Практикум для студен тов специальности 198 01 03 Программное обеспечение информаци онной безопасности мобильных систем

• Название: Практикум для студен тов специальности 198 01 03 Программное обеспечение информаци онной безопасности мобильных систем
• Дата: 15.03.2023
• Размер: 6.84 Mb.
• Имя файла: Busnjuk_sistemy mobil'noj svjazi.pdf
• Тип: Практикум; #990462
• страница: 8 из 9

Порядок выполнения работы
Запустите программу MATLAB и далее – Simulink.
1. Исследовать помехоустойчивость модуляции BPSK при опти- мальном линейном сложении сигналов и оптимальном автовыборе:
1.1. Создать модель, показанную на рис. 2.22.
1.2. Генератор Бернулли должен производить Frame-based сигнал.
Sample time = 1/1200.

84 1.3. В блоке AWGN Channel режим (Mode) должен быть установлен на Signal to Noise Ratio (Eb/No), Symbol period (s): 1/1200. Отношение
SNR в первой ветви разнесения установить 1 db, а во второй – изме- нять в интервале от 1 до 10 db с шагом 1 db. Данные свести в таблицу.
1.4. Выполнить п. 1.3 при отношении SNR в первой ветви разне- сения 3, 6, 9 db, а во второй – изменять в интервале от 1 до 10 db с ша- гом 1 db.
1.5. На основании полученных результатов в дальнейшем данные использовать для построения семейства графиков зависимости Error
Rate = f(SNR) для всех исследуемых моделей (всего 4 семейства для разных SNR в первой ветви). Для этого можно использовать интер- фейс BERTool (новоя версия Release 14).
1.6. В блоках BPSK модулятора/демодулятора формат данных должен быть переключен на двоичный (Bit).
1.7. В блоке Error Rate Calculator параметр Output data должен быть переключен на Port.
1.8. Время моделирования Simulation time: 10.
2. Исследовать помехоустойчивость BPSK при линейном сложе- нии сигналов (рис. 2.23) и комбинированной обработке сигналов при пространственном разнесении (рис. 2.24).
3. Исследовать помехоустойчивость модуляции BPSK при много- лучевом распространении сигнала со спектром Джейкса:
– создать модель, показанную на рис. 2.25;
– генератор Random Integer должен производить Framebased сиг- нал. Sample time = 1/500000. M-ary number: 2. Samples per frame: 8;
– для четырехлучевого канала в блоке Multipath Rayleigh Fading
Channel параметр Maximum Doppler shift (Hz) установить 100 для чет- ных N и 200 – для нечетных N. Discrete path delay vector (s): 1.0e−004 *
[0 0.0400 0.0800 0.1200]; Average path gain vector (dB): [0 −3 −6 −9].
Установить флажок Open channel visualization at start of simulation;
– в блоке LMS Linear Equalizer установить параметры: Number of taps: 4; Signal constellation: pskmod([0:1],2); Reference tap: 2; Step size: 0.1;
– время расчета выбрать «inf»; в блоке Error Rate Calculation по- ставить флажок на Stop simulation и установить Target number of er- rors: 200, а Maximum number of symbols: 500;
– выполнить расчеты для 3, 5, 6 и т. д. лучей (количество лучей – по заданию преподавателя) и построить зависимость BER = f(N
path
).
Наблюдать изменение сигнальных созвездий до и после эквалайзе- ра, а также все визиализируемые характеристики в блоке Visualization.

85
Рис
. 2.22.
Имитационная модель оптимального линейного сложения сигналов и
оптимального автовыб ора

86
Рис
. 2.23.
Имитационная модель линейного сложения сигналов

87
Рис
. 2.24.
Имитационная модель к
омбинированной обработки цифровых сигналов при пространственном разнесении

88
Рис
.2.25.
Имитационная модель многолучевого канала

89
Задание на лабораторную работу
1.
Создать с использованием среды MATLAB имитационные модели.
2.
Построить графические зависимости для BER исследуемых моделей и проанализировать их.
3.
С использованием программ Matlab (приложение 1, 2) выпол- нить расчеты по своему варианту для релеевского канала.
Содержание отчета
1.
Титульный лист.
2.
Цель работы и задание на лабораторную работу.
3.
Схема имитационных моделей.
4.
Результаты наблюдений, вычислений, графики и диаграммы.
5.
Выводы по полученным данным.
Контрольные вопросы
1.
Какой параметр характеризует помехоустойчивость системы цифровой связи?
2.
В чем заключается принципиальная разница между системами цифровой и аналоговой связи?
3.
Какая характеристика системы связи измеряется вероятностью ошибки?
4.
Вероятность ошибки должна быть существенно ниже в систе- мах передачи речевых сигналов или в системах передачи данных?
5.
В чем принципиальная разница между замираниями и помеха- ми (шумами)?
6.
Назовите основные методы разнесения при разнесенном приеме.
7.
Каким образом воздействуют на полезный сигнал аддитивные и мультипликативные помехи?
8.
Какой вид модуляции применяется в изучаемых моделях?
9.
Поясните характеристики, визиализируемые в блоке Multipath
Rayleigh Fading Channel.
10.
Какой полезный эффект дает возможность создания подсистем?
11.
В чем заключается основное преимущество маскированной подсистемы по сравнению с обычной подсистемой?

90
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
СЕТЕЙ РАДИОСВЯЗИ
3.1. Представление сетей радиосвязи графами
Сеть сотовой связи
представляет собой совокупность приемопе- редающих станций, обслуживающих определенную территорию.
Модуль сети радиосвязи
– расстояние между соседними стан- циями сети сотовой структуры.
Координационное расстояние D
– расстояние между станциями, работающими в одном частотном канале.
Радиус зоны обслуживания
– область, в которой обеспечивается прием сигналов с заданным качеством.
Граф сети радиосвязи
– граф, вершины которого соответствуют пунктам установки передающих станций, а ребрами соединены те пе- редатчики, которые создают помехи приему в соответствующей зоне обслуживания друг друга.
Поскольку распространение радиоволн одинаково во всех на- правлениях, ребра графа сети связи являются неориентированными, однократными и без петель. То есть граф сети связи – простой.
Сота представляет собой шестиугольник. Модуль сети вычисля- ется как расстояние между центрами смежных шестиугольников, а ра- диус зоны обслуживания – расстояние от центра шестиугольника до вершины.
Построение графа связи с помощью координационных колец
Идея алгоритма. Задано расположение станций на местности, ра- бочие частоты, координационное расстояние D. Строим вокруг первой станции окружность радиуса D. Для всех станций, попавших внутрь круга, проверяем, совпадают ли их рабочие частоты с частотой первой станции. Если частоты совпадают, то соответствующие данным стан- циям вершины в графе связи соединяем ребром с первой вершиной.
Повторяем все вышеописанные действия для остальных станций.
3 3

91
Построение графа связи с помощью матриц
Идея алгоритма. Задано расположение станций на местности, рабочие частоты, координационное расстояние D. Формируем матрицу T такую, что t
ij
=1 (i ≠ j), если рабочие частоты станций i и j
совпадают, и t
ij
= 0 при i = j или при несовпадении частот. Вычисляем расстояния между станциями с одинаковыми частотами (t
ij
= 1) и на основе матрицы T формируем матрицу A,у которой элемент
a
ij
равен 1, если станции i и j (i ≠ j) имеют одинаковые частоты
(т. е. t
ij
= 1) и расстояние между ними не больше координационного.
Во всех остальных случаях a
i
j= 0. Полученная матрица A – матрица смежности графа сети связи.
3.2. Лабораторная работа № 7
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕТЕЙ РАДИОСВЯЗИ
НА ЯЗЫКЕ С++
Цель работы: расчет взаимовлияния базовых станций и построе- ние графа сети радиосвязи на одном из языков программирования.
Порядок выполнения работы
ПРИМЕР 3.1. Структура сети сотовой связи показана на рис. 3.1
(масштаб – 1 клетка
=
1 км). Координационное расстояние равно 5 км, рабочие частоты станций удовлетворяют условиям: f
l
= f
4
,
f
2
= f
3
= f
5
, f
6
= f
7
= f
8
. Построить граф сети связи и задать его матрицей смежности A(G).
Рис.3.1. Структура сети сотовой связи

92
Решение
Построение графа связи с помощью координационых колец
Шаг 1. Вокруг каждой станции строятся окружности радиусом, равным координационному расстоянию, в нашем случае 5 км.
На рис. 3.2 приведен пример координационного кольца для станции 8.
Рис.
3.2. Координационное кольцо
Шаг 2. Станции, лежащие внутри данного кольца, могут создавать помехи для станции 8, если работают с ней на одной частоте. Поэтому проверяем, какие частоты принадлежат станциям, лежащим внутри кольца. В данном случае станции 7 и 8 имеют одинаковые рабочие частоты, следовательно, оказывают друг на друга мешающее влияние.
Ребром соединяем вершины 7 и 8.
Шаг 3. Аналогичные операции выполняются и для остальных станций сети. В результате построения колец и анализа помех, новых ребер в нашем случае не обнаруживается. Следовательно, получаем граф связи, изображенный на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Граф связи

93
Замечание. На рисунке, задающем граф сети связи, нет необходи- мости соблюдать порядок расположения вершин, соответствующий реальной сети, и выдерживать расстояния. Наличие помех отмечается ребрами.
Построение графа связи с помощью матриц
Анализируя условия, связывающие частоты, строим матрицу T:
Матрица симметрична, для построения матрицы смежности A(G) достаточно вычислить расстояния между станциями, которым соответствуют единицы в треугольнике над диагональю матрицы T:
2 2
1,4 4,1
ρ(1,4)
7 4
65 8,06 5,
0;
a
a
=
+
=
≈
>
⇒
=
=
2 2
2,3 3,2
ρ(2,3)
7 1
50 7,07 5,
0;
a
a
=
+
=
≈
>
⇒
=
=
2 2
2,5 5,2
ρ(2,5)
4 4
32 5,65 5,
0;
a
a
=
+
=
≈
>
⇒
=
=
2 2
3,5 5,3
ρ(3,5)
11 5
136 11,66 5,
0;
a
a
=
+
=
≈
>
⇒
=
=
2 2
6,7 7,6
ρ(6,7)
11 7
170 13,03 5,
0;
a
a
=
+
=
≈
>
⇒
=
=

94 2
2 6,8 8,6
ρ(6,8)
9 3
90 9,48 5,
0;
a
a
=
+
=
≈
>
⇒
=
=
2 2
7,8 8,7
ρ(7,8)
2 4
20 4,47 5,
1.
a
a
=
+
=
≈
<
⇒
=
=
Замечание. Расстояния в сотовой сети будем вычислять следую- щим образом. Все станции можно разбить на группы, элементы которых равноудалены от начальной станции A
0
, т. е. расположены на окружности с центром A
0 определенного радиуса (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Разбиение станций на группы
В правильном шестиугольнике со стороной a расстояние от цен- тра до вершины равно a, а расстояние от центра до стороны равно
3 / 2
a
(высота правильного треугольника).
В сети сотовой связи с модулем R
0
длина стороны вычисляется по формуле
0
/ 3
a R
=
(рис. 3.5).
Вычислим расстояние от центра верхнего шестиугольника A
0
до цен- тров остальных. Заметим, что
9 1 0 1
A A
A B
=
,
9 3 0 3
A A
A B
=
,
9 4 0 4
A A
A B
=
1.
Расстояние между A
0
и A
1
равно модулю сети R
0
(рис. 3.5, а).

95 2.
Расстояние между A
0
и A
2
равно
0 3
R
(рис. 3.5, б).
3.
Расстояние между A
0
и A
3
равно 2R
0
(рис. 3.5, в).
4.
Расстояние между A
0
и A
4
найдем по теореме косинусов
(рис. 3.5, г).
а б в г
Рис.
3.5. Расстояния в сотовой сети между центром верхнего шестиугольника A
0
и центрами остальных:
а – A
1
; б – A
2
; в – A
3
; г – A
4 2
2 0 4 0 2 2 4 0 2 2 4 2
2 2
0 0
0 0
2
cos150 3
3 2 3 7 .
2
A A
A A
A A
A A
A A
R
R
R
R
−
+
−
⋅
⋅
° =
=
+
+
⋅
=
Если координационное расстояние достаточно большое, то необходимо рассматривать более крупный фрагмент сети, но принцип вычисления расстояний будет тот же.
ПРИМЕР 3.2. Фрагмент однородной сотовой сети представлен на рис. 3.6. Радиус зоны обслуживания (радиус окружности, описанной вокруг шестиугольника) равен 4 км, координационное расстояние равно 18,3 км. Определить, какие из указанных базовых станций могут оказывать мешающее влияние на базовую станцию 1.
Решение
Шаг 1. Зная радиус зоны обслуживания, определяется модуль сети: км.
6,93 3
4 3
зоны
0
≈
=
⋅
= R
R

96
Шаг 2. Определяется расстояние R
1
до ближайших станций 2, 3, 4,
5, 6, 7. Оно равно модулю сети км.
6,93 3
4 1
≈
=
R
Рис. 3.6. Фрагмент однородной сотовой сети
Шаг 3. Определяем расстояние R
2
до станций 8, 10, 12, 14, 16, 18: км.
12 3
3 4
3 9
2
=
=
= R
R
Шаг 4. Определяем расстояние R
3 до станций 9,
11,
13,
15,
17,
19:
км.
13,86 3
8 2
0 3
≈
=
= R
R
Шаг 5. Определим расстояние R
4 до станций
21,
23,
25,
27,
29,
31:
км.
18,33 21 4
3 4
7 7
9 4
≈
=
⋅
=
=
R
R
Расстояние R
4
больше координационного. В результате получаем часть графа связи, характеризующую станцию 1 (рис. 3.7).

97
Рис. 3.7. Часть графа связи, характеризующая станцию 1
Для того, чтобы построить граф всей сети, необходимо проанали- зировать мешающее влияние всех станций друг на друга. Очевидно, что для каждой станции мешающие будут располагаться таким же ха- рактерным «веером», как для станции 1.
Задание на лабораторную работу
В соответствии с примерами 3.1 и 3.2 выполнить нижеприведен- ные задания в соответствии со своим вариантом. Построить необхо- димые схемы и матрицы, написать алгоритм решения задачи и запро- граммировать.
1.
Сеть радиосвязи состоит из восьми станций, расположение кото- рых показано на рис. 3.8, а. Координационное расстояние равно 4 км, ра- бочие частоты всех станций одинаковы. Построить для данной сети граф.
2.
Сеть радиовещания состоит из пяти передающих станций, ее структура показана на рис. 3.8, б (масштаб – 1 клетка
=
1 км). Коорди- национное расстояние равно 4 км, рабочие частоты всех станций оди- наковы. Построить граф сети.
3.
Для радиопокрытия города N установлено восемь базовых станций (рис. 3.8, в). Координационное расстояние равно 9 км, рабо- чие частоты станций следующие: f
l
= f
4
, f
2
= f
3
= f
5
, f
6
= f
7
= f
8
. Опреде- лить матрицу смежности и построить граф сети.

98 4.
Сеть радиовещания состоит из шести передающих станций
(рис. 3.8, г). Координационное расстояние равно 18 км, рабочие часто- ты всех станций одинаковы. Построить для данной сети граф.
а б
в г
Рис. 3.8. Расположение станций сети радиосвязи в масштабе, км:
а – 1; б – 2; в – 1,5; г – 3 5.
Структура сети радиовещания показана на рис. 3.9, а. Радиус зоны обслуживания равен 38 км, координационное расстояние равно
114 км. Определить, будут ли указанные станции оказывать взаимные влияния друг на друга, построить граф сети и матрицу смежности.
6.
В городе N установлены 15 базовых станций (рис. 3.9, б). Ради- ус зон покрытия базовых станций равен 3,5 км, координационное рас- стояние D = 18,2 км. Определить, будут ли станции сети оказывать взаимные влияния друг на друга, построить граф сети и матрицу смежности.

99 7.
Структура сети сотовой связи города N представлена на рис. 3.9, в.
Радиус зон покрытия базовых станций равен 1,6 км, координационное расстояние равно 10 км. Определить, какие станции будут оказывать взаимные влияния друг на друга, и построить граф сети.
Рис. 3.9. Структура сети:
а – радиовещания; б – с 15 базовыми станциями; в – города N
а
б
в

100
Содержание отчета
1.
Титульный лист.
2.
Цель работы и задание на лабораторную работу.
3.
Графическая схема имитационных моделей.
4.
Алгоритм.
5.
Программный код.
6.
Полученные результаты и выводы по полученным данным.
Контрольные вопросы
1.
Что представляет собой сеть сотовой связи?
2.
Что такое модуль сети радиосвязи?
3.
Что называют координационным расстоянием в планировании мобильных сетей?
4.
Что такое радиус зоны обслуживания?
5.
Как строится граф сети радиосвязи и задается его матрица?
6.
Объясните назначение координационных колец.

101
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
The Matlab code for generating Rayleigh random sequence with a
Doppler frequency of 100 Hz. clear all; close all;
N=32; fm=100; df=(2*fm)/(N-1); fs=10*fm;
M=(fs/df)+1;
T=1/df;
Ts=1/fs; g=randn(1,N/2)+j*randn(1,N/2); gc=conj(g); g1=[fliplr(gc), g]; g=randn(1,N/2)+j*randn(1,N/2); gc=conj(g); g2=[fliplr(gc), g]; f=-fm:df:fm;
S=1.5./(pi*fm*sqrt(1-(f/fm).^2));
S(1)=2*S(2)-S(3);
S(end)=2*S(end-1)-S(end-2);
X=g1.*sqrt(S);
X=[zeros(1,(M-N)/2), X, zeros(1,(M-N)/2)]; x=abs(ifft(X));
Y=g2.*sqrt(S);
Y=[zeros(1,(M-N)/2), Y, zeros(1,(M-N)/2)]; y=abs(ifft(Y)); r=sqrt(x.^2+y.^2); t=0:Ts:T; plot(t,10*log10(r/mean(r))) xlabel('Time(sec)') ylabel('Signal Amplitude (dB)')
½
½

102