АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДЕКОРРЕЛЯЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛА ПРИ РАЗНЕСЕННОМ ПРИЕМЕ В НЕСТАЦИОНАРНОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ СРЕДЕ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Основные закономерности и принципы моделирования многолучевого
распространения радиоволн в условиях городской застройки 6
2. Математическое и имитационное моделирование многолучевого
радиоканала 17
2.1 Описание аналитической модели 19
2.2 Описание имитационной модели локально стационарного многолучевого
радиоканала и её модификация 24
2.3 Радиолиния, смежная к мобильному пункту связи 28
2.4 Радиолиния, смежная к стационарному пункту связи 32
3. Влияние подвижности рассеивателей на временную и
пространственную корреляцию сигнала 36
3.1 Закономерности, установленные методом математического
моделирования 36
3.1.1 Оценочные профили автокорреляционной функции сигнала,
принимаемого на стороне МТ 37
3.1.2 Зависимость интервала корреляции сигнала от скорости движения МТ 39
3.2 Закономерности, установленные методом имитационного моделирования 41
3.2.1 Зависимость интервала корреляции сигнала от мощности сигнала
прямой видимости 42
3.2.2 Влияние подвижности рассеивателей на интервал корреляции сигнала 45
3.2.3 Зависимость радиуса корреляции сигнала на стороне МТ от скорости
относительного движения МТ и рассеивателей 47
3.2.4 Зависимость радиуса корреляции сигнала, принимаемого на стороне
БС, от скорости относительного движения МТ и рассеивателей 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 62
1. Основные закономерности и принципы моделирования многолучевого
распространения радиоволн в условиях городской застройки 6
2. Математическое и имитационное моделирование многолучевого
радиоканала 17
2.1 Описание аналитической модели 19
2.2 Описание имитационной модели локально стационарного многолучевого
радиоканала и её модификация 24
2.3 Радиолиния, смежная к мобильному пункту связи 28
2.4 Радиолиния, смежная к стационарному пункту связи 32
3. Влияние подвижности рассеивателей на временную и
пространственную корреляцию сигнала 36
3.1 Закономерности, установленные методом математического
моделирования 36
3.1.1 Оценочные профили автокорреляционной функции сигнала,
принимаемого на стороне МТ 37
3.1.2 Зависимость интервала корреляции сигнала от скорости движения МТ 39
3.2 Закономерности, установленные методом имитационного моделирования 41
3.2.1 Зависимость интервала корреляции сигнала от мощности сигнала
прямой видимости 42
3.2.2 Влияние подвижности рассеивателей на интервал корреляции сигнала 45
3.2.3 Зависимость радиуса корреляции сигнала на стороне МТ от скорости
относительного движения МТ и рассеивателей 47
3.2.4 Зависимость радиуса корреляции сигнала, принимаемого на стороне
БС, от скорости относительного движения МТ и рассеивателей 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 62
Проблема конфиденциальности беспроводной передачи информации является весьма актуальной. В частности, для распределения ключей шифрования/дешифрирования между абонентами информационных систем большие перспективы имеют такие методы как «метеорная криптография» и «мобильная криптография» [1]. На данный момент, имеется разработанная имитационная модель локально-стационарного многолучевого радиоканала (МЛРК) для исследования процессов пространственно-разнесенной генерации согласованных случайных последовательностей (ПРГССП) [2]. Однако, безопасность данной системы с учетом нестационарности рассеивателей до сих пор не обоснована. Решение этой задачи возможно путем исследования зависимостей интервала и радиуса корреляции сигнала мобильного терминала (МТ) и базовой станции (БС) от степени нестационарности радиоканала.
Целью работы является оценка влияния подвижности рассеивателей в городских системах мобильной радиосвязи на радиус корреляции характеристик принимаемого сигнала. Достижение заявленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Изучить методы математического описания и принципы моделирования многолучевого радиоканала в системах мобильной связи;
2. Разработать аналитическую модель трехлучевого радиоканала с двумя подвижными рассеивателями для численного моделирования автокорреляционных функций фазы и амплитуды принимаемого сигнала;
3. Модифицировать компьютерную имитационную модель локально- стационарного многолучевого радиоканала для учёта эффекта подвижности многолучевых рассеивателей в условиях города;
4. Выполнить численные оценки интервала и радиуса корреляции амплитуды и фазы многолучевого радиосигнала при различных параметрах радиоканала;
5. Выявить наиболее значимые факторы, определяющие зависимость радиуса корреляции принимаемого сигнала от траектории и скорости перемещения многолучевых рассеивателей.
Решение указанных задач представляет большую значимость при оценке вероятности перехвата общей случайной последовательности в системах многолучевой пространственно-разнесенной генерации согласованных случайных последовательностей.
Целью работы является оценка влияния подвижности рассеивателей в городских системах мобильной радиосвязи на радиус корреляции характеристик принимаемого сигнала. Достижение заявленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Изучить методы математического описания и принципы моделирования многолучевого радиоканала в системах мобильной связи;
2. Разработать аналитическую модель трехлучевого радиоканала с двумя подвижными рассеивателями для численного моделирования автокорреляционных функций фазы и амплитуды принимаемого сигнала;
3. Модифицировать компьютерную имитационную модель локально- стационарного многолучевого радиоканала для учёта эффекта подвижности многолучевых рассеивателей в условиях города;
4. Выполнить численные оценки интервала и радиуса корреляции амплитуды и фазы многолучевого радиосигнала при различных параметрах радиоканала;
5. Выявить наиболее значимые факторы, определяющие зависимость радиуса корреляции принимаемого сигнала от траектории и скорости перемещения многолучевых рассеивателей.
Решение указанных задач представляет большую значимость при оценке вероятности перехвата общей случайной последовательности в системах многолучевой пространственно-разнесенной генерации согласованных случайных последовательностей.
В рамках данной магистерской работы были получены следующие результаты:
1. Изучены методы математического описания и принципы моделирования многолучевого радиоканала в системах мобильной связи.
2. Разработана аналитическая модель трехлучевого радиоканала с двумя подвижными рассеивателями для численного моделирования автокорреляционных функций фазы и амплитуды принимаемого сигнала, показана её адекватность. С её помощью получены зависимости и численные оценки интервала корреляции сигнала на стороне МТ от отношения скорости движения МТ к скорости движения рассеивателей. Зависимости подчиняются обратностепенному закону, что согласуется с моделью гладких замираний.
3. Проведена модификация компьютерной имитационной модели локально-стационарного многолучевого радиоканала с целью введения учёта эффекта подвижности многолучевых рассеивателей. Подвижность была придана половине рассеивателей как в основной радиолинии (МТ - БС), так и в "смежной" к ней (МТ2 - БС). Рассеиватели движутся с постоянной по модулю, но случайно направленной, скоростью Vs. Была ограничена высота подвижных рассеивателей, так как в модели изначально предполагалось, что рассеиватели представляют собой городские здания, подвижные (люди, автомобили, переносимые металлические объекты и пр.) имеют меньшую высоту. Рассеиватели дважды изменяют направление своего движения за время «жизни» порождаемого ими луча. Также, была сохранена возможность моделирования с неподвижными рассеивателями.
4. Выполнены численные оценки интервала и радиуса корреляции амплитуды и фазы многолучевого радиосигнала при различных параметрах радиоканала, таких как: среднее количество парциальных лучей ((N) = 3,8,20); коэффициент Райса ^ = -100 и 15 дБ; скорость движения МТ (Vm = 0^30 м/c); скорость движения рассеивателей (1^ = 0 и 2 м/с). В частности, при параметрах kR = -100 дБ, Vs = 2 м/с, Vm = 1,5 м/с, (N) = 8 интервал корреляции амплитуды (по порогу корреляции R = 0,3) составил 420 мсек (659 мсек) на стороне МТ (на стороне БС), а интервал корреляция фазы был равен 181 мсек (203 мсек) на стороне МТ (на стороне БС). При таких же параметрах радиус корреляции амплитуды и фазы сигнала как на стороне МТ, так на стороне БС не превышают рк < 0,1 м, а при изменении коэффициента Райса на kR = 15 dB изменяется лишь радиус корреляции амплитуды на стороне БС до рк < 0,3 м. Полученные численные оценки находятся в хорошем согласии с моделью гладких замираний.
5. Исследование влияния подвижности рассеивателей на временную и пространственную корреляцию принимаемого сигнала позволило получить следующие результаты:
• выявлено, что подвижность рассеивателей может до 2,4 (до 3,1) раз сократить интервал корреляции амплитуды и до 2,7 (до 8,5) раз интервал корреляции фазы сигнала на стороне МТ (на стороне БС);
• установлено, что увеличение относительной (к скорости рассеивателей) скорости МТ и среднего количества парциальных лучей в канале уменьшает влияние подвижности рассеивателей на интервал корреляции. В частности, при скорости МТ Vs = 5 м/с и количестве лучей (N) = 3 эффект подвижности рассеивателей приводил к сокращению интервалов корреляции до 2,6 (до 1,7) раз, в то время как при скорости Vs = 20 м/с и количестве лучей (N) это уменьшение оказалось скромнее и составило 1,27 (1,26) на стороне МТ (на стороне БС);
• установлено, что максимальное расстояние, на котором сохраняется пространственная корреляция на стороне МТ (порог корреляции на уровне R = 0,1) не превышает рк = 30 м для амплитуды А и рк = 22 м для фазы ^ сигнала при скорости движения рассеивателей Vs = 2 м/с;
• установлено, что при увеличении порога корреляции до R = 0,3 радиус корреляции на стороне МТ имеет значения рк = (0,1; 1) м для амплитуды А и рк = (0,1; 0,9) м - для фазы ^ сигнала;
• установлено, что максимальное расстояние, на котором сохраняется пространственная корреляция на стороне БС (порог корреляции на уровне R = 0,1) не превышает рк = 30 м для амплитуды А и рк = 30 м для фазы ^ сигнала. Заметное увеличение радиуса корреляции при увеличении коэффициента Райса kR (от -100 дБ до 15 дБ) наблюдается при неподвижном МТ и малом количестве рассеивателей ((N) = 3) в МЛРК;
• из полученных данных следует, что при пороге корреляции R = 0,3 радиус корреляции фазы ^ на стороне БС имеет значения рк = (0,1; 1) м, а радиус корреляции амплитуды А варьируется в диапазоне рк = (0,1; 3) м. Заметное увеличение радиуса корреляции на стороне БС при увеличении коэффициента Райса наблюдается, когда скорость движения МТ мала (1^ <1,5 м);
• выявлено, что подвижность рассеивателей может до 15 (до 10) раз сократить радиус корреляции амплитуды и до 5 (до 15) раз радиус корреляции фазы сигнала (при пороге корреляции R = 0,1) на стороне МТ ( на стороне БС) при скорости движения МТ = 1,5 м/с.
Таким образом, на основании проведенного исследования можно заключить, что подвижность рассеивателей оказывает сильное влияние на интервал корреляции при малых относительных (к скорости рассеивателей) скоростях МТ (меньше 7,5) и малом количестве лучей (не больше 8). Подвижность рассеивателей ограничивает радиус корреляции до 100Я длин волн при неподвижном МТ и сильно сокращает радиус корреляции независимо от количества лучей в МЛРК.
1. Изучены методы математического описания и принципы моделирования многолучевого радиоканала в системах мобильной связи.
2. Разработана аналитическая модель трехлучевого радиоканала с двумя подвижными рассеивателями для численного моделирования автокорреляционных функций фазы и амплитуды принимаемого сигнала, показана её адекватность. С её помощью получены зависимости и численные оценки интервала корреляции сигнала на стороне МТ от отношения скорости движения МТ к скорости движения рассеивателей. Зависимости подчиняются обратностепенному закону, что согласуется с моделью гладких замираний.
3. Проведена модификация компьютерной имитационной модели локально-стационарного многолучевого радиоканала с целью введения учёта эффекта подвижности многолучевых рассеивателей. Подвижность была придана половине рассеивателей как в основной радиолинии (МТ - БС), так и в "смежной" к ней (МТ2 - БС). Рассеиватели движутся с постоянной по модулю, но случайно направленной, скоростью Vs. Была ограничена высота подвижных рассеивателей, так как в модели изначально предполагалось, что рассеиватели представляют собой городские здания, подвижные (люди, автомобили, переносимые металлические объекты и пр.) имеют меньшую высоту. Рассеиватели дважды изменяют направление своего движения за время «жизни» порождаемого ими луча. Также, была сохранена возможность моделирования с неподвижными рассеивателями.
4. Выполнены численные оценки интервала и радиуса корреляции амплитуды и фазы многолучевого радиосигнала при различных параметрах радиоканала, таких как: среднее количество парциальных лучей ((N) = 3,8,20); коэффициент Райса ^ = -100 и 15 дБ; скорость движения МТ (Vm = 0^30 м/c); скорость движения рассеивателей (1^ = 0 и 2 м/с). В частности, при параметрах kR = -100 дБ, Vs = 2 м/с, Vm = 1,5 м/с, (N) = 8 интервал корреляции амплитуды (по порогу корреляции R = 0,3) составил 420 мсек (659 мсек) на стороне МТ (на стороне БС), а интервал корреляция фазы был равен 181 мсек (203 мсек) на стороне МТ (на стороне БС). При таких же параметрах радиус корреляции амплитуды и фазы сигнала как на стороне МТ, так на стороне БС не превышают рк < 0,1 м, а при изменении коэффициента Райса на kR = 15 dB изменяется лишь радиус корреляции амплитуды на стороне БС до рк < 0,3 м. Полученные численные оценки находятся в хорошем согласии с моделью гладких замираний.
5. Исследование влияния подвижности рассеивателей на временную и пространственную корреляцию принимаемого сигнала позволило получить следующие результаты:
• выявлено, что подвижность рассеивателей может до 2,4 (до 3,1) раз сократить интервал корреляции амплитуды и до 2,7 (до 8,5) раз интервал корреляции фазы сигнала на стороне МТ (на стороне БС);
• установлено, что увеличение относительной (к скорости рассеивателей) скорости МТ и среднего количества парциальных лучей в канале уменьшает влияние подвижности рассеивателей на интервал корреляции. В частности, при скорости МТ Vs = 5 м/с и количестве лучей (N) = 3 эффект подвижности рассеивателей приводил к сокращению интервалов корреляции до 2,6 (до 1,7) раз, в то время как при скорости Vs = 20 м/с и количестве лучей (N) это уменьшение оказалось скромнее и составило 1,27 (1,26) на стороне МТ (на стороне БС);
• установлено, что максимальное расстояние, на котором сохраняется пространственная корреляция на стороне МТ (порог корреляции на уровне R = 0,1) не превышает рк = 30 м для амплитуды А и рк = 22 м для фазы ^ сигнала при скорости движения рассеивателей Vs = 2 м/с;
• установлено, что при увеличении порога корреляции до R = 0,3 радиус корреляции на стороне МТ имеет значения рк = (0,1; 1) м для амплитуды А и рк = (0,1; 0,9) м - для фазы ^ сигнала;
• установлено, что максимальное расстояние, на котором сохраняется пространственная корреляция на стороне БС (порог корреляции на уровне R = 0,1) не превышает рк = 30 м для амплитуды А и рк = 30 м для фазы ^ сигнала. Заметное увеличение радиуса корреляции при увеличении коэффициента Райса kR (от -100 дБ до 15 дБ) наблюдается при неподвижном МТ и малом количестве рассеивателей ((N) = 3) в МЛРК;
• из полученных данных следует, что при пороге корреляции R = 0,3 радиус корреляции фазы ^ на стороне БС имеет значения рк = (0,1; 1) м, а радиус корреляции амплитуды А варьируется в диапазоне рк = (0,1; 3) м. Заметное увеличение радиуса корреляции на стороне БС при увеличении коэффициента Райса наблюдается, когда скорость движения МТ мала (1^ <1,5 м);
• выявлено, что подвижность рассеивателей может до 15 (до 10) раз сократить радиус корреляции амплитуды и до 5 (до 15) раз радиус корреляции фазы сигнала (при пороге корреляции R = 0,1) на стороне МТ ( на стороне БС) при скорости движения МТ = 1,5 м/с.
Таким образом, на основании проведенного исследования можно заключить, что подвижность рассеивателей оказывает сильное влияние на интервал корреляции при малых относительных (к скорости рассеивателей) скоростях МТ (меньше 7,5) и малом количестве лучей (не больше 8). Подвижность рассеивателей ограничивает радиус корреляции до 100Я длин волн при неподвижном МТ и сильно сокращает радиус корреляции независимо от количества лучей в МЛРК.