Широкосмугова стільникова система передачі даних

Abstract

Актуальність теми. Сучасна архітектура телекомунікаційних мереж стикається з безпрецедентним навантаженням через експоненційне зростання кількості підключених смарт-пристроїв та перехід до концепції інтернету речей (IoT). Користувачі масово інтегрують ресурсоємні хмарні застосунки та відеоконтент ультрависокої роздільної здатності у своє повсякденне життя, що генерує величезні обсяги мобільного трафіку. За таких умов традиційні методи радіодоступу швидко вичерпують свій ресурс ємності. Саме тому індустрія електронних комунікацій спирається на широкосмугові системи стандарту LTE та здійснює інтенсивну міграцію до мереж п’ятого покоління (5G). Фундаментальною перешкодою для гарантування високої пропускної здатності в умовах урбанізованого середовища є обмеженість спектра та деструктивний вплив багатопроменевого поширення радіохвиль. Вирішення цієї проблеми лежить у площині застосування ортогонального частотного мультиплексування (OFDM). Ця технологія, разом із її специфічними модифікаціями OFDMA та SC-FDMA для низхідних і висхідних каналів відповідно, відкриває можливості для максимальної спектральної ефективності. Поєднання OFDM із динамічною адаптивною модуляцією (від QPSK до 64-QAM) дозволяє гнучко балансувати між швидкістю передачі та завадостійкістю. Отже, глибоке дослідження механізмів формування радіоінтерфейсу та алгоритмів розподілу ресурсних блоків у сучасних широкосмугових стільникових мережах є критично необхідним і своєчасним науково-інженерним завданням. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Кваліфікаційне дослідження виконано в рамках пріоритетних науково-технічних напрямків кафедри телекомунікаційних та радіоелектронних систем Факультету аеронавігації, електроніки та телекомунікацій Національного університету «Київський авіаційний інститут». Мета і завдання дослідження. Метою кваліфікаційної роботи є аналіз архітектурної побудови еволюціонованої пакетної системи та дослідження фізичних принципів формування радіоінтерфейсу на базі ортогонального частотного мультиплексування для забезпечення високої пропускної здатності мереж передачі даних. Для досягнення поставленої мети вирішуються такі наукові завдання: 1. Проаналізувати еволюцію стільникових мереж, загальні принципи організації радіозв’язку та функціональне призначення компонентів систем від базових поколінь до архітектур LTE/5G. 2. Дослідити фізичні процеси формування радіоінтерфейсу на основі технології цифрового мультиплексування OFDM та математичних перетворень Фур’є. 3. Оцінити завадостійкість та ефективність застосування різних видів багатопозиційної квадратурної амплітудної модуляції в умовах динамічної зміни параметрів каналу. 4. Вивчити структуру та механізми розподілу частотно-часового канального ресурсу в широкосмугових системах стільникового зв’язку. 5. Здійснити порівняльний аналіз методів передачі інформаційних потоків у прямому та зворотному каналах, а також проаналізувати удосконалені алгоритми динамічного розподілу піднесучих (Режим А та Режим Б). Об’єкт дослідження – процеси формування сигналів та функціонування мережевої архітектури у широкосмугових стільникових системах мобільного зв’язку електронних комунікацій. Предмет дослідження – архітектурна структура мережевих компонентів, алгоритми адаптивного керування радіоресурсами та методи формування сигналів у радіоінтерфейсі стільникової мережі. Методи досліджень. Для вирішення поставлених завдань у роботі застосовано: методи системного аналізу інфокомунікаційних мереж (при дослідженні загальної структури та еволюції систем); положення теорії передачі сигналів та теорії електрозв’язку (при описі процесів модуляції та формування радіоінтерфейсу); методи цифрової обробки сигналів та спектрального аналізу (на основі математичного апарату перетворень Фур’є для технології OFDM). Теоретичною та документальною базою дослідження слугували міжнародні стандарти і технічні специфікації консорціуму 3GPP, а також фундаментальні наукові праці провідних вітчизняних та закордонних вчених у галузі рухомого радіозв’язку. Практичне значення отриманих результатів. Одержані під час виконання кваліфікаційної роботи результати, аналітичні висновки та розроблені рекомендації можуть знайти безпосереднє застосування в інженерній практиці телекомунікаційних провайдерів. Зокрема, вони є корисними для розрахунку параметрів радіоінтерфейсу, оптимізації частотно-часових ресурсів та покращення енергоефективності абонентських терміналів під час модернізації інфраструктури LTE та розгортання сегментів 5G. Крім того, систематизований матеріал становить цінність для освітнього процесу під час підготовки фахівців за спеціальністю 172 «Електронні комунікації та радіотехніка». Апробація отриманих результатів. Основні положення роботи доповідалися та обговорювалися на таких конференціях: — XVI Міжнародна науково-практична конференція «Проблеми експлуатації та захисту інформаційно-комунікаційних систем», м. Київ, 2026 р.Relevance of the topic. The modern architecture of telecommunication networks faces unprecedented load due to the exponential growth in the number of connected smart devices and the transition to the Internet of Things (IoT) concept. Users massively integrate resource-intensive cloud applications and ultra-high-definition video content into their daily lives, generating massive volumes of mobile traffic. Under such conditions, traditional radio access methods quickly exhaust their capacity resources. That is why the electronic communications industry relies on broadband LTE standard systems and is carrying out intensive migration to fifth-generation (5G) networks. A fundamental obstacle to ensuring high throughput in an urbanized environment is spectrum limitation and the destructive impact of multipath radio wave propagation. The solution to this problem lies in the application of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). This technology, along with its specific modifications OFDMA and SC-FDMA for downlink and uplink channels respectively, opens up possibilities for maximum spectral efficiency. Combining OFDM with dynamic adaptive modulation (from QPSK to 64-QAM) allows flexibly balancing between transmission speed and noise immunity. Therefore, in-depth research of radio interface formation mechanisms and resource block allocation algorithms in modern broadband cellular networks is a critically necessary and timely scientific and engineering task. Relation of the work to scientific programs, plans, and themes. The qualification research was carried out within the priority scientific and technical directions of the Department of Telecommunication and Radioelectronic Systems of the Faculty of Aeronautics, Electronics and Telecommunications of the National Aviation University. Purpose and tasks of the research. The purpose of the qualification work is to analyze the architectural design of the evolved packet system and to study the physical principles of forming a radio interface based on orthogonal frequency division multiplexing to ensure high throughput of data transmission networks. To achieve this goal, the following scientific tasks are solved: 1. To analyze the evolution of cellular networks, general principles of radio communication organization, and the functional purpose of system components from legacy generations to LTE/5G architectures. 2. To investigate the physical processes of radio interface formation based on OFDM digital multiplexing technology and mathematical Fourier transforms. 3. To evaluate the noise immunity and efficiency of applying various types of multi-position quadrature amplitude modulation under conditions of dynamic channel parameter changes. 4. To study the structure and mechanisms of time-frequency channel resource allocation in broadband cellular communication systems. 5. To perform a comparative analysis of data transmission methods in the downlink and uplink channels, as well as to analyze advanced dynamic subcarrier allocation algorithms (Mode A and Mode B). Object of research – the processes of signal formation and the functioning of network architecture in broadband cellular mobile communication systems of electronic communications. Subject of research – the architectural structure of network components, algorithms for adaptive radio resource management, and methods of signal formation in the cellular network radio interface. Research methods. To solve the set tasks, the following methods were applied: methods of system analysis of infocommunication networks (when studying the general structure and evolution of systems); provisions of signal transmission theory and telecommunication theory (when describing modulation processes and radio interface formation); methods of digital signal processing and spectral analysis (based on the mathematical apparatus of Fourier transforms for OFDM technology). International standards and technical specifications of the 3GPP consortium, as well as fundamental scientific works of leading domestic and foreign scientists in the field of mobile radio communications, served as the theoretical and documentary basis for the research. Practical significance of the obtained results. The results obtained during the qualification work, analytical conclusions, and developed recommendations can find direct application in the engineering practice of telecommunication providers. In particular, they are useful for calculating radio interface parameters, optimizing time-frequency resources, and improving the energy efficiency of user equipment during the modernization of LTE infrastructure and the deployment of 5G segments. In addition, the systematized material is valuable for the educational process in training specialists in the specialty 172 "Electronic communications and radio engineering". Approbation of the obtained results. The main provisions of the work were reported and discussed at the following conferences: XVI International Scientific and Practical Conference "Problems of Operation and Protection of Information and Communication Systems", Kyiv, 2026.