Дослідження методів оцінки пропускної здатності радіорелейних ліній зв'язку із адаптивною модуляцією

Abstract

Радіорелейні лінії (РРЛ) широко застосовуються на транспортних мережах зв'язку та мережах доступу різного призначення завдяки можливості швидкого розгортання з істотно меншими витратами, порівняно з волоконно-оптичними лініями зв'язку (ВОЛЗ). У мережах рухомого зв'язку радіорелейні лінії становлять основу бездротового розподільного транспортного сегмента, оскільки забезпечують інформаційне включення вузлів радіодоступу з ядром мережі безпосередньо або через найближчий майданчик, обладнаний точкою доступу до ВОЛЗ [1-3]. Розвиток технологій рухомого зв'язку 5G, і в перспективі 6G, висуває високі вимоги до пропускної спроможності бездротового транспортного сегмента загалом і радіорелейних ліній. Одним із напрямів підвищення пропускної здатності РРЛ для задоволення вимог мереж 5G є освоєння нових діапазонів радіочастотного спектра. Застосування діапазону міліметрових радіохвиль дає змогу загалом розв'язати завдання підвищення пропускної здатності радіорелейних систем передавання. Однак, суттєва залежність поширення радіохвиль зазначеного діапазону від метеоумов і недостатня вивченість цієї залежності є стримувальним фактором прогнозування якості зв'язку в радіорелейних лініях на етапі їхнього планування і проектування [4,5]. Склалася ситуація, коли методи і моделі розрахунку показників якості радіорелейного зв'язку, описані в нормативних документах галузі та рекомендаціях, відстають від технологічних досягнень і не охоплюють широко застосовувану на практиці ділянку міліметрового діапазону хвиль E-band. Особливістю радіорелейного зв'язку в міліметровому діапазоні частот є його сильна схильність до впливу опадів, що спричиняють глибокі завмирання сигналів, для боротьби з якими на інтервалах РРЛ (радіорелейних інтервалах - РРІ) або підтримують підвищений запас потужності, або використовують адаптивну модуляцію (АМ), або адаптивне управління потужністю передавача в поєднанні з АМ. Під адаптивною модуляцією розуміють автоматичне перемикання рівнів (режимів) модуляції залежно від величини глибини завмирань на радіорелейному інтервалі з метою підтримання максимальної пропускної здатності радіорелейного інтервалу залежно від поточних (контрольованих) умов поширення радіохвиль. Контрольованими параметрами є потужність сигналу на прийомі або відношення сигнал-шум, а керованими параметрами є рівні модуляції. Завдяки використанню вищих рівнів модуляції, що забезпечують вищу швидкість, але з меншою стійкістю, доступний запас на завмирання може бути перетворено на збільшення пропускної здатності. Хоча радіорелейне обладнання в міліметровому діапазоні з використанням адаптивної модуляції AQAM широко застосовують на практиці вже близько 10 років, відсутність в наявних методах і методиках розрахунку показників якості математичного апарату для врахування опадів у цьому діапазоні й урахуванні використання АМ ускладнює оцінювання ефективності функціонування РРЗІ на етапі планування, а також ускладнює обґрунтованість відповідних проєктних і технічних рішень. За час експлуатації радіорелейного обладнання міліметрового діапазону хвиль зібрано достатній обсяг статистичних даних, що дає змогу оцінити й узагальнити вплив метеоумов на завмирання сигналів. На основі наявних статистичних даних актуальним є дослідження зазначеного впливу в діапазоні E-Band. Таким чином, чинні методики оцінки РРІ вже не повною мірою відповідають сучасним технологіям. У зв'язку з цим, дослідження, спрямовані на врахування адаптивної модуляції та її впливу на пропускну спроможність цифрової радіорелейної лінії (ЦРРЛ) під час впливу опадів на завмирання в міліметровому діапазоні, є актуальними. Об'єктом дослідження є радіорелейна лінія (РРЛ) з адаптивною модуляцією (АМ). Предметом дослідження є методи розрахунку пропускної здатності радіорелейних ліній з адаптивною модуляцією. Мета дослідження полягає в підвищенні пропускної здатності радіорелейних ліній за рахунок використання адаптивної модуляції та кількісного обґрунтування режимів роботи радіорелейних станцій (РРС) під час планування й оптимізації РРЛ з АМ. У першому розділі розглянуто тенденції розвитку мереж мобільного зв'язку (ММЗ), що спрямовані на досягнення максимально можливої пропускної спроможності, мінімального часу затримки, поліпшеної спектральної ефективності, високої точності синхронізації тощо. У другому розділі представлено модель радіорелейної лінії з адаптивною модуляцією, що дає змогу оцінювати вплив режимів роботи радіорелейних станцій з адаптивною модуляцією на стійкість функціонування РРЛ в умовах впливу завмирань. Розроблена модель містить залежності пропускної спроможності від функції розподілу ймовірності завмирань для різних типів трафіку в РРЛ: для пріоритетного безперервного типу трафіку без використання АМ, для непріоритетного переривчастого типу трафіку з використанням АМ та для агрегованого типу трафіку, що поєднує у собі передавання безперервного та переривчастого типів трафіку в РРЛ з АМ. У третьому розділі представлено метод розрахунку пропускної здатності радіорелейної лінії з адаптивною модуляцією в умовах завмирань, характерних для міліметрового діапазону хвиль, що є найбільш точним порівняно з наявними. Показано взаємозв'язок пропускної здатності з коефіцієнтами неготовності інтервалів РРЛ з різними градаціями швидкості передавання за відомої функції розподілу завмирань. У четвертому розділі здійснено дослідження ефективності використання розробленого методу розрахунку пропускної здатності радіорелейної лінії з адаптивною модуляцією з урахуванням особливостей поширення радіохвиль у міліметровому діапазоні. У п’ятому розділі здійснена економічна оцінка впровадження автоматизованого тестування програмного забезпечення для контролю якості обслуговування користувачів. На основі здійснених обчислень підтверджено доцільність реалізації розглянутого проєкту.Radio relay lines (RRLs) have become a core element in transport and access networks, valued for their rapid deployment potential and significantly lower costs compared to fiber-optic communication lines (FOCLs). In mobile networks, RRLs form the backbone of the wireless transport segment, enabling direct or indirect connectivity between radio access nodes and the network core, often through a nearby FOCL access point [1-3]. The transition to 5G, and future 6G technologies, brings heightened demands for capacity in wireless transport networks, particularly impacting RRLs. One approach to meeting these requirements is through expanding the radio frequency spectrum. Utilizing the millimeter-wave band offers a promising solution to enhance RRL capacity, although its sensitivity to meteorological conditions and limited research on this dependency poses challenges for reliable communication quality prediction in RRL planning and design [4,5]. Current industry standards and models for calculating RRL communication quality have not fully evolved to include millimeter-wave E-band frequencies, frequently used in practice. This band’s vulnerability to precipitation results in deep signal fades, which can be mitigated in RRLs through maintaining a higher power reserve, adaptive modulation (AM), or using adaptive transmitter power control along with AM. Adaptive modulation enables automatic modulation level adjustments based on signal fading depth, thereby optimizing RRL capacity under varying propagation conditions. Signal power or signal-to-noise ratio is continuously monitored, while modulation levels are adjusted to maximize throughput. Higher modulation levels, though less stable, facilitate increased data rates by converting the available fade margin into higher capacity. Despite the decade-long use of AQAM adaptive modulation in millimeter-wave RRL equipment, limitations in mathematical models for considering precipitation effects and AM impacts complicate performance assessment and design validation in RRL planning. Sufficient statistical data has now been gathered on millimeter-wave RRL equipment to assess how weather conditions affect signal fading, supporting further study in the Eband. Existing RRL assessment methods are no longer fully aligned with modern technology needs, highlighting the relevance of research into adaptive modulation's impact on digital RRL capacity under fading conditions in the millimeter-wave range. This study focuses on RRLs with adaptive modulation (AM), specifically exploring methods to calculate RRL capacity with AM. The objective is to enhance RRL capacity by applying AM and quantifying operational modes of radio relay stations (RS) in AM-based RRL planning and optimization. The first section examines mobile communication network (MCN) trends toward maximum throughput, low latency, improved spectral efficiency, and high synchronization precision. Section 2 introduces an adaptive modulation RRL model that evaluates AM station operation's effect on RRL stability under fading. The model illustrates throughput dependency on deadlock probability distributions across traffic types: continuous priority traffic without AM, intermittent non-priority traffic with AM, and mixed traffic combining continuous and intermittent transmissions with AM. In Section 3, a method for calculating AM-based RRL throughput under millimeterwave fading is presented, offering greater precision than existing methods. This includesanalyzing the relationship between throughput and RRL interval unavailability, factoring in rate gradations for known fade distributions. Section 4 assesses this method's effectiveness in accounting for millimeter-wave propagation characteristics. Section 5 provides an economic evaluation of introducing automated software testing to monitor user service quality, with calculations confirming the project's feasibility.