ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАНАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ В СИСТЕМАХ КОГНИТИВНОГО РАДИО
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ
ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА 6
1.1 Эволюция поколений мобильной связи 6
1.2 Анализ тенденций увеличения объемов передаваемой информации и
прогнозов развития мобильных устройств 13
2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО 18
2.1 Предпосылки появления технологии когнитивного радио 18
2.2 Определение программно-конфигурируемого радио SDR 20
2.3 Определение когнитивного радио 25
2.4 Принцип работы когнитивного радио 28
2.5 Перспективные стандарты, разрабатываемые для когнитивных
радиосистем 35
2.6 Функциональная совместимость когнитивных радиосистем 38
3 ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО 41
3.1 Определение оптимального метода для достижения множественного
доступа 41
3.2 Преимущества метода OFDM 43
3.3 Проблемы, связанные с регулированием когнитивного доступа к
спектру 45
3.4 Определение правил использования когнитивных устройств 50
3.5 Нормативно-правовые положения для различных методов
когнитивного доступа 52
3.6 Принципы использования высвобожденного спектра 55
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЧАСТОТНЫХ РЕСУРСОВ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВЕЩАНИЯ БЕЛГОРОДСКОГО РЕГИОНА 61
4.1 Анализ эффективности использования спектра в системах
телерадиовещания Белгородского региона 61
4.2 Оценка потенциально достижимой пропускной способности системы
когнитивного радио 77
4.3 Рекомендации по практической части реализации дополнительных
исследований 83
5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. .84
5.1 Планирование работ по исследованию 84
5.2 Расчет расходов на оплату труда на исследование 85
5.3 Расчет продолжительности исследования 87
5.4 Расчет стоимости расходных материалов 87
5.5 Расчет сметы расходов на исследование 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 92
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 98
1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ
ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА 6
1.1 Эволюция поколений мобильной связи 6
1.2 Анализ тенденций увеличения объемов передаваемой информации и
прогнозов развития мобильных устройств 13
2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО 18
2.1 Предпосылки появления технологии когнитивного радио 18
2.2 Определение программно-конфигурируемого радио SDR 20
2.3 Определение когнитивного радио 25
2.4 Принцип работы когнитивного радио 28
2.5 Перспективные стандарты, разрабатываемые для когнитивных
радиосистем 35
2.6 Функциональная совместимость когнитивных радиосистем 38
3 ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ КОГНИТИВНОГО РАДИО 41
3.1 Определение оптимального метода для достижения множественного
доступа 41
3.2 Преимущества метода OFDM 43
3.3 Проблемы, связанные с регулированием когнитивного доступа к
спектру 45
3.4 Определение правил использования когнитивных устройств 50
3.5 Нормативно-правовые положения для различных методов
когнитивного доступа 52
3.6 Принципы использования высвобожденного спектра 55
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЧАСТОТНЫХ РЕСУРСОВ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВЕЩАНИЯ БЕЛГОРОДСКОГО РЕГИОНА 61
4.1 Анализ эффективности использования спектра в системах
телерадиовещания Белгородского региона 61
4.2 Оценка потенциально достижимой пропускной способности системы
когнитивного радио 77
4.3 Рекомендации по практической части реализации дополнительных
исследований 83
5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. .84
5.1 Планирование работ по исследованию 84
5.2 Расчет расходов на оплату труда на исследование 85
5.3 Расчет продолжительности исследования 87
5.4 Расчет стоимости расходных материалов 87
5.5 Расчет сметы расходов на исследование 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 92
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 98
С начала XX века, когда началось практическое использование радиосистем различного назначения, освоение новых диапазонов частот и развитие систем радиосвязи и телевещания, интенсивность использования РЧС постоянно возрастала. Это сопровождалось перегрузкой частотного спектра и необходимостью решения сложных и чрезвычайно острых проблем, связанных с разработкой методов устранения взаимных помех между работающими радиостанциями и повышения эффективности использования РЧС.
Основным механизмом распределения спектрального ресурса на сегодняшний день является так называемое лицензирование. Оно подразумевает закрепление того или иного частотного диапазона за тем или иным оператором, предоставляющим услуги конечному пользователю, на конкурсной основе. Соответственно, лицензированный спектр может использоваться только тем оператором, за которым он закреплен.
С одной стороны, как показывают исследования, использование частотного ресурса неодинаково эффективно во всей полосе частотного спектра и зависит от частоты, пространства и времени. С другой стороны, электромагнитный спектр, пригодный для современных мобильных телекоммуникационных систем, является конечным ресурсом. Данные обстоятельства позволяют говорить о неэффективности существующего механизма распределения спектрального ресурса, который на сегодня является статическим практически во всех доступных полосах частот.
Один из подходов к решению проблемы неэффективного использования спектрального ресурса был предложен в работах J. Mitola и вылился в концепцию когнитивного радио. Когнитивное радио - это интеллектуальная беспроводная система связи, способная анализировать окружающую обстановку и приспосабливаться к ней посредством обучения, реагируя на изменения в окружении изменением своих собственных параметров например, несущей
частоты, мощности, способа модуляции) в реальном времени с целью увеличения эффективности использования спектрального ресурса.
Цель и задачи работы. Целью выпускной квалификационной работы является исследование эффективности распределения канальных ресурсов в системах когнитивного радио. В соответствии с поставленной целью в выпускной квалификационной работе решаются следующие основные задачи:
1. Анализ тенденций развития систем ШПД
2. Анализ технологии когнитивного радио
3. Особенности реализации когнитивного радио
4. Исследование эффективности использования частотных ресурсов на примере системы телевещания Белгородского региона
5. Экономическая оценка результатов исследования
Основным механизмом распределения спектрального ресурса на сегодняшний день является так называемое лицензирование. Оно подразумевает закрепление того или иного частотного диапазона за тем или иным оператором, предоставляющим услуги конечному пользователю, на конкурсной основе. Соответственно, лицензированный спектр может использоваться только тем оператором, за которым он закреплен.
С одной стороны, как показывают исследования, использование частотного ресурса неодинаково эффективно во всей полосе частотного спектра и зависит от частоты, пространства и времени. С другой стороны, электромагнитный спектр, пригодный для современных мобильных телекоммуникационных систем, является конечным ресурсом. Данные обстоятельства позволяют говорить о неэффективности существующего механизма распределения спектрального ресурса, который на сегодня является статическим практически во всех доступных полосах частот.
Один из подходов к решению проблемы неэффективного использования спектрального ресурса был предложен в работах J. Mitola и вылился в концепцию когнитивного радио. Когнитивное радио - это интеллектуальная беспроводная система связи, способная анализировать окружающую обстановку и приспосабливаться к ней посредством обучения, реагируя на изменения в окружении изменением своих собственных параметров например, несущей
частоты, мощности, способа модуляции) в реальном времени с целью увеличения эффективности использования спектрального ресурса.
Цель и задачи работы. Целью выпускной квалификационной работы является исследование эффективности распределения канальных ресурсов в системах когнитивного радио. В соответствии с поставленной целью в выпускной квалификационной работе решаются следующие основные задачи:
1. Анализ тенденций развития систем ШПД
2. Анализ технологии когнитивного радио
3. Особенности реализации когнитивного радио
4. Исследование эффективности использования частотных ресурсов на примере системы телевещания Белгородского региона
5. Экономическая оценка результатов исследования
Цель работы достигнута. Все задачи выполнены.
Проведен анализ тенденций развития систем ШПД, рассмотрены имеющиеся проблемы с распределением спектральных ресурсов в различных государствах и областях с разными плотностями населения. Прослеживаются тенденции повышения пропускных способностей, увеличения скорости передачи данных, появления новых сервисов и приложений, увеличение количества приложений и девайсов, поддерживающих доступ в интернет, что приводит к проблемам поиска новых частотных ресурсов и удовлетворения потребностей населения в широкополосном доступе в сеть Интернет.
Одним из возможных решений данных проблем является использование технологии когнитивного радио. Когнитивное радио построено на платформе SDR и является одной из наиболее перспективных передовых технологий. Существует несколько способов, которыми можно организовать когнитивную систему. Способы организации в свою очередь должны выбираться исходя из типа местности, плотности населения, финансовых возможностей и многих других критериев.
Благодаря своей способности быстро принимать любую доступную радио¬конфигурацию, платформы CR могут перенастраивать себя под любой, даже устаревший коммуникационный стандарт предыдущих поколений связи, для того, чтобы взаимодействовать с любыми системами местной связи или облегчить связи между двумя платформами не использующими технологии CR, но в то же время использующих различные стандарты связи.
Кроме того, CR система с ее встроенным искусственным интеллектом может автоматически распознавать различные стандарты связи при отсутствии любого централизованного контроля из вне.
Рассмотрен метод OFDM, которые является наиболее перспективным для технологий когнитивного радиодоступа. Также он интересен для рассмотрения с точки зрения того, что он уже используется в цифровых системах ТВ вещания, что дополнительно облегчает внедрение когнитивных устройств в полосу частот, выделенную для телевидения. А также рассмотрены перспективные существующие или разрабатываемые стандарты для технологии когнитивного радиодоступа.
Проведен анализ важности принятия решений по вопросам распределения спектра государственными органами, которые будут решать, разрешать ли когнитивный доступ к участкам спектра или нет. Данные органы должны выбрать наиболее выгодный и полезный для своей страны способ распределения этих ресурсов. Но, на этой ранней стадии развития когнитивного доступа, не совсем ясно, как скоро это произойдет. Поскольку имеется большое количество сторонников данной технологии, то лицензирующие органы также способствуют продвижению решений по данной проблеме. Тем не менее, это измениться в будущем и для разных диапазонов частот могут быть приняты разные подходы. Также необходимо учесть, что участие всех заинтересованных сторон в перераспределении - это элементарная мера, которая является гарантией успеха. Действительно, жизненно необходимо активное участие в перераспределении всех заинтересованных сторон, с тем чтобы их потребности и проблемы были учтены.
Определены проблемы связанные с когнитивным доступом к спектру и возможные варианты их решения.
Рассмотрены варианты реализации технологи когнитивного радио с использованием географических баз данных и вариантов спектрального зондирования, выделены преимущества и недостатки каждого из методов.
Выделены принципы, которые позволят достигнуть основной цели управления использованием спектра - получения максимальной социально-экономической выгоды от использования радиочастотного спектра. Важнейшим из которых является непрерывность обслуживания. Перераспределение ни при каких обстоятельствах не должно приводить к перебоям в обслуживании абонентов, следовательно, необходимо обеспечить непрерывность предоставления услуг. Для этого необходимо подготовить четкий и детальный план информационной работы с абонентами, а также (при необходимости) подробный график замены абонентского оборудования.
Проведено исследование эффективности использования частотных ресурсов на примере системы телевещания Белгородского региона. В результате исследования было выявлено, что переход от аналогового наземного телевещания к цифровому привел к появлению значительных высвободившихся неиспользуемых участков в выделенной для ТВ сектора полосе радиочастот.
Существует значительное число каналов, которые остаются
незадействованными в некоторых географических зонах в определенное время. Эти каналы создают так называемые «белые пятна» в ТВ спектре: часть спектра в полосе радиочастот, которая распределена радиовещательной службе и используется для телевизионного вещания и которая определяется администрацией как доступная для беспроводной связи в данный момент времени и в данной географической зоне при условии не создания помех и отсутствия требований по защите от помех в отношении других служб радиосвязи с более высоким приоритетом на национальной основе, которые могут быть использованы менее мощными устройствами, по сравнению со станциями цифрового телевещания. Важно отметить, что существует довольно много свободных или освобождаемых каналов, которые расположены рядом, что создает возможность использования большее широкой полосы, а следовательно и более широкополосных сигналов.
Учитывая точное знание времени и диапазона освободившихся частот, появляется возможность использовать спектр с максимально возможной эффективностью.
Проведен анализ тенденций развития систем ШПД, рассмотрены имеющиеся проблемы с распределением спектральных ресурсов в различных государствах и областях с разными плотностями населения. Прослеживаются тенденции повышения пропускных способностей, увеличения скорости передачи данных, появления новых сервисов и приложений, увеличение количества приложений и девайсов, поддерживающих доступ в интернет, что приводит к проблемам поиска новых частотных ресурсов и удовлетворения потребностей населения в широкополосном доступе в сеть Интернет.
Одним из возможных решений данных проблем является использование технологии когнитивного радио. Когнитивное радио построено на платформе SDR и является одной из наиболее перспективных передовых технологий. Существует несколько способов, которыми можно организовать когнитивную систему. Способы организации в свою очередь должны выбираться исходя из типа местности, плотности населения, финансовых возможностей и многих других критериев.
Благодаря своей способности быстро принимать любую доступную радио¬конфигурацию, платформы CR могут перенастраивать себя под любой, даже устаревший коммуникационный стандарт предыдущих поколений связи, для того, чтобы взаимодействовать с любыми системами местной связи или облегчить связи между двумя платформами не использующими технологии CR, но в то же время использующих различные стандарты связи.
Кроме того, CR система с ее встроенным искусственным интеллектом может автоматически распознавать различные стандарты связи при отсутствии любого централизованного контроля из вне.
Рассмотрен метод OFDM, которые является наиболее перспективным для технологий когнитивного радиодоступа. Также он интересен для рассмотрения с точки зрения того, что он уже используется в цифровых системах ТВ вещания, что дополнительно облегчает внедрение когнитивных устройств в полосу частот, выделенную для телевидения. А также рассмотрены перспективные существующие или разрабатываемые стандарты для технологии когнитивного радиодоступа.
Проведен анализ важности принятия решений по вопросам распределения спектра государственными органами, которые будут решать, разрешать ли когнитивный доступ к участкам спектра или нет. Данные органы должны выбрать наиболее выгодный и полезный для своей страны способ распределения этих ресурсов. Но, на этой ранней стадии развития когнитивного доступа, не совсем ясно, как скоро это произойдет. Поскольку имеется большое количество сторонников данной технологии, то лицензирующие органы также способствуют продвижению решений по данной проблеме. Тем не менее, это измениться в будущем и для разных диапазонов частот могут быть приняты разные подходы. Также необходимо учесть, что участие всех заинтересованных сторон в перераспределении - это элементарная мера, которая является гарантией успеха. Действительно, жизненно необходимо активное участие в перераспределении всех заинтересованных сторон, с тем чтобы их потребности и проблемы были учтены.
Определены проблемы связанные с когнитивным доступом к спектру и возможные варианты их решения.
Рассмотрены варианты реализации технологи когнитивного радио с использованием географических баз данных и вариантов спектрального зондирования, выделены преимущества и недостатки каждого из методов.
Выделены принципы, которые позволят достигнуть основной цели управления использованием спектра - получения максимальной социально-экономической выгоды от использования радиочастотного спектра. Важнейшим из которых является непрерывность обслуживания. Перераспределение ни при каких обстоятельствах не должно приводить к перебоям в обслуживании абонентов, следовательно, необходимо обеспечить непрерывность предоставления услуг. Для этого необходимо подготовить четкий и детальный план информационной работы с абонентами, а также (при необходимости) подробный график замены абонентского оборудования.
Проведено исследование эффективности использования частотных ресурсов на примере системы телевещания Белгородского региона. В результате исследования было выявлено, что переход от аналогового наземного телевещания к цифровому привел к появлению значительных высвободившихся неиспользуемых участков в выделенной для ТВ сектора полосе радиочастот.
Существует значительное число каналов, которые остаются
незадействованными в некоторых географических зонах в определенное время. Эти каналы создают так называемые «белые пятна» в ТВ спектре: часть спектра в полосе радиочастот, которая распределена радиовещательной службе и используется для телевизионного вещания и которая определяется администрацией как доступная для беспроводной связи в данный момент времени и в данной географической зоне при условии не создания помех и отсутствия требований по защите от помех в отношении других служб радиосвязи с более высоким приоритетом на национальной основе, которые могут быть использованы менее мощными устройствами, по сравнению со станциями цифрового телевещания. Важно отметить, что существует довольно много свободных или освобождаемых каналов, которые расположены рядом, что создает возможность использования большее широкой полосы, а следовательно и более широкополосных сигналов.
Учитывая точное знание времени и диапазона освободившихся частот, появляется возможность использовать спектр с максимально возможной эффективностью.