Алгоритм поиска координат размещения ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате, обеспечивающий минимизацию доли частотно-временного ресурса для ретрансляции сигналов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Дьяконов Сергей Владимирович, Сивов Александр Юрьевич

В данной статье авторы продолжили исследования, представленные в статье «Модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате ». Модель, описанная в предыдущей статье, позволяет определить минимальное количество частотно-временного ресурса, необходимого для ретрансляции сигналов через ретранслятор связи на беспилотном летательном аппарате . Входными параметрами разработанной модели являются координаты размещения базовой станции, абонентской станции, беспилотного летательного аппарата с ретранслятором связи . В результате исследований установлено, что выходной параметр носит нелинейный и ступенчатый характер, имеет несколько экстремумов, а также зависит от расстояния между базовой и абонентской станцией. Оптимальное размещение беспилотного летательного аппарата позволяет уменьшить частотно-временной ресурс, необходимый для ретрансляции. Таким образом, поиск координат размещения беспилотного летательного аппарата является актуальной задачей. Авторы предлагают использовать методы поисковой оптимизации. С целью снижения вычислительной сложности авторами был предложен модифицированный алгоритм Джарвиса. Алгоритм поиска координат размещения беспилотного летательного аппарата с ретранслятором связи учитывает изменение отношения сигнал шум в восходящих и нисходящих каналах.

The algorithm of search of placement coordinates of unmanned aerial vehicle with relay station, providing minimization of part of frequency-time resource for signal retransmission

In this article authors continue researches represented in the article “The model of frequency-time resource allocation in the air interface of broadband wireless access system with relay station on unmanned aerial vehicle ”. The model described in previous article allows defining minimal frequency-time resource for data transfer over relay station on unmanned aerial vehicle . The location coordinates of base station; subscriber station and unmanned aerial vehicle with relay station are input parameters of developed model. As result of researches the output parameter is nonlinear and step function with several extremes, also it depends from distance between base station and subscriber station. Optimal location of unmanned aerial vehicle allows minimizing frequency-time resource for retransmission. Thus the search of coordinates of location of unmanned aerial vehicle with relay station is actual task. Authors offer to use search optimization methods. The modified Jarvis algorithm was proposed by authors to reduce computational complexity. The changing of signal-to-noise ratio in both uplink and downlink channels is considered in algorithm of search of location coordinates of unmanned aerial vehicle with relay station .

Текст научной работы на тему «Алгоритм поиска координат размещения ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате, обеспечивающий минимизацию доли частотно-временного ресурса для ретрансляции сигналов»

Дьяконов Сергей Владимирович

ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России)

Россия, Орёл1 Сотрудник E-Mail: sergey.v.seti@gmail.com

Сивов Александр Юрьевич

ГКОУ ВПО Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России)

Россия, Орёл Сотрудник Кандидат технических наук E-Mail: sivov_au@mail.ru

Алгоритм поиска координат размещения ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате, обеспечивающий минимизацию доли частотно-временного ресурса для ретрансляции сигналов

Аннотация: В данной статье авторы продолжили исследования, представленные в статье «Модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате». Модель, описанная в предыдущей статье, позволяет определить минимальное количество частотно-временного ресурса, необходимого для ретрансляции сигналов через ретранслятор связи на беспилотном летательном аппарате. Входными параметрами разработанной модели являются координаты размещения базовой станции, абонентской станции, беспилотного летательного аппарата с ретранслятором связи. В результате исследований установлено, что выходной параметр носит нелинейный и ступенчатый характер, имеет несколько экстремумов, а также зависит от расстояния между базовой и абонентской станцией.

Оптимальное размещение беспилотного летательного аппарата позволяет уменьшить частотно-временной ресурс, необходимый для ретрансляции. Таким образом, поиск координат размещения беспилотного летательного аппарата является актуальной задачей. Авторы предлагают использовать методы поисковой оптимизации. С целью снижения вычислительной сложности авторами был предложен модифицированный алгоритм Джарвиса.

Алгоритм поиска координат размещения беспилотного летательного аппарата с ретранслятором связи учитывает изменение отношения сигнал шум в восходящих и нисходящих каналах.

1 302034, г. Орёл, ул. Приборостроительная, д. 35 1

Ключевые слова: Беспилотный летательный аппарат; ретранслятор связи; система широкополосного беспроводного доступа; оптимизация топологической структуры сети; распределение частотно-временного ресурса.

Идентификационный номер статьи в журнале 129ТУЫ214

Современный этап развития региональных сетей широкополосного беспроводного доступа (ШБД) характеризуется увеличением зон обслуживания пользователей и расширением перечня предоставляемых им услуг связи. В 2006 году была организована целевая группа по созданию стандарта 1ЕЕЕ 802.16/ [1, 2], предусматривающего применение стационарных ретрансляторов связи (РС) для увеличения зон обслуживания базовых станций (БС). При решении некоторых задач государственного управления возникают ситуации, когда требуется кратковременно расширить зону обслуживания БС, например при обеспечении связи из мест техногенных аварий. Применение стационарных РС в данном случае не позволит оперативно менять топологическую структуру сети ШБД ввиду ее низкой мобильности. Поэтому для повышения мобильности сети ШБД (не путать с мобильностью абонентов) предлагается размещать РС на подвижных объектах, в частности на беспилотных летательных аппаратах (БЛА).

\ * Вынесенная Ш 2У\ АС (Ли, 0, Нас)

Рис. 1. Топологическая структура сети ШБД (составлено авторами)

Рассмотрим сеть ШБД (рис. 1), в которой БС, расположенная в точке начала координат, в одном из секторов обслуживает несколько абонентских станций (АС), в том числе одну стационарную АС, размещенную на оси X, через РС, который может

перемещаться в некоторой области . Вынесенная АС расположена на расстоянии Яи от БС. Высота подъема РС определяется техническими характеристиками БЛА и обеспечивает прямую видимость на участках БС-РС и РС-АС. Антенные системы АС и БС расположены на высотах Нас и Нбс соответственно.

Ранее авторами была разработана модель распределения частотно-временного ресурса (ЧВР) в системе ШБД с мобильным РС и временным дуплексированием сигналов в восходящих и нисходящих каналах связи, которая позволяет на основании известных способов деления ресурсов в сети ШБД определить требуемое количество ЧВР для ретрансляции сигнала между БС и АС при условии выполнения требований к скорости и достоверности ин-

формационного обмена. На основе модели требуется разработать алгоритм поиска координат размещения РС на БЛА, обеспечивающий минимизацию доли ЧВР для ретрансляции сигналов между АС и БС при условии выполнения требований к скорости и достоверности информационного обмена.

1. Модель распределения частотно-временного ресурса в радиоинтерфейсе системы широкополосного беспроводного доступа с ретранслятором связи на беспилотном летательном аппарате

Под ЧВР в работе понимается вся совокупность несущих сигналов с ортогональным частотным разделением (OFDM - Orthogonal frequency division multiplexing - ортогональное частотное разделение каналов) на длительности одного цикла передачи в одном рабочем секторе БС. Доля ЧВР - отношение части ЧВР, требуемой для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС ко всему ЧВР:

Модель распределения ЧВР в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА представим в виде системы выражений:

где Q0 - весь ЧВР сектора БС; (х., у, гк) - ЧВР, требуемый для ретрансляции сигнала; (хі, у, ^ ) - 1-я точка, принадлежащая области допустимых координат размещения

РС на БЛА * (Рис. 1); х, є X*, где / = [0,1. /] , X*- множество допустимых координат по оси X; у, є У *, где , = [0,1. / ], У* - множество допустимых координат по оси У; 2к є 2 *, где к = [0,1..Х ] , 1* - множество допустимых координат по оси I.

Nпод ^ Г V 7 ^ =( Nпод K + Nпод М________________________инф UL-DL___________;

NDL1 (x’ Vj ’ 7 )l (N инф + N пилот J под K • C Н (h 2 ( x V _ JJ ’

N инф CDL1 (hDL1 ( Xi’Vj’ Zk J J

DL2\ i,Sj, k )i \ инф шлот/ Nп0д K Н h 2 / V \V

N инф CDL 2 (hDL 2 ( Xi ’^j^k J J

Nпод (X V 7 J =( Nпод Ф + Nпод Ф ^_________________нф UL-DL

Nul1 (Xi’yj’Zk Ji (N инф + N пилот J од Ф ^Н /,2 (

Nпод^ x V 7 'l =( N под Ф + N под Ф^__________________^нф • ±UL-DL

Nul2 (Xn yj’Zk Ji (N инф + N пилот J од Ф ^Н /.2

^инф • CUL1 (hUL 1 (Xi’V j’Zk J J

• CUL 2 (hUL 2 ( Xi ’ УJ, zk J J

hUL1 , UL 2, DL1, DL 2 (^^j^k J - hQPSK1/2 (Рош = 1 X 10 J;

qP (X ’ Vj ,zk J = NDL (X ’ Vj ,zk J + NDDL2 (Xi ’ v, ’ zk Jz

+NULA (Xi ’ Vj ’ 7k J + NUL2 (Xi ’Vj ’ 7k J ;

qP (Xi ’ Vj ’ zk J ^ Qo;

/j UL2 \ j 7 k Ji

где Nпод - общее количество поднесущих, требуемое для обеспечения ретрансляции сигнала между БС и АС на участках нисходящих каналов DL (Downlink - нисходящая линия связи) и восходящих каналов UL (Uplink - восходящая линия связи); K и -

количество информационных и пилотных поднесущих в «кластере» (совокупность несущих DL); #поф Ф и N^ - количество информационных и пилотных поднесущих во «фрагменте»

(совокупность несущих UL) [3, 4]; TUL-DL - длительность цикла передачи (фрейма); R^ и

R^j* - требуемая скорость передачи информации в восходящих и нисходящих каналах,

определяемая пользователем; - количество используемых поднесущих в OFDMA

символе [3, 4]; nOFdMA - количество OFDMA-символов в кадре (фрейме) [3, 4]; CUJL и CD>L -информационные емкости одной поднесущей для участков восходящих и нисходящих каналов, определяемая следующим выражением [5, 6]:

0,5, если 3,0 дБ < к2 (хі, у,, 2к) < 6,0 дБ для BPSK 1/2;

1.0, если 6,0 дБ < к2 (х,, у,, 2к ) < 8,5 дБ для QPSK 1/2;

1.5, если 8,5 дБ < к2 (х,,у,,'к) < 11,5 дБ для QPSK 3/4;

2.0, если 11,5 дБ < к2 (хі, у,, 'к ) < 15 дБ для 16QAM 1/2;

3.0, если 15,0 дБ < к2 (х,,у,,'к) < 19 дБ для 16QAM 3/4;

4.0, если 19,0 дБ < к2 (х,, у,, 'к ) < 21 дБ для 64QAM 2/3;

4.5, если к2 (хі, у,, 2к) > 21дБ для 64QAM 3/4;

где к2 (х,, у,, 'к) - отношение сигнал-шум (ОСШ) на входах приемников

коіі (х, у,, 'к ), > 2 (х > у, > 'к ), > кии (х > у, > '-к ),, киь 2 (х, у, , '-к ), для 1-й точки размещения РС

Рис. 2. Зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции

при изменении положения РС по осям X, У и I (составлено авторами)

Проведен анализ влияния взаимного расположения РС относительно БС и АС на качество обслуживания и эффективность использования ЧВР для обеспечения ретрансляции сигналов в сети ШБД стандарта 1ЕЕЕ 802.16].

Ступенчатый характер изменения доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала при изменении координат РС по осям X, У и I (рис. 2), позволяет определить область пространства, в которой доля ЧВР, требуемая для ретрансляции сигнала (при условии

выполнения требований к скорости и достоверности информационного обмена), остается неизменной.

В целях минимизации доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала между БС и АС при условии выполнения требований к скорости и достоверности информационного обмена, необходимо разработать алгоритм поиска рациональной области размещения РС.

2. Постановка задачи на разработку алгоритма поиска координат размещения ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате

Модель распределения ресурсов в радиоинтерфейсе системы ШБД с РС на БЛА позволяет установить зависимость доли ЧВР, требуемой для ретрансляции сигнала между БС и АС через РС, от координат размещения РС относительно БС и АС (рис. 2).

Сложный, нелинейный характер зависимости целевой функции от координат размещения РС относительно БС и АС, изменяющийся при изменении расстояния между АС и БС, не позволяет однозначно определить направления поиска минимума целевой функции.

Необходимо разработать алгоритм поиска множества рациональных значений координат размещения РС на БЛА

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎