Способ назначения беспроводному устройству наименее загруженного отдельного радиоканала
METHOD FOR ASSIGNING A WIRELESS DEVICE THE LEAST LOADED SINGLE RADIO CHANNEL

Изобретение относится к области беспроводной радиосвязи, а именно к определению доступности радиоканалов (каналов связи, полосы частот электромагнитных колебаний, применяемых для осуществления радиосвязи или радиопередачи [1, с. 160]) для беспроводных устройств, находящихся в заданной области пространства.
Известен способ использования радиоканалов [2], который состоит в том, что определяют местоположение беспроводного устройства 1 (фиг. 1) и выбирают несколько измерительных устройств 2, находящихся рядом с ним.
Измерительные устройства выполняют измерения на наличие сигналов в отдельном радиоканале (либо в нескольких каналах или диапазонах каналов), оцифровывают результат измерения и передают сигнальную информацию по каналам связи в базу данных измерений 3, которая располагается совместно с вычислительным устройством 4 или связана с ним некоторым каналом связи. В базу данных измерений 3 записывается информация, которая содержит номер измерительного устройства, данные о его местоположении, номер канала, отметку времени и сигнальную информацию. В качестве сигнальной информации используется значение уровня сигнала в радиоканале. Возможно использование сигнальной информации от нескольких измерительных устройств, которые выполняют измерение уровня сигнала в отдельном радиоканале постоянно или периодически. Далее, анализируют в совокупности сигнальную информацию от нескольких измерительных устройств и определяют доступность отдельного радиоканала для использования беспроводным устройством в заданном местоположении (направлении). Когда определяют, что отдельный радиоканал доступен для использования, т.е. значение сигнальной информации меньше некоторого порогового уровня сигнала, то используют беспроводное устройство для передачи данных по этому отдельному радиоканалу.
В процессе использования отдельного радиоканала беспроводным устройством возможно повторное измерение одним или несколькими измерительными устройствами уровня сигнала в используемом беспроводным устройством радиоканале для отслеживания вклада сигнала отдельных устройств в этом радиоканале. Измерительные устройства могут размещаться любым способом, позволяющим получать полезную информацию, периодически или постоянно измерять уровень сигнала в отдельных радиоканалах и передавать информацию в базу данных.
Недостатком данного способа является то, что рассмотренный способ не учитывает степень загруженности отдельного радиоканала в случае, если все отдельные радиоканалы оказываются недоступными для использования по описанному выше правилу. На фиг. 2а показан идеализированный случай, когда отдельный радиоканал используется полностью, а на фиг. 2б и 2в показаны примеры, когда отдельный радиоканал используется частично, т.е. полоса частот электромагнитных колебаний, выделенная для осуществления радиосвязи, загружена неравномерно.
Результатом применения способа [2] в ситуации, показанной на фиг. 2а, 2б, 2в будет запись в базе данных измерений, указывающая на то, что отдельный радиоканал занят. Например, некоторый ресурс радиочастотного спектра (далее по тексту - спектр) выделен для использования беспроводному устройству, что соответствует некоторой радиочастотной маске (фиг. 3). Для работы беспроводного устройства требуется выбрать свободный радиоканал шириной Δƒ соответствующий частотным характеристикам беспроводного устройства и удовлетворяющий требованиям радиочастотной маски. Применение способа [2] для поиска отдельного радиоканала доступного для использования беспроводным устройством укажет доступность отдельного радиоканала ƒ5-ƒ6 (фиг. 3), в то время, как радиоканалы ƒ1-ƒ2, ƒ3-ƒ4, ƒ7-ƒ8 будут определены как не доступные, хотя они загружены частично, как и радиоканалы на фиг. 2б и 2в.
Радиоканалы, загруженные частично, могли бы совместно использоваться несколькими беспроводными устройствами как показано на фиг. 4, в случае совместного использования радиоканала беспроводными узкополосными и/или сверхширокополосными устройствами или при использовании радиоканала на не лицензированной основе и в других случаях, когда появляется возможность более рационального использования спектра в пределах радиочастотной маски.
Таким образом, способ [2] имеет недостаток, который обусловлен отсутствием возможности учета распределения спектра электромагнитных колебаний в отдельном радиоканале при принятии решения о его назначении для радиосвязи беспроводному устройству.
Задачей изобретения является совершенствование способа [2], обеспечивающее учет распределения спектра электромагнитных колебаний от других радиоустройств в отдельном радиоканале при принятии решения о его назначении для радиосвязи беспроводному устройству.
Под отдельными радиоканалами понимаются отграниченные друг от друга в пространстве, во времени и по частоте радиоканалы.
Сущность изобретения заключается в том, что в случае отсутствия доступного для беспроводного устройства отдельного радиоканала по способу [2] дополнительно осуществляется определение загруженности отдельных радиоканалов, их упорядочивание с учетом загруженности и передачи номера наименее загруженного радиоканала в беспроводное устройство для использования.
Для этого сигнальная информация с измерительных устройств, измеряющих уровень сигнала дискретно на нескольких частотах отдельного радиоканала, передается не в базу данных измерений, а используется для регистрации и/или визуального наблюдения спектра электромагнитных колебаний, присутствующих в отдельном радиоканале с последующей передачей значений амплитудных составляющих этого спектра в вычислительное устройство, в котором осуществляется определение загруженности отдельного радиоканала.
Рассмотрим особенности предлагаемого способа.
Возможны несколько ситуаций. Первая ситуация, когда беспроводное устройство 1 (фиг. 5) используется на местности, где заблаговременно установлены (или могут быть установлены) р измерительных устройств 2 (р≥2). В этом случае определяют местоположение мобильного устройства 1 и выбирают одно или несколько, находящихся рядом с ним измерительных устройств 2.
Измерительные устройства выполняют измерение уровня сигнала на n-частотах в отдельном радиоканале и передают сигнальную информацию в устройство регистрации и/или визуального наблюдения спектра 5. Количество частот n на которых измеряется уровень сигнала выбирается в соответствии с теоремой Котельникова [1, с. 230] или любым другим методом, обеспечивающим требуемую точность. Если измерения осуществляются несколькими измерительными устройствами, то сигнальная информация суммируется на каждой из n-частот. Полученные значения уровня сигнала на n-частотах в отдельном радиоканале передаются в вычислительное устройство 4, которое осуществляет определение загруженности этого радиоканала.
Вторая ситуация, когда беспроводное устройство используется на местности, где не имеется инфраструктуры с установленными средствами измерений и их размещение невозможно (не целесообразно), то измерительные устройства устанавливают в непосредственной близости от мобильных устройств.
В этой ситуации местоположение мобильных устройств не определяется. Измерительные устройства, находящиеся на мобильных устройствах (или в непосредственной близости от них или любым другим образом, позволяющим получить достоверную сигнальную информацию) выполняют измерение на n-частотах отдельного радиоканала и передают сигнальную информацию в устройство регистрации и/или визуального наблюдения спектра 5. Если измерения осуществляются несколькими измерительными устройствами, то сигнальная информация суммируется на каждой из n-частот. Полученные значения уровня сигнала на n-частотах в отдельном радиоканале передаются в вычислительное устройство 4, которое осуществляет определение загруженности этого радиоканала.
В обеих ситуациях суммирование информации осуществляется в устройстве 5 с использованием его программных или технических средств и в процессе использования отдельного радиоканала беспроводным устройством возможно повторное измерение одним или несколькими измерительными устройствами уровня сигнала на n-частотах в используемом беспроводным устройством отдельном радиоканале и (или) в других отдельных радиоканалах из базы данных измерений 3, которые потенциально могут быть назначены для использования беспроводному устройству.
Для реализации способа допускаются различные варианты территориального размещения и конструктивного исполнения базы данных измерений 3, вычислительного устройства 4 и устройства регистрации спектра 5, в том числе, на одном (нескольких или каждом) мобильном устройстве.
Загруженность радиоканала определяется в вычислительном устройстве 4 с помощью показателя, значение которого, будет зависеть от равномерности распределения измеренного спектра электромагнитных колебаний в отдельном радиоканале:
где F[…] - функционал [3, с. 35] преобразования функции в показатель;
G(j2πƒ) - функция, описывающая измеренную спектральную плотность мощности электромагнитных колебаний в отдельном радиоканале;
Δƒ - полоса частот электромагнитных колебаний (отдельный радиоканал);
ƒ - частота;
в
ƒ - верхняя частота в полосе частот Δƒ;
н
ƒ - нижняя частота в полосе частот Δƒ.
Функционал (1) представляет собой переменную величину, значение которой зависит от вида функции G(…), описывающей спектр электромагнитных колебаний в отдельном радиоканале. Функционал (1) отражает, во-первых, степень соответствия уровня сигналов (энергии) в отдельном радиоканале и занимаемой ими полосы частот радиочастотной маске этого радиоканала и, во-вторых, степень загруженности отдельного радиоканала.
Для аналитического описания введенного функционала (1) используем понятие выпуклой функции [4], исходя из которого спектр - это выпуклая снизу (сверху) функция. Тогда, для описания функционала (1) воспользуемся неравенством Иенсена [4]:
где y=ƒ(x) - функция, выпуклая на некотором интервале, в нашем случае спектр электромагнитных колебаний в отдельном радиоканале;
1
2
n
х, х,…, x - произвольные числа из этого интервала, в нашем случае измеренные значения амплитуд гармоник в спектре электромагнитных колебаний в отдельном радиоканале;
1
2
n
α, α,…,α - произвольные положительные числа, сумма которых равна единице.
Если  и
то
Если  и
то
Тогда выражение (2) можно записать в виде:
1
2
n
Из выражения (10) видно, что в случае, когда х≠х≠…≠x, функция ƒ(х) может принимать значения меньше максимального значения, соответствующего
Исходя из выражений (2-10) следует, что для определения степени загруженности отдельного радиоканала можно использовать функционал:
n
где f[G(j2πƒ)] - выпуклая функция (спектр);
n
ƒ - дискретная n-ая частота в полосе частот отдельного радиоканала;
ƒ[…] - функционал преобразования функции в показатель.
Когда все гармоники в спектре электромагнитных колебаний будут иметь одинаковые амплитуды (случай, когда выполняется условие (6)), функционал (11) примет максимальное значение.
После передачи измеренных амплитуд сигнала на n-частотах из устройства регистрации и/или визуального наблюдения спектра 5 в вычислительное устройство 4 в нем осуществляется преобразование n дискретных значений сигнала в непрерывную функцию, определенную в заданной полосе частот Δƒ. Т.е. переход от дискретной формы записи неравенства Иенсена (16) к интегральной форме записи (для непрерывного спектра):
min
max
где g(x) и α(х) - функции, определенные на интервале от x до x и удовлетворяющие условию (13).
Таким образом, задача аналитического описания функционала (7) для расчета в вычислительном устройстве 4 сводится к использованию функции ƒ(…) в выражении (11).
С учетом (12) и условий (13) функционал (11) запишем в виде:
где k - нормировочный коэффициент, удовлетворяющий условиям (13).
Функционал (14) используется для расчета в вычислительном устройстве 4 участков спектра, представляющих собой либо выпуклую сверху, либо выпуклую снизу функцию. Спектр может иметь участки как выпуклые сверху, так и выпуклые снизу. Это вносить некоторую неопределенность в определение загруженности отдельного радиоканала. Для определения загруженности отдельного радиоканала воспользуемся понятием энтропии, которая является мерой неопределенности и имеет максимальное значение, когда возможности (реализации) равновероятны [5]. Энтропией системы называется сумма произведений вероятностей различных состояний системы на логарифмы этих вероятностей, взятая с обратным знаком [5]:
где m - число состояний системы (возможностей);
i
p - вероятность i-го состояния (возможности).
Исходя из (15) в качестве выпуклой функции для показателя (14) можно использовать функцию вида:
тогда, используя (14), получим:
Значение нормировочного коэффициента k определяется условием (8). Для спектра прямоугольной формы справедливо выражение
где А - максимально допустимое амплитудное значение спектра, установленное требованиями нормативно-правовых документов в области радиосвязи для данного типа беспроводных устройств например [6].
Тогда
или
Степень загруженности отдельного радиоканала можно определить с помощью функционала:
Функционал (21) достигает максимума, когда значения функции  для заданной полосы частот Δƒ равны.
В выражении (21) параметры А и Δƒ описывают спектральную маску отдельного радиоканала.
Функция G(j2πƒ) является результатом интерполяции [1, с. 76] в вычислительном устройстве дискретных отсчетов измеряемого спектра на основе выполненных измерительными устройствами измерений значений дискретных отсчетов спектра электромагнитных колебаний в отдельном радиоканале.
Таким образом, имеем показатель загруженности отдельного радиоканала, который одновременно отражает, во-первых, степень соответствия уровня сигналов (энергии) в отдельном радиоканале и занимаемой ими полосы частот радиочастотной маске этого радиоканала и, во-вторых, степень загруженности отдельного радиоканала.
Чем больше загружен отдельного радиоканал, тем выше значение показателя загруженности Кс.
После вычисления загруженности отдельного радиоканала заносят результат вычислений в базу данных измерений, выполняют измерение уровня сигнала на n-частотах одним или несколькими измерительными устройствами и определяют загруженность в отношении следующих отдельных радиоканалов и заносят результаты вычислений загруженности всех отдельных радиоканалов в базу данных измерений. Сравнивают полученное значение показателя загруженности Кс каждого отдельного радиоканала с некоторым пороговым значением загруженности. Если результат сравнения показывает, что доступных для использования беспроводному устройству отдельных радиоканалов нет, не используют беспроводное устройство в заданном местоположении.
Если результат сравнения показывает наличие отдельных радиоканалов с показателем загруженности Кс ниже некоторого порогового значения загруженности, то определяют наименее загруженные отдельные радиоканалы и формируют последовательность из отдельных радиоканалов, в которой первым располагают отдельный радиоканал, имеющий наименьшее значение показателя загруженности Кс, а остальные отдельные радиоканалы располагаются в порядке увеличения их показателя загруженности Кс. Назначенный номер отдельного радиоканала передается из базы данных измерений 3 в беспроводное устройство 1, где используется для радиосвязи. Порядок выбора номера отдельного радиоканала для назначения беспроводному устройству 1 осуществляется последовательно от номера 1 в сторону увеличения.
В дальнейшем периодически измеряют одним или несколькими измерительными устройствами уровень сигнала на n-частотах в отдельном радиоканале, используемом беспроводным устройством, и (или) в других отдельных радиоканалах, определяют значение показателя загруженности Кс отдельного радиоканала, определяют наименее загруженные отдельные радиоканалы и при наличии другого канала с наименьшим показателем загруженности Кс переназначают отдельный радиоканал для использования беспроводному устройству.
Переназначение отдельного радиоканала может не производится, если значение показателя загруженности отдельного радиоканала изменяется в некоторых допустимых пределах.
Как видно из описания предложенного способа назначения беспроводному устройству наименее загруженного отдельного радиоканала, он обладает преимуществом по сравнению с прототипом [2]. Это выражается в том, что при принятии решения о назначении отдельного радиоканала для радиосвязи беспроводному устройству учитывается распределение спектра электромагнитных колебаний от других радиоустройств в этом радиоканале.
По сравнению с прототипом реализована возможность назначения для использования беспроводному устройству частично загруженного радиоканала, когда доступных для использования беспроводному устройству отдельных радиоканалов по способу [2] нет. Это позволяет использовать беспроводные устройства в условиях отсутствия доступных радиоканалов, экономить ресурс спектра, расширять функциональные возможности систем радиосвязи, локальных систем радиочастотного контроля, измерительных комплексов и систем, систем автоматизированного проектирования, используемых при разработке и эксплуатации систем радиосвязи. Например, появляются возможности: более рационального использования спектра за счет совместного использования радиоканалов беспроводными устройствами; определения достигаемого эффекта от использования тех или иных методов кодирования информации, помехозащищенности, скрытности и электромагнитной совместимости средств радиосвязи.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Краткий энциклопедический словарь по радиоэлектронике и радиопромышленности / Е.Г. Геннадиева, В.Г. Дождиков, А.В. Кульба [и др.]; под общей редакцией В.Н. Саблина. - М.: ДИВО, 2006. - 283 с.: ил. - Авт. указаны на обороте тит. л. - Текст: непосредственный.
2. Патент №2668291 С2 Российская Федерация, МПК H04W 4/02 (2009.01), H04W 72/04 (2009.01). Использование радиоканалов: №2016118418: заявл. 10.11.2014: опубл. 16.11.2017 / Гарнетт Пол В., Хассан Амер А., Митчелл Пол В.А., Ян Джеффри З.; заявитель Майкрософт текнолоджи лайсенсинг, ЭлЭлСи (US) - 29 с.: ил. - Текст: непосредственный.
3. Зюко, А.Г. Теория электрической связи: учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров; под общей редакцией Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 1999. - 432 с.: ил. - Текст: непосредственный.
4. Неравенство Иенсена / О. Ижболдин, Л. Курляндчик. - Текст: непосредственный // Квант. - 2000. - №4.
5. Стратонович, Р.Л. Теория информации. - М.: Советское радио, 1975 - 424 с.: ил. - Текст: непосредственный.
6. Решение ГКРЧ №21-60-01 «Об утверждении норм параметров радиоизлучений (приема) радиоэлектронных средств, влияющих на их электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами» от 29.11.2021 (Протокол №21-60-01). 362 с.