Підвищення завадозахищеності безпроводового зв’язку в умовах просторово-енергетичних обмежень
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Полонська В.Ю. Підвищення завадозахищеності безпроводового зв’язку в умовах просторово-енергетичних обмежень. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 – Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
При поширені сигналів безпроводового зв’язку у вільному просторі, корисний сигнал зазвичай може спотворюватися під дією різних факторів, серед яких: загасання сигналу при поширенні; заломлення або поглинання променів корисного сигналу через зміну погодних умов – тобто рефракція чи абсорбція і багато інших. Але одною з найбільших проблем, пов’язаних із забезпеченням достовірності прийому сигналів, є проблема багатопроміневості (Multipath propagation), при якій до приймача сигнали можуть приходити декількома різними шляхами: наприклад, прямий сигнал і сигнал відбитий від довільних поверхонь що трапилися на його шляху. Для боротьби з багатопроменевістю можливо використовувати багато різних засобів, таких як: адаптивні кодування чи/і модуляція, технологія OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) та ін. В дисертації досліджено доцільність та ефективність використання саме адаптивного OFDM для заданого каналу зв’язку. Хоча OFDM є дієвим інструментом боротьби з багатопроменевістю, але має цілий ряд недоліків, серед яких: - висока енергозатратність через розділення каналу на багато підпотоків (піднесучих OFDM). Для підтримки необхідного енергетичного рівня для передачі OFDM сигналу слід використовувати більш ефективні і дорожчі підсилювачі потужності в базових станціях; - втрата інформаційної, частотної ефективності через використання захисного інтервалу (GI – Guardian Interval) – службової частинки, що не несе в собі корисної інформації; - високе відношення пікової до середньої потужності (PAPR) – тобто можливе випадкове накладання піднесучих OFDM одна на одну по фазі що утворить високі пікові значення амплітуди; Cеред відзначених ризиків найбільш суттєвими є перші два фактори. Тому центральним завданням дослідження є оптимізація параметрів OFDM (кількості піднесучих і довжини захисного інтервалу GI) з урахування просторово-енергетичних обмежень розповсюдження завад в каналі зв’язку. Такий підхід визначає актуальність дослідження. Під завадозахищеністю каналу зв’язку в контексті дослідження слід мати сукупність властивостей каналу і методів передачі інформації в цьому каналі, які впливають на здатність системи протистояти впливу завад і при цьому передавати інформацію з заданою достовірністю. Мірою підвищення завадозахищеності виступає покращення відношення потужності сигналу над потужністю завад в результаті використання запропонованих методів та методик. Отже, використання інструменту OFDM дозволить підвищити завадозахищеність каналу шляхом зменшення впливу багатопроменевості через зміну часових характеристик переданого сигналу, виходячи із визначення просторово-енергетичних параметрів каналу зв’язку, а саме через використання захисного інтервалу GI на початку кожного розтягнутого OFDM символу – технічної частинки символу, на яку, як очікується, будуть накладатися завади, тим самим не впливаючи на частину символу, що містить корисну інформацію. Новизна підходу до визначення структури адаптивного режиму OFDM в дисертації полягає у використанні моделі овалів Кассіні в якості моделі для обчислення області навколо приймача, що є суттєвою для розповсюдження радіохвиль в умовах багатопроменевості. Тобто стало можливим обчислити область навколо приймача, в середині якої відгуки корисних сигналів при відбитті від довільних поверхонь в середині цієї області будуть потрапляти в приймач, і при цьому їх потужність буде вищою за чуттєвість приймача. Визначення такої області відкриває дві можливості: по-перше, розрахувати енергетичний вплив таких завад, тобто визначити значення сигнал/шум (це є просторово-енергетична модель поширення завад), а по-друге, геометрично визначити і розрахувати час затримки відгуків сигналів і ступінь їх накладання на сусідні корисні сигнали (тобто просторово-часова модель поширення завад). Саме просторова модель поширення багатопроменевості дає можливість точно визначити і вирахувати на скільки треба «розтягувати» сигнал, тобто яка потрібна кількість піднесучих OFDM (NOFDM) і якої довжини має бути захисний інтервал (GI), для того, щоб завади накладалися саме на службову частину, а не на корисну частину сигналу, тим сам послабляючи вплив багатопроменевості і підвищуючи завадостійкість каналу. Іншими словами, цей метод дає можливість робити OFDM адаптивним інструментом пристосування під параметри каналу: можливість обирати лише необхідну кількість піднесучих і достатню довжину захисного інтервалу, при яких не відбувається надмірне використання ресурсів каналу зв’язку. Загальним підсумком дослідження є оцінка ефективності використання запропонованого методу підвищення завадозахищенності безпроводового зв’язку в умовах просторово-енергетичних обмежень: а саме інформаційна, частотна і енергетична ефективності. Важливими є результати аналізу отриманих обчислень і порівняння їх з існуючими методами, тобто порівняння показників ефективності для каналів зв’язку з адаптивними і звичайними режимами використання OFDM. Дослідження питань підвищення завадостійкості безпроводового зв’язку в умовах просторово-енергетичних обмежень дає змогу економити енергетичні ресурси каналу для заданих параметрів передачі за рахунок обґрунтовано визначених параметрів сигналів OFDM. Новими і дисертації є наступні результати. 1. Досліджено вплив просторово-енергетичних обмежень на можливості забезпечення якісного безпроводового зв'язку в умовах багатопроменевості. На основі розробленої просторово-енергетичної моделі розповсюдження радіохвиль в гігагерцовому діапазоні та виникнення фактору багатопроменевості при цьому визначена область навколо приймача, в середині якої всі відбиті промені перевищують чутливість приймача і впливають на прийом і обробку корисного сигналу. Вказана область дає змогу визначити рівень потужності завад, що будуть прийняті приймачем, оцінити їх вплив на завадостійкість радіоканалу і тим кількісно означити просторово-енергетичні обмеження. 2. Запропоновано вдосконалену модель визначення кількості піднесучих OFDM для послаблення впливу багатопроміневості на якість передавання сигналів в безпроводовому каналі зв’язку з використанням просторовоенергетичної моделі багатопроміневості. Кількісно визначено виграш в завадозахищенності від використання технології OFDM, що є чинником підвищення завадозахищенності безпроводового зв’язку в умовах просторовоенергетичних обмежень. 3. Розроблено методику визначення захисного інтервалу символу OFDM в умовах прояви багатопроміневості. Завдяки скороченню довжини цього інтервалу, розрахованого за новою методикою, досягається виграш по енергетиці корисного сигналу по відношенню до завад в каналі порівняно зі стандартними методиками використання OFDM, що є чинником підвищення завадозахищенності безпроводового зв’язку в умовах просторово-енергетичних обмежень. 4. Вдосконалено методику оцінки ефективності використання ресурсів каналу зв’язку в умовах багатопроміневості. Запропонована методика оцінки ефективності передавання сигналів з OFDM в умовах просторово-енергетичних обмежень, яка дозволяє відображати динаміку зміни показників енергетичної, частотної та інформаційної ефективності. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблена просторово-енергетична модель багатопроменевого поширення створює основу для вирішення прикладних задач проектування та оптимізації параметрів систем безпроводового зв'язку, зокрема, дозволяє: – здійснювати обґрунтований розрахунок та вибір параметрів системи OFDM (кількість піднесучих, тривалість захисного інтервалу, тип модуляції та швидкість кодування); – проводити порівняльну оцінку ефективності системи з використанням OFDM як адаптивного інструменту з точки зору ймовірності помилки, пропускної здатності та продуктивності, а також показників ефективності: енергії, частоти та інформації; – використовувати розроблену просторово-енергетичну модель багатопроменевого поширення (на основі овалів Кассіні) в каналі безпроводового зв'язку для проведення лабораторних досліджень та навчально-методичного забезпечення підготовки фахівців у галузі безпроводових, зокрема, мобільних мереж нового покоління. – формулювати практичні рекомендації щодо підвищення завадостійкості та ефективності передачі в умовах багатопроменевого поширення сигналів.
Опис
Ключові слова
завадостійкість, обмеження, багатопроменевість, овали Кассіні, OFDM, захисний інтервал, продуктивність, пропускна здатність, частотна, енергетична, інформаційна ефективності, noise immunity, constraints, Cassini ovals, guard interval, performance, bandwidth, frequency, energy, information efficiency
Бібліографічний опис
Полонська, В. Ю. Підвищення завадозахищеності безпроводового зв’язку в умовах просторово-енергетичних обмежень : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Полонська Валерія Юріївна. – Київ, 2026. – 185 с.