Содержание к диссертации
Введение
1. Показатели эффективности мобильной беспроводной сети 12
1.1. Параметры, определяющие эффективность мобильной, беспроводной сети 12
1.1.1. Вероятность появления ошибок в расчете на один бит 12
1.1.2. Пропускная способность 13
1.1.3. Спектральная эффективность 14
1.1.4. Емкость сети 15
1.1.5. Коэффициент территориальной доступности 16
1.1.6. Вероятность блокировки в установлении радиоканала 16
1.2. Факторы, определяющие качество передачи информации в беспроводной сети 17
1.3. Влияние частотно-территориального плана на показатели качества сотовых сетей 33
1.4. Методы повышения эффективности работы мобильной беспроводной сети 37
Выводы: 39
2. Анализ помех, создаваемых мобильными абонентами в беспроводных сетях и их влияние на показатели качества передачи информации 40
2.1. Помехи, создаваемые мобильными абонентами в беспроводных сетях.
2.2. Помехи при равномерном распределении абонентов в зоне обслуживания базовой станции 49
2.3. Сравнение методов расчета помех от мобильных абонентов при равномерном распределении 53
2.4. Помехи при нормальном распределение мобильных абонентов в зоне обслуживания базовой станции 57
2.5. Помехи и емкость мобильной беспроводной сети 69
Выводы: 75
3. Метод адаптации основных параметров беспроводной сети к реальным условиям ее работы 77
3.1. Влияние закона распределения нагрузки между базовыми станциями на эффективность работы сети 77
3.2. Метод расчета числа каналов базовой станции
3.2.1. Расчёт количества абонентов, находящихся в зоне обслуживания базовой станции 80
3.2.2. Расчёт требуемого числа каналов станции по заданной эрланговой нагрузке на станцию и вероятности блокировки
3.3. Адаптация мощности базовых станций 84
3.4. Адаптация частотного плана 95
Выводы: 102
Заключение 103
Литература:
- Пропускная способность
- Факторы, определяющие качество передачи информации в беспроводной сети
- Помехи при равномерном распределении абонентов в зоне обслуживания базовой станции
- Расчёт количества абонентов, находящихся в зоне обслуживания базовой станции
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время практически повсеместно
используется множество мобильных беспроводных сетей различного
типа и назначения: сотовые, транкинговые, локальные и т.д. Из-за
ограниченности выделяемого частотного диапазона одной из
важнейших проблем, которую приходится решать на этапе их
проектирования, является задача электромагнитной совместимости
сегментов одной сети или различных сетей друг с другом, для решения
которой необходимо минимизировать внутрисистемные и взаимные
помехи. Величина этих помех зависит от частотно-территориального
плана сети. Как правило, беспроводные сети рассчитываются и
проектируются исходя из одинаковых условий распространения
сигналов в различных частях системы, что приводит к идеальной
топологии сети. Однако, при реализации такая идеальная картина
практически неосуществима, поскольку, во-первых, выбор мест
размещения базовых станций существенно ограничен
административными, географическими и целым рядом других запретов. А во-вторых, условия распространения сигналов и, соответственно, эффективность передачи информации зависит от рельефа и характера местности, плотности застройки зданиями в городе, высоты лесов, наличия водных поверхностей и т.п. В результате, реальная структура сети и зоны осблуживания каждой ее ячейки существенно отличаются от идеальной. Это приводит к изменению основных параметров, характеризующих качество передачи информации, причем чаще всего в худшую сторону. Кроме того, границы ячеек и всей сети, в пределах которых качество передачи информации удовлетворяет заданным требованиям, приобретают неправильную форму.
Выход из этой ситуации состоит в, по-возможности, полном учете всех факторов, влияющих на эффективность работы системы, и изменении (адаптации) ключевых параметров оборудования таким образом, чтобы не допустить снижения производительности сети. Международным союзом электросвязи (ITU) в результате статистической обработки многочисленных экспериментальных данных
выработаны рекомендации, которые позволяют усредненно учесть неоднородность внешних условий и уменьшить снижение производительности сети. Вместе с тем проблема учета реальных условий местности и используемого оборудования (например, диаграмм направленности антенн) до настоящего времени в полном объеме не решена. Это определяет актуальность тематики исследований данной работы, посвященной решению задачи оптимального выбора системных параметров мобильной беспроводной сети и характеристик применяемого оборудования (т.е. их адаптации к реальным условиям ее функционирования).
Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются мобильные беспроводные сети и их характеристики, определяющие эффективность передачи информации.
Предметом исследования являются основные закономерности процессов передачи информации в мобильной беспроводной сети.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является анализ факторов, влияющих на производительность беспроводной сети, и выработка методов адаптации ее основных параметров (мощности, частотного плана, количества используемых частотных каналов и т.д.) к реальным условиям функционирования, для обеспечения более высокого качества передачи информации.
В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:
анализ основных параметров, характеризующих эффективность мобильных беспроводных сетей, и факторов, от которых они зависят;
разработка методики расчета показателей эффективности работы беспроводной сети с учетом реальных условий ее функционирования;
анализ помех в мобильных беспроводных сетях, и выработка рекомендаций по их снижению;
построение алгоритмов адаптивного выбора параметров оборудования и частотно-территориального плана сети, оптимизирующих показатели эффективности ее работы в реальных условиях.
Научная новизна работы состоит в:
разработке подходов к анализу важнейших показателей эффективности работы беспроводной сети при неоднородных условиях распространения сигналов в различных ее сегментах;
полученных соотношениях, определяющих границы устойчивой работы и предельную емкость сети;
выработанной методике расчета помех от мобильных абонентов и оценке влияния законов их распределения на величину таких помех;
алгоритме управления излучаемой мощностью базовых станций, позволяющем выровнять нагрузку на базовые станции сети, работающей в неоднородных условиях;
алгоритме назначения частот базовых станций, позволяющем уменьшить помехи.
На защиту выносятся положения:
метод адаптации параметров сети к реальным условиям функционирования;
методика анализа помех от мобильных абонентов;
результаты исследования и полученные оценки влияния законов распределения на местности абонентов мобильных сетей на величину создаваемой ими помехи;
алгоритм адаптации мощности базовых станций, позволяющий уменьшить среднеквадратичное отклонение реальной нагрузки на станцию от средней по сети примерно в 2 раза;
алгоритм адаптации частотного плана сети, позволяющий добиться требуемого отношения сигнал/(шум+помеха) в зоне обслуживания сети при 40 % увеличении абонентов.
Практическая значимость заключается в выработке методик, алгоритмов и рекомендаций, используемых при проектировании и оптимизации беспроводных сетей.
Внедрение результатов.
Разработанные алгоритмы реализованы в системе автоматизированного проектирования беспроводных сетей RPS-2, что подтверждено соответствующим актом о внедрении.
Основные положения и методические разработки используются в учебном процессе при проведении практических занятий и лабораторных работ по курсам «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теория электрической связи» Московского государственного института электронной техники и «Вычислительные
системы, сети и телекоммуникации» Чувашского государственного педагогического университета, что подтверждается соотвествующими актами о внедрении.
Апробация. Положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Ш-ей Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике», международной научно-практической конференции ITEDS'2010 «Информационные технологии, электронные приборы и системы», международной научной школе МИУС2010 «Микроэлектронные информацинно-управляющие сисиемы и комплексы», IX научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии NATIONAL INSTRUMENTS».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Из них 3 работы - в журналах из перечня ведущих периодических изданий ВАК («Известия вузов. Электроника», «Естественные и технические науки»), 4 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, 2 приложений и списка литературы. Работа изложена на 129 страницах текста, включая 18 страниц приложений, список литературы включает 56 источников.
Пропускная способность
Модели телетрафика - неоценимое для этой цели средство. Они полезны в различных областях сетевой архитектуры, сетевых распределений и оценок характеристик протоколов. Изначально традиционные модели телетрафика были разработаны для стационарных сетей связи. В частности, это была первая модель Эрланга для расчета вероятностей потерь в системе массового обслуживания.
Сотовая сеть является типичным примером системы массового обслуживания. В ней присутствуют все необходимые для этого характеристики: случайный поток заявок, продолжительность вызова (длительность занятия радиоканала), конечное число обслуживания каналов, предоставляемых мобильным( абонентам сотовой сети., Наибольший интерес, с точки зрения систем массового обслуживания, представляет модель для расчета канальной емкости в соте с учетом конкретных параметров оборудования базовых станций и абонентской нагрузки.
Показателями производительности и надежности сети тесно связаны. Ненадежная работа часто приводит к существенному снижению ее производительности. Это объясняется тем, что помехи в каналах связи и сбои коммуникационного оборудования приводят к потере или искажению сигнала, в результате чего приходится организовывать повторную передачу утерянных данных, что приводит к повышению нагрузки. Факторы, определяющие качество передачи информации в беспроводной сети Одним из основных показателей качества передачи данных является вероятность появления ошибки на бит, которая определяется мощностью сигнала на входе приемника Рпр, законом ее распределения и пороговым значением мощности на входе приемника Ртр. Величина Рпор указывается np производителем аппаратуры и зависит от многих факторов, в число которых входят метод разделения каналов, вид модуляции сигнала, его полоса, коэффициент шума приемника и др. [12-20]. Величина Рщ выраженная в логарифмических единицах мощности дБм, равна
Потери в системе рассчитываются между выходом передатчика и входом приемника, потери передачи - между входом передающей и выходом приемной антенн, а потери распространения - между условными точками выхода антенн в направлении траектории луча. В потерях распространения выделяются потери в свободном пространстве Ьсв.
На этапе проектирования системы передачи информации определяются мощность передатчика Ризл и пороговое значение мощности на входе приемника Рпо , исходя из которых получается значение максимально допустимых общих потерь передачи в линии связи и12щ При этом разработчики и производители аппаратуры стремятся обеспечить Г как можно более высоким. На этапе развертывания системы величина ЦЦ зафиксирована и остается добиваться выполнения условия Ьо0щ Ь"а с большим процентом времени при большей длине линии связи. При прочих равных условиях, это достигается привязкой линии к рельефу местности.
Таким образом, ключевой задачей при расчете линии связи является определение потерь распространения сигнала Lp с учетом особенностей местности, на которой она размещается:
Для расчета среднего значения мощности сигнала на входе приемника в линии связи на открытой местности используются два: подхода. Первый из них основан на применении эмпирических формул, и графиков, полученных путем статистической обработки результатов многочисленных измерений. Такого рода формулы и графики имеются для наиболее часто используемых диапазонов частот и типовых условий размещения линий связи (равнинная или закрытая местность, открытые, полуоткрытые или закрытые линии связи,: сельская или городская местность и т.д.). Есть формулы, которые не учитывают особенностей рельефа местности, как например, модели Хата. - COST 231 [13] или Уолфиша-Икегами [14;. 15], применяемые, в основном, при расчете линий связи с мобильными объектами и рассматриваемые в следующем параграфе. Имеются эмпирические формулы, косвенно учитывающие рельеф местности, на которой развернута линия связи. К таким относятся Рекомендации МККР 370-5. В этом методе расчета Lp параметром, характеризующим степень неровности земной поверхности в месте расположения радиотрассы, является величина Ah, определяемая как разность между высотами Земли, превышаемыми соответственно для 10% и 90% точек местности, взятых с регулярными? интервалами на заданной части трассы распространения радиоволны (Рекомендация МККР 310-7, рис. 1.1).
Факторы, определяющие качество передачи информации в беспроводной сети
Есть несколько способов повышения пропускной способности в секторе базовой станции. В первых системах беспроводного доступа один пользователь мог занять всю пропускную полосу, доступную в секторе. В более современных системах можно ограничивать максимальную скорость доступа для пользователя. Кроме того, использование антенн MIMO с адаптивным управлением диаграммой направленности позволяет улучшить энергетические характеристики канала для пользователя и увеличить скорость доступа даже при значительном удалении от базовой станции. Эти способы, в какой-то мере увеличивают достижимую пропускную способность в секторе. Однако это увеличение не радикально.
Несмотря на то, что технологии не стоят на месте и пропускная способность беспроводных сетей растет, спрос на мобильный доступ растет быстрее. Поэтому операторы переходят к использованию не только технологических, но и экономических мер, основная из которых -ценообразование, сдерживающее неконтролируемое потребление трафика.
Рассмотрим несколько путей повышения емкости сети. Совершенствование методов обработки сигнала [2]. Повторное использование частот и дробление ячеек (переход к меньшим размерам ячеек при неизменном коэффициенте повторного использования частот). В случае с дроблением ячеек число базовых станций увеличивается, а мощности базовых станций и мобильных абонентов - снижаются. Тот же эффект достигается путем использования секторных антенн. В некоторых случаях может оказаться эффективным увеличение радиуса ячеек, если трафик недостаточно высок для обеспечения достаточной нагрузки на базовую станцию. Расширение полосы частот. Данный способ наиболее бесполезный ввиду ограниченности полосы частот.
Для решения задачи повышения емкости сети и, как следствие, эффективности работы сети необходимо сделать предварительный расчет, задав конкретные параметры базовых станций, и параметры необходимого качества обслуживания. В большинстве случаев, это происходит условно, так как только после ввода в эксплуатацию нового оборудования, набирая статистические данные, производят коррекцию параметров. Это несколько затрудняет работоспособность сети и требует определенного времени и средств, для принятия решений. Оптимальное решение этой и других задач проектирования беспроводных сетей в условиях сложной обстановки в эфире, невозможно без использования специализированных инструментов.
Существуют и другие методы повышения эффективности передачи данных в сети. Но среди этих методов мы выдеделяем такие, которые позволяют адаптиролвать параметры оборудования и сети к реальным условиям распространения сигнала и тем самым выровнять, сделать более однородной картину радиопокрытия и равномерно распределить нагрузку на отдельные станции, что является необходимым условием эффективной и устойчивой работы сети. Параметрами, которые можно адаптировать к реальным условиям работы системы, являются:
Рассмотрены методы повышения качества передачи данных в сети, среди которых своей эффективностью выделяется метод, основанный на адаптивных решениях. 2. Анализ помех, создаваемых мобильными абонентами в беспроводных сетях и их влияние на показатели качества передачи информации.
Как показано в главе 1, одним из определяющих факторов, снижающих производительность системы, являются внутрисистемные помехи от мобильных абонентов. Данная глава посвящена анализу этих помех и исследованию их влияния на параметры, определяющие показатели качества передачи информации.
Расчет помех, поступающих на вход приемника, в фиксированных сетях, где местоположение передатчика и приемника не изменяется, не отличается от расчета мощности полезного сигнала. Сложности возникают при расчете помех от мобильных абонентов. Связаны они с тем, что местоположение источников помех, продолжительность их работы и мощность являются случайными величинами. Местоположение и нагрузка характеризуются плотностью трафика dmp в единицах измерения Эрл/км .
Мощность излучения зависит от алгоритма работы беспроводной сети. В отсутствие контроля мощности абонентов она постоянна. Если же такой контроль имеется, уровень излучения передатчиков абонентов зависит от их удаления от базовой станции. Для современных мобильных беспроводных сетей характерно наличие контроля мощности, поэтому далее рассматриваются только такие системы.
Будем считать, что в рассматриваемой системе осуществляется идеальное управление мощностью излучения абонента, в результате которого уровень этой мощности поддерживается таким, чтобы на входе приемника базовой станции мощность сигнала от каждого абонента была равна Рп0 . Кроме того, антенну абонента будем считать ненаправленной.
Помехи при равномерном распределении абонентов в зоне обслуживания базовой станции
Чем выше емкость сети, тем больший трафик, т.е. большее количество абонентов, можно обслужить, не увеличивая полосы системы. При заданной полосе системы AF реализованная емкость сети С зависит от качества ее частотно-территориального плана.
Для каждого типа сети имеется предельная величина емкости Cuahc, выше которой реализовать емкость сети не удается. Эта предельная емкость связана с максимальной величиной плотности трафика d, которую данная сеть в состоянии обслуживать с заданным качеством передачи информации. Действительно, при заданной пропускной способности базовых станций, чем выше плотность трафика d, тем меньше должен быть размер ячейки и, следовательно, тем меньше оказывается расстояния между ячейками с одинаковым набором частотных каналов. В результате, при некоторой плотности трафика dvaKC эти расстояния и, соответственно, общие потери распространения между антеннами z -й и А:-й ячеек Lfk оказываются настолько малыми, что условие устойчивости сети требуемое отношение сигнал/(помеха+шум) в данной сети, нарушается. Будем считать, что сеть передачи данных размещена на однородной местности с постоянной плотностью трафика d, ячейки в составе этой сети имеют площадь Sm и максимальное расстояние от базовой станции до границы Яяч.
Пусть один частотный канал в рассматриваемой системе обслуживает с заданным качеством передачи информации максимальный трафик D, Лгате (Эрланг), а общее число таких каналов в системе N = AF/A/, причем все они разделены на М групп, так что в каждой частотной группе содержится N, = N/M частотных каналов. Примем, что потери распространения в рассматриваемой местности описываются законом Lp = Lp0(d0)+n-\0lg(d/d0), где d - расстояние, Lp0(d0) - потери распространения на расстоянии dn от антенны передатчика, п - показатель степени затухания зависимости Lp от
Тогда, между перечисленными параметрами имеют место следующие соотношения: плотность трафика, приходящаяся на один частотный канал d\ =d/Nl, площадь ячейки Sm =ksR 4, средние потери распространения в где Dj =Smd, - трафик, реально обслуживаемый одним частотным каналом. Соотношение (2.5.5) определяет максимальную величину радиуса ячейки при заданной плотности трафика d, (2.5.6) - максимальную плотность трафика при заданном радиусе ячейки Ряч, и (2.5.7) максимально допустимую нагрузку на одну ячейку при заданном Rm.
Согласно (2.5.10), предельная емкость сети увеличивается с увеличением числа групп частотных каналов М, однако при этом уменьшается радиус ячейки Rm, так как вследствие уменьшения числа частотных каналов при постоянной плотности трафика снижается пропускная способность базовой станции. Немаловажным фактором при оценке пропускной способности сети является, также, экономический. Уменьшая Яяч можно повысить СиакС, но за счет увеличения затрат на оборудование, так как в ,этом случае увеличивается число ячеек в сети.
1) Помехи, создаваемые мобильными абонентами оказывают большое влияние на показатели эффективности работы беспроводной сети и должны рассчитываться с помощью предложенных в данной главе формул (2.2.5,2.2.13,2.4.2).
2) Приближенные соотношения для расчета помех, получаемые методом эквивалентного генретаора, имеют ограниченную область применения. Эффективность применения метода эквивалентного генератора для расчета помех от мобильных абонентов зависит от нагрузки создаваемой мобильными абонентами и расстояния до рассматриваемого объекта. При равномерном распределении на малых расстояниях (относительно радиуса зоны обслуживания базовой станции) метод эквивалентного генератора дает заниженное значение мощности помехи вплоть до 5 дБ, а на больших расстояниях - завышенное до 3 дБ.
Расчёт количества абонентов, находящихся в зоне обслуживания базовой станции
В данной работе проанализированы показатели эффективности сети и качества передачи информации в мобильных беспроводных сетях и факторы, влияющие на показатели качества передачи информации. Покакзано, что одним из определяющих факторов, снижающих производительность системы, являются внутрисистемные помехи от мобильных абонентов.
Рассмотрены методы повышения качества передачи данных в сети, среди которых своей эффективностью выделяется метод, основанный на адаптивных решениях.
Учитывая важность внутрисистемных помех, проведен их анализ и сделаны следующие выводы:
Приближенные соотношения для расчета помех, получаемые методом эквивалентного генератора, имеют ограниченную область применения. Эффективность применения метода эквивалентного генератора для расчета помех от мобильных абонентов зависит от нагрузки создаваемой мобильными абонентами и расстояния до рассматриваемого объекта. При равномерном распределении на малых расстояниях (относительно радиуса зоны обслуживания базовой станции) метод эквивалентного генератора дает заниженное значение мощности помехи вплоть до 5 дБ, а на больших расстояниях - завышенное до 3 дБ.
Мощность помех от мобильных абонентов зависит от их распределения по ячейке. При равномерном распределении она выше, чем при нормальном распределении (при одинаковом количестве абонентов в ячейке).
При нормальном распределении абонентов по ячейке на малых расстояниях метод эквивалентного генератора занижает значение мощности помехи до 1,5 дБ, и завышает до 2 дБ на больших расстояниях, относительно радиуса зоны обслуживания базовой станции. В результате проведенного анализа получено условие минимального расстояния между ячейками, использующими одинаковые несущие частоты, определяющее предельную емкость беспроводной сети. Оно связывает показатели эффективности сети с параметрами ее оборудования и частотно-территориальным планом. Таким образом, появляется возможность управления основными показателями эффективности путем изменения параметров сети и в результате их адаптации к реальным условиям.
При выборе частотно-территориального плана сети важно добиваться равномерного распределения нагрузки между базовыми станциями. Невыполнение этого условия приводит к увеличению внутрисистемных помех.
Для выравнивания нагрузки на базовую станцию эффективным оказывается метод адаптации мощности базовых станций, позволяющий уменьшить стандартное отклонение реальной нагрузки на станцию от средней по сети примерно в 2 раза.
При увеличении трафика необходимо правильное назначение частотных каналов; предлагаемый в работе метод выбора частотных каналов позволяет добиться приемлемых результатов по отношению сигнал/(шум+помеха) практически на всей территории сети при 40 -процентном увеличении абонентов.
Полученные выводы позволяют считать решенными задачи: 1) анализ основных параметров, характеризующих эффективность мобильных беспроводных сетей, и факторов, от которых они зависят; 2) разработка метода расчета показателей эффективности работы беспроводной сети с учетом реальных условий ее функционирования; 3) анализ помех в мобильных беспроводных сетях, как одной из главных причин, снижающих эффективность передачи данных; 104 4) разработка методов адаптивного выбора (с учетом реальных условий работы) параметров оборудования и частотно-территориального плана сети, оптимизирующих показатели эффективности ее работы. Полученные в данной работе результаты позволяют повысить эффективность работы мобильных беспроводных сетей, как на этапе планирования, так и для оптимизации уже существующей, и применимы к широкому кругу таких сетей. Разработанные алгоритмы и методы расчета внедрены в программу автоматизированного планирования беспроводных сетей RPS-2. Кроме того, разработанные методы используются при обучении студентов планированию и оптимизации беспроводных сетей, принципам преобразования и передачи информации по беспроводному каналу связи.
