Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности построения и проектирования сетей подвижной связи с кодовым разделением каналов. Постановка задачи исследования .9
1.1 Классификация систем подвижной связи 9
1.2 Особенности построения сотовых сетей с кодовым разделением каналов 12
1.3. Традиционное проектирование сетей 16
1.3.1 Интегрированный метод проектирования сотовых сетей 19
1.3.2 Концепция Узлов Спроса 21
1.3.3 Адаптивный алгоритм расположения базовых станций 22
1.3.4. Недостатки адаптивного алгоритма расположения базовых станций 24
1.4 Интенсивность напряженности поля при лучевом зондировании для определения расположения Адаптивной базовой станции в подвижных сетях,.., 24
1.4.1 Схема АРАБС использует возможность самоорганизации карт 25
1.4.2 Аппроксимация мощности поля в окружающем пространстве..„28
1.4.3 Характеристики Потери Пути в Свободном пространстве 29
1.4.4 Принцип радио видимости 31
1.4.5 Использование зондирующего луча для аппроксимации напряженности поля 32
1.4.6 Поиск оптимального расположения базовой станции ...33
1.4.7 Недостатки 34
1.5 Моделирование больших телекоммуникационных сетей, основанных на вероятностном моделировании 36
1,5.1 Стохастическая иерархическая модель сотовых систем 36
1.5.2 Статистические алгоритмы, используемые в моделировании и их свойства 39
1.5.3 Оценка основных параметров 40
1.5.4 Недостатки 42
1.6 Постановка задачи 42
Глава 2. Разработка методики проектирования цифровых сетей подвижной связи с кодовым разделением каналов 45
2.1 Методика расчета вероятности нарушения связи СПС в зависимости от расстояния и количества пользователей 45
2.1.1 Классический метод проектирования сотовых сетей на основе оценки вероятности блокировки связи 46
2.1.2 Усовершенствованный метод проектирования СПС на основе оценки вероятности блокировки связи 50
2.1.3 Приближенный метод проектирования СПС на основе оценки вероятности блокировки связи 56
2.1.4 Выводы 57
2.2 Методика расчета полной вероятности блокировки связи 58
2.2.1 Основные соотношения 59
2.2.2 Методика расчета вероятности блокировки связи на всей площади обслуживания ячейки 63
2.2.3 Выводы 67
2.2.4 Разработка методики расчета вероятности нарушения связи для многозоновых СПС 68
2.3 Эстафетная передача 70
2.3.1 Методика расчета зоны покрытия с учетом эстафетной передачи в многозоновых СПС 74
2.3.2 Выводы 84
2.4 Методика проектирования СПС с CDMA при эстафетной передаче с учетом неоднородности распределения пользователей в зоне покрытия 84
2.5 Выводы 86
Глава 3. Управление уровнем мощности сигнала мобильной станции в сотовых сетях с кодовым разделением каналов 90
3.1. Алгоритм управления уровнем мощности мобильной станции 91
3.2. Управление уровнем мощности сигнала АС с использованием алгоритмов фильтрации 96
3.2.1 Распределенное управление уровнем мощности АС с дополнительным блоком оценки 96
3.2.2. Оптимизация распределенного регулирования уровнем мощности при наличии ограничений на основе ОСП 98
3.2.3. Использование фильтра Калмана для прогнозирования и оценки параметров 99
3.2.4. Полная оптимальная распределённая система управления уровнем мощности при условии возникновения аномальных помех. 104
3.2.5. Алгоритм дискретной фильтрации при наличии аномальных помех вносимых базовой станцией в канал измерения 107
3.3 Выводы 118
Глава 4. Проектирование сетей подвижной связи с кодовым разделением каналов с использованием концепции узлов спроса 121
4.1. Модели источников трафика сетей технологической подвижной связи на основе концепции узлов спроса 121
4.1.1 Интенсивность трафика 122
4.2 Использование цифровых карт местности для территориального проектирования сетей подвижной связи 123
4.3 Географическая модель сетевого трафика 130
4.3.1 Стационарная модель географического трафика 132
4.3.2 Дискретизация трафика 133
4.4 Построение модели сетевого трафика с использованием концепции узлов спроса на примере предприятий газовой отрасли 133
4.5 Алгоритмический подход к планированию сети на основе концепции узлов спроса 137
4.6 Выводы 150
Заключение 153
Приложения 156
Приложение 1 156
Список литературы
- Особенности построения сотовых сетей с кодовым разделением каналов
- Использование зондирующего луча для аппроксимации напряженности поля
- Классический метод проектирования сотовых сетей на основе оценки вероятности блокировки связи
- Управление уровнем мощности сигнала АС с использованием алгоритмов фильтрации
Введение к работе
Проектирование сетей подвижной связи (СПС) сталкивается с тремя новыми проблемами: первая, по причине стремительного роста числа пользователей, операторы сетей подвижной связи перестраивают и оптимизируют свои системы второго поколения, для того чтобы суметь справиться с повышенным уровнем трафика. Вторая, новые технологии сетей третьего поколения требуют методов проектирования, основанных на спросе, например, зона покрытия базовых станций в сотовых систем с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access) зависит от условий распространения радиоволн, от распределения пользователей. И третья, потребители телекоммуникационных услуг вынуждают операторов СПС разворачивать сотовые системы за минимальный отрезок времени.
Цель проектирования сетей подвижной связи состоит в обеспечении оптимальной зоны покрытия и достигается оптимальным выбором расположения базовых станций с целью обеспечения заданного качества обслуживания пользователей. Проектирование СПС является сложной многопараметрической задачей, решение которой возможно лишь при использовании системного подхода, учитывающего как расчет канала радиосвязи, частотно-территориальное планирование радиосетей, так и гарантированное обеспечение качества обслуживания всех абонентов сети. Для цифровых СПС с временным разделением каналов процесс проектирования в настоящее время главным образом фокусируется на обеспечении требуемого уровня сигнала на входе мобильной станции (МС).
Вместе с тем в последнее время активно развиваются СПС, построенные на принципах множественного доступа с кодовым
Особенности построения сотовых сетей с кодовым разделением каналов
В настоящее время происходит активное развитие сотовых сетей. В восточных и европейских странах отказываются от использования сотовых сетей на основе GSM и переходят к развертыванию сотовых сетей с кодовым разделением каналов. Где код присваивается согласно порядку запроса. Случайный характер кодов и независимость кодов различных передатчиков предоставляет одновременно доступ, множеству пользователей, несколько каналов для передачи информации. Некоторые преимущества сотовых сетей с кодовым разделением каналов: 1. Увеличение пропускной способности. 2. Увеличение защиты информации, что приводит к снижению вероятности перехвата соединения и повышению помехо-защитных свойств. 3. Уменьшение вероятности отказов соединений,
В сотовых системах, где применяется кодовое разделение каналов (СКРК), хорошо известно отношение между зоной покрытия и пропускной способностью ячейки. В отличие от FDMA и TDMA систем, КРК имеет гибкую пропускную способность, которая не фиксирована, изменяется в зависимости от условий эксплуатации. Пропускная способность может увеличиваться, за счет ухудшения качества связи. Зона покрытия ячейки (соты) изменятся от текущего состояния внутри ячейки, с увеличением количества абонентов в ячейке, уменьшается зона покрытия. Так же зона покрытия ячейки, зависит от местности и плотности пользователей.
Несколько факторов влияния на изменения зоны покрытия: характеристики распространения сигнала на местности, динамическое управление мощностью базовой станции (БС) и подвижной станции (МС), требуемый уровень качества связи, и распределение пользователей на местности и последнее, временное влияние на интенсивность трафика, то есть в разные моменты времени в зависимости от времени суток на одной местности меняется количество абонентов (например, интенсивное движение автомобилей в часы пик на загруженных перекрестках).
Сотовая структура может быть нескольких типов. Первый, на базовых станциях используются антенны с круговыми диаграммами направленности. Второй, на БС устанавливаются секторные антенны.
В последнее время особое внимание в проектировании сотовых систем с кодовым разделением каналов обращено на перегрузку алгоритмов, то есть возможность выбора сервисом различных реализаций соединения пользователя в зависимости от условий внутри сети. Это актуально в тех случаях, когда пользователь находится на границах зон обслуживания сот и где уровень сигнала понижается и возрастает количество случаев потери связи. При переходе абонента из одной ячейки в другую происходит передача связи от одной БС другой. Такой механизм передачи называется эстафетная передача. Существует три вида эстафетной передачи. Первый, жесткая эстафетная переда, происходит в моменты передачи управления пользователя от одной сотовой сети, другой. Вторая, мягкая эстафетная передача, осуществляется между ячейками одной сети. И третья, межсекторная эстафетная передача, осуществляется передача управления между секторами одной базовой станции в случаях, когда используется секторная сота. Тем не менее, зона покрытия и пропускная способность ячейки должна спроектирована таким способом, чтобы все соединения обрабатывались.
Мягкая эстафетная передача в системах с кодовым разделением каналов производится в том случае если пользователь может связаться более чем с одной базовой станцией. Мягкий хандовер важен, потому что обеспечивает требуемый уровень качества связи и сглаживает жесткий хандовер. На уровне приемника, сигналы переданные подвижными станциями в зоне эстафетной передачи могут достигать все рядом расположенные Б С, даже если сигналы не предназначены для них, сигналы вносят взаимные помехи в соседних ячейках. Использование согласованных фильтров в приемниках Б С, позволяет принимать сигналы от пользователей находящихся в близи зон мягкой эстафетной передачи. Мягкая эстафетная передача обеспечивает отказоустойчивость системы, т.е. обеспечивает связь более чем с одной БС. Существует минимальное количество базовых станций (две), когда возникает зона мягкой эстафетной передачи, где каждая БС поддерживает связь с пользователем, количество доступных каналов уменьшается с увеличением количества пользователей в зоне мягкой эстафетной передачи (МЭП). Секторизация в сотовых системах увеличивает емкость ячейки пропорционально количеству секторов в ячейке. На практике секторная антенна не может обслуживать сектора с четко определенными границами, поэтому всегда будут области перекрытия секторов. Перекрытия зон секторов вносят дополнительные помехи в приемную радио часть системы.
Использование зондирующего луча для аппроксимации напряженности поля
Первоначально, методы зондирующего луча были введены в компьютерных графических работах, для создания фотореалистичных 3-х мерных картин. Алгоритмы зондирующего луча способны визуализировать точно оптические эффекты, такие как затенение, прозрачность, и т.д. Эта способность делает метод привлекательным для прогнозирования напряженности поля. Радиолучи излучаются передатчиком Тх во всех направлениях. Лучи "освещают" пейзаж, то есть прилегающую область. В алгоритме, лучи смоделированы как конус, луч установлен с фиксированным углом dQ и идентичной формой и размером на расстоянии г от передатчика, (рис. 1.9). Путь каждого луча прослеживается, до тех пор, пока луч не достигнет какого либо объекта, (рис. 1.10). Если луч затрагивает край или поверхность цифровой модели ландшафта, то имеет место дифракция, или отражение луча. Отражение может быть представлено, используя уравнения Френеля. Для дифракции, принцип Гюйгенса должен использоваться вместе с законами Кирхгофа, чтобы вычислить затухание луча. Так как рассматривается каждый луч индивидуально, то поведение луча может быть прослежено подробно за счет увеличения вычислительных затрат. Основная проблема это правильный выбор ширины луча dCl.
Использование двух методов аппроксимации напряженности поля описанных выше, позволяет осуществлять моделирование с единственным передатчиком. Предполагается, что центр города расположен в нижней части рисунка 1.11(a), слева расположена река. Топографическая возвышенность этой местности может быть применима к России. Трех мерная модель этой местности состоит из изменяющихся высот в пределах 100 метров, а поверхность интерполировалась треугольниками, используя высоту точек. Нейронные сенсоры расположены согласно структуре АРАБС описанной выше. Передатчик Тх на рисунке 1.11(b) и рисунке 1.11(c) расположен в центре каждого рисунка, принимаемый уровень напряженности поля около центрального предела, помечено полужирными точками. Аппроксимация этого пространства использует метод принципа радио видимости, который изображен на рисунке 1.11(b). Где выражения (1.7) и (1.8) позволяют вычислить уровни напряженности поля. Взаимосвязь окружающего пространства очень высока, поскольку для метода зондирующего луча , см рис. 1.11(b), "лакунарность" этой местности высока.
Пример реализации АРАБС представлен на рисунке 1.12, Где был использован алгоритм поиска лучшего расположения на местности шести передатчиков. Исходное расположение передатчиков и нейронов, представлены рис. 1.12(a). На рис. 1.12(b), 1.12(c) отображено расположение базовых станций, полученных методом зондирующего луча и принципом радио видимости. Передатчик обозначен ,а часть прилегающей местности к передатчику помечена символами. Используя метод зондирующего луча (рис, 1.12(b)) АРАБС достигает большого покрытия местности: покрыто 77% нейронных сенсоров, 19% нейронов не покрыто ( непокрытые нейроны ) и 4% нейронов покрывают две базовых станции ( обозначены как ) . В результате на рис. 1.12(c) представлена реализация алгоритма АРАБС совместно с принципом радио видимости. На этой стадии алгоритм представляет слабую сходимость: 29% нейронных сенсоров охвачено, 68% нейронов не охвачено. Два передатчика расположены на доминирующих позициях в центральной части рисунка. Прилегающее пространство к передатчику не должно часто перекрываться, передатчики расположены в центре своей сферы влияния, и влияют на базовые станции только на границах пространства.
Классический метод проектирования сотовых сетей на основе оценки вероятности блокировки связи
В реальных условиях существуют области затенения радиосигнала в зоне покрытия каждой БС, эти области расположены за высокими сооружениями, холмами, горами и т.д. Логарифмически нормально распределенная случайная величина Z, характеризует затухание сигнала в области затенения, cz - среднеквадратическое отклонение Z, crz = 5дБ [15].
Отношения сигнал-помеха осиі для у-го пользователя [47]: й 0 Ц= — 8 , (2.1) где Pj=lQlogPj- принятая мощность сигнала БС Р} [дБВт] от у-го пользователя; Л - скорость передачи информации ( бит в секунду); v} коэффициент активности речи (наличие сигнала в момент разговора и отсутствие его в паузах) для каждого пользователя, моделируется случайной переменной с распределением Бернулли с вероятностью ри=0А5 [14]. ); AF-частотный диапазон в [Hz]. N0 -спектральная плотность шума; / - помеха обусловленная влиянием соседней базовой станции.
Произведем расчет вероятности блокировки связи от расстояния d (от точки приема до БС), при трех значениях к. Так на рисунке рис 2.1 представлена зависимость P {d) при = 10;15;26. Расстояние d от базовой станции до точки приема примем за радиус зоны покрытия БС. Так с увеличением радиуса ячейки возрастает вероятность блокировки связи, что обусловлено затуханием сигнала на радиолинии, и техническими свойствами радиоаппаратуры. Пусть радиус зоны покрытия d = 2000[ді], на таком расстоянии в точке приема вероятность блокировки связи для количества соединений к = 10, к = 15 и к = 26 будет Рб1 (d) = 0.096, put(rf)=0.13 и Рбл( /) = 0.266 соответственно.
Таким образом, вероятность блокировки связи зависит не только от радиуса зоны покрытия, но и от количества вызовов в ячейке. Поэтому на ряду с учетом радиуса зоны покрытия, при проектировании сети, необходимо учитывать количество вызовов в ячейке в один момент времени.
На рис.2.2 представлена функция Рй,() при d = 750;1000;1500 ]. Где хорошо видно, что с увеличением количества вызовов в ячейки вероятность блокировки связи резко возрастает, не смотря на небольшой радиус зоны покрытия БС (V = 750 О]) при количестве вызовов равным 40 вероятность блокировки связи превышает 10%.
Выводы. Существует ряд достоинств и недостатков рассмотренного метода. Достоинства. Метод позволяет оценить качество связи на основе одного параметра, вероятность блокировки связи (вероятность блокирования связи), который включает в себя такие важные параметры, как радиус зоны покрытия, так и количество вызовов в ячейки. Учет количества вызовов в ячейке особенно актуален в связи с постоянно возрастающим количеством пользователей сотовых сетей.
Недостатки. В последнее время СПС используются не только для передачи речевой информации, но и для передачи электронной информации такой как факс, мультимедийные сообщения, короткие текстовый сообщение. Рассмотренный метод не учитывает влияние этой информации на вероятность блокировки связи.
Предлагается усовершенствование классического метода, который позволит решить все недостатки классического метода. В реальных сетях производится передача информации как по средством речевых сообщений так и электронных сообщений, таких как SMS, MMS, факс и электронная почта. Обозначим за h процентное соотношение речевых сообщений к электронным сообщениям в ячейке.
Усовершенствованный метод учитывает процентное соотношение h между речевой и электронной информацией. Активность данных в каналах зависит напрямую от каждого соединения. Для моделирования этого процесса используется случайная переменная Вернули с вероятностью ph, Л =0.1 [14].
Управление уровнем мощности сигнала АС с использованием алгоритмов фильтрации
Проведем анализ производительности алгоритма дискретной фильтрации при наличии аномальных помех вносимых базовой станцией в канал измерения на двух экспериментах. Для каждого эксперимента будут заданны свои матрицы перехода Марковской цепи. В обоих экспериментах на вход системы подается шум канала (помеха вносимая каналом связи), которая имеет нормальной закон распределения с нулевым математическим ожиданием и дисперсией Л,. = 1, величина vik - шум вносимый базовой станцией, имеет нормальной закон распределения с нулевым математическим ожиданием и дисперсией Л,. =0.1, аномальное значение помехи а? = 50 с дисперсией a2Rn и имеет матрицу перехода
Марковской цепи для первого эксперимента Рд 0.9 0.1 0.7 0.3 , для второго р = 0.9 0.1 0.95 0.05 Пусть пользователь находится на расстояний 1.4 км от базовой станции в течении всего времени наблюдения. Остальные исходные данные остаются неизменными, как для выше рассмотренных случаев.
На протяжении всего отрезка времени, в канале наблюдения yalh возникают аномальные помехи (рис.3.22 - 3.23), задаваемые матрицей перехода. Увеличение вероятности рш1 ( эксперимент 2), соответственно уменьшение ршвУ приводит к сокращению случаев появления двух аномальных помех следующих друг за другом (пачка аномальных помех). Для наглядности появления пачки аномальных помех рассмотрим канал наблюдения yaik на протяжении первых 300-а итераций (рис. 3.24 - 3.25).
Так для первого эксперимента 51 случай, а для второго эксперимента 34 случая появления аномальной помехи. Отсюда следует, что для первого эксперимента на 300-а итерациях в 17 случаях, т.е. на 33% процента больше наблюдается пачка аномальных помех, чем для второго эксперимента.
В нормальном режиме работы оценка осуществляется за счет работы двух каналов фильтра (3.36) [25,26,27]. В момент возникновения аномальной помехи, апостериорная вероятность исправного состояния канала pUh измерения (3.37), принимает значение 0, т.е. вероятность того, что yolh = 1, равна 0, в этот момент оценку производит второй канал, и результирующая оценка (3.37) формируется только за счет второго канала. В следующий момент, после возникновения аномальной помехи апостериорная вероятность исправного состояния канала возрастает, включается в работу первый канал оценивания, так для второго эксперимента pUh больше чем для первого, что говорит о том, что вероятность повторного появления аномальной помехи очень мала. Со временем коэффициенты усиления фильтра стремятся к нулю (рис. 3.28 -3.29), и следовательно, результирующая оценка (рис. 3.30 - 3.31) получается путем экстраполяции соответствующих оценок, запоминаемых в этом фильтре.
Результирующая оценка для двух экспериментов, практически совпадает, что говорит о том, что фильтр четко переключает каналы оценки в зависимости от условий, это обусловлено тем, что матрица перехода априорно известна. Точность результирующей оценки для второго эксперимента выше, так как для него уровень дисперсии ошибок фильтрации (рис. 3,34) ниже, чем для первого эксперимента.
Далее результирующая оценка Sih входит в систему уравнений (3.11) [27]. Для двух экспериментов, характер изменения мощности (рис, 3.32 -3.33) совпадает, что обусловлено правильной работой фильтра при разных входных условиях. Изменение мощности сигнала мобильной станции на всем протяжении измерении составляет порядок нескольких микроватт. Даже в случаях возникновения аномальных помех, уровень сигнала остается в пределах единиц микроватт.
Рассмотрим случай движения пользователя от базовой станции к границе зоны обслуживания. При начальных условиях как для двух уже рассмотренных экспериментов. Только пусть пользователь находится на 100 метрах от БС и каждые 6,25 секунд отдаляется от БС на 30 метров.
Тогда уровень мощности сигнала увеличивается (рис. 3.3 5-3.36) с минимального S 1, пользователь находит около БС) до максимального Sn (на границе зоны обслуживания). С изменением расстояния между БС и пользователем, увеличивается коэффициент усиления канала связи ЯГгея/, что в свою очередь приводит к увеличению флуктуации канала Sr
Динамика изменения уровня мощности сигнала при движении пользователя от БС к границе зоны обслуживания для двух экспериментов совпадает (рис. 3.35, 3.36).
Использование нового алгоритма дискретной фильтрации в системе управления мощностью, при наличие аномальных помех, позволяет точно установить уровень мощности на заданном расстоянии от БС.
