развитие цифровых технологий в различных областях телекоммуникаций (например, в проводной телефонии) давно продемонстрировало эффективность цифровых методов обработки, когда и речь, и данные обрабатываются едиными способами. С другой стороны, идет активное развитие беспроводных технологий, обеспечивающих интеграцию различных информационных сетей (телефония, телевидение, сети передачи цифровых данных, телеметрия) на бытовом уровне, когда по единому каналу передаются данные самой различной природы.

1.2. Основы функционирования беспроводных систем связи

1.2.1. Структура беспроводных систем связи

Основные элементы БСС в общем виде показаны на рис. 1.2 [4]. Источник информации может выдавать данные для передачи по каналу связи как в цифровом виде (современные носители цифровой информации, различные датчики с цифровым интерфейсом и т. д.), так и в аналоговом виде (аналоговые датчики, передача звука и изображения и др.).

Рис. 1.2. Укрупненная структура БСС

8

Первичным блоком в БСС является источник информации. Источник может быть аналоговым (непрерывным) или цифровым. Аналоговый источник характеризуется представлением исходной информации в виде непрерывного сигнала и определен для всех моментов времени.

Цифровой источник сигнала генерирует цифровой сигнал – последовательность битов (символов) информации. Цифровым источником может быть, к примеру, персональный компьютер, цифровой носитель аудиоили видеоинформации. В случае, если источник является аналоговым, выполняется преобразование его сигнала в цифровой с помощью аналоговоцифрового преобразователя (АЦП). Преобразование является осуществлением двух операций – дискретизации во времени и квантования по уровню. Дискретизация во времени осуществляется путем взятия отсчетов (измерений) уровня аналогового сигнала в моменты времени, разделенные постоянным периодом – интервалом дискретизации. Сигнал, состоящий из отсчетов, взятых через интервал дискретизации, называется дискретным сигналом. Величина, обратная интервалу дискретизации, называется частотой дискретизации fd . Таким образом, в

случае цифрового сигнала, значения уровня сохраняются не для всех моментов времени, а только для определенных (дискретных).

Возможность перевода сигнала в цифровую форму основывается на теореме Котельникова (Найквиста): сигнал может быть полностью восстановлен по последовательности сво-

их отсчетов, взятых с частотой дискретизации fd ³ 2 fmax , где fmax – максимальная частота в спектре исходного сигнала. Восстановление выполняется согласно формуле (1.1):

где ωmax = 2π fmax , sk – выборки (отсчеты) сигнала.

Как видно из (1.1), исходный аналоговый сигнал может быть точно восстановлен, если он измерен на всей временной

9

оси. Поэтому, для реальных, ограниченных во времени сигналов будет наблюдаться ошибка восстановления, уменьшающаяся при увеличении частоты дискретизации и максимальная вблизи начала и конца сигнала. Ошибки можно избежать сглаживанием краев сигнала при помощи оконной функции.

После дискретизации во времени выполняется квантование по уровню. Необходимость квантования уровня обусловлена тем, что реальные АЦП имеют ограниченную точность (разрядность), а также тем, что нет необходимости представлять информацию с бесконечной точностью, при этом повышаются затраты на память и время обработки сигнала. Квантование подразумевает собой разбиение интервала возможных значений уровня сигнала на эквидистантные интервалы. После этого для каждого измеренного значения уровня сигнала выбирается наиболее близкое дискретное значение уровня. Например, диапазон входных значений АЦП -5В..+5В. Допустим, разрядность АЦП 12 бит, что означает, что интервал значений сигнала разбит на 212 = 4096 уровней с интервалом 10/4096= 0.00244 В. Пусть входной сигнал в данный момент времени имеет значение +2.5 В. В этом случае наиболее близким для него будет уровень с номером 1024, что в двоич-

ной системе счисления имеет вид 1024(10)=0100 0000 0000(2). В данный момент времени на выходе АЦП будет последователь-

ность битов 0100 0000 0000, которую сменит новая последовательность битов по истечении интервала дискретизации. Таким образом, цифровой сигнал является дискретным во времени и по уровню.

В независимости от типа источника информации данные должны быть представлены в как можно более сжатом цифровом виде. Процесс эффективного преобразования данных в последовательность двоичных символов называется кодированием источника или сжатием данных. Как правило, данные на цифровых носителях являются уже сжатыми (например, формат цифрового кодирования звуковой информации с потерями OGG, алгоритмы сжатия видеоинформации H.264, алгоритм сжатия изображений JPEG), тогда как данные с ана-

10