Анибал планирование и оптимизация сетей мобильной связи cdma2000 1x в условиях экваториальной зоны американского континента

На правах рукописи

Лупера морилло

Пабло анибал

планирование И оптимизация

сетей мобильной связи cdma2000 1X

в условиях экваториальной зоны американского континента

Специальность 05.13.13 – Телекоммуникационные системы

и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Санкт-Петербург
2009

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель Валерий Юрьевич Бабков

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты Василий Петрович Постюшков

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Валерий Алексеевич Степанец

Ведущая организация ФГУП ЛОНИИР (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится «____» ________________ 2009 г.

в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.02

при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «____» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Необходимость перехода к поколению 3G становится очевидной с позиций удовлетворения требований, предъявляемых к системам мобильной связи, для обеспечения услуг беспроводного доступа и мобильного Интернета. В этом смысле появление подвижной связи 3-го поколения объективно и продиктовано укладом современной жизни.

Стандарт CDMA2000 1X в странах Латинской Америки рассматривается как наиболее перспективный для вхождения в мировую сеть систем сотовой связи 3-го поколения.

Сеть CDMA2000 1X состоит из двух сегментов, работающих на разных несущих. Полный эффект сети 3G достигается, когда сеть скоростной передачи данных CDMA2000 1X EV-DO накладывается на сеть CDMA2000 1X RTT, обеспечивающую передачу речи и низкоскоростной передачи данных. Сегмент EV-DO наложенной сети может осуществлять передачу данных со скоростью 2,4 Мбит/с при благоприятных условиях распространения радиосигналов.

Установившийся режим функционирования сети, распределение и характеристики радиооборудования существующей сети, параметры сессий скоростной передачи данных, условия распространения радиосигналов, специфика и условия рынка мобильной связи стран Латинской Америки, все эти факторы обусловливают увеличение внимания, которое уделяется вопросам планирования и оптимизации сетей мобильной связи 3G.

Оценка пропускной способности системы и создание единой системы показателей качества функционирования сети являются важнейшими задачами на пути формирования целостной методики планирования и оптимизации сетей мобильной связи.

Разработка адекватных методик планирования и оценки функционирования позволить проектировать сеть, которая удовлетворяет исходным требованиям, и оценить уровень эффективности работы сети и качества предоставления услуг. Следует отметить, что реализация этой задачи является сложной, поскольку на параметры функционирования сети мобильной связи 3G влияют множество факторов.

Следует отметить, что вопросы разработки алгоритмов планирования и оптимизации сетей мобильной связи с кодовым разделением каналов (КРК) в литературе освещены недостаточно полно, а применительно к задачам развёртывания этих систем в условиях экваториальной зоны американского континента (ЭЗАК) вообще отсутствуют.

Объектом исследования является мультисервисная сеть мобильной связи 3-го поколения.

Предметом исследования является процесс функционирования и планирования сотовых сетей радиосвязи с КРК в условиях ЭЗАК.

Целью работы является повышение эффективности сетей мобильной связи CDMA2000 при скоростной передачи данных в условиях ЭЗАК.

Научная задача заключается в разработке алгоритма и методик планирования сотовых сетей радиосвязи с кодовым разделением каналов и оценки основных параметров сети при оказании услуг скоростной передачи данных.

Методы исследований. В работе использовался математический аппарат теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории распространения радиоволн, методы математического моделирования и математической статистики. Все математические расчеты выполнены на ЭВМ в программной среде «MathCAD-14».

Достоверность полученных результатов обеспечена адекватным применением математических методов, корректностью постановок задач, вводимых допущений, ограничений и формулировок выводов, адекватностью применяемых моделей физическим процессам в сетях связи с подвижными объектами. Достоверность научных положений подтверждается непротиворечивостью полученных результатов результатам предшествующих исследований и техническим характеристикам оборудования сетей.

Научные положения, выносимые на защиту. Основные научные результаты, которые получены лично автором, включены в диссертацию и выносятся на защиту.

1. Алгоритм и методики территориально-кодового планирования наложенной сети CDMA 2000 1X при скоростной передаче данных.

2. Методики оценки пропускной способности и емкости наложенной сотовой сети CDMA2000 1X при работе в режиме мобильного Интернета.

3. Предложения по повышению эффективности работы сети радиосвязи EV-DO в условиях ЭЗАК.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработаны алгоритм и методики территориально-кодового планирования наложенной сети EV-DO, обеспечивающую скоростную передачу данных.

2. Проведена оценка максимального допустимого количества пользователей в наложенной сети при работе пользователей в режиме мобильного Интернета.

3. Разработана методика оценки пропускной способности наложенной сети EV-DO.

4. Разработаны предложения по повышению эффективности сети радиосвязи EV-DO в условиях ЭЗАК.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы при принятии решений по развитию действующих сетей подвижной радиосвязи стандарта CDMA2000 и в учебных курсах вузов связи.

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в тематических сборниках и отраслевых журналах - всего в 9 работах. Одна статья опубликована в журнале из перечня изданий, рекомендуемых ВАК. Основные результаты диссертационного исследования доложены на 58 –61-й НТК СПбГУТ (СПб, 2006 – 2009), Международной НТК «Телекоммуникационные системы, 2008». – Кито (Эквадор),2008 и получили положительную оценку.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебном процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, что подтверждено соответствующим актом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, включающего 65 литературных источников. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста и содержит 18 рисунков и 20 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, приведена общая структура работы.

В первой главе рассмотрены вопросы современного состояния сетей подвижной связи, особенности ЭЗАК, характеристики функционирования реальных сетей 3G, а также особенности технологии сетей мобильной связи CDMA2000 1X EV-DO. Поставлены задачи исследования. Приводен анализ эволюции технологий сетей мобильной связи с КРК в условиях ЭЗАК.

Во второй главе разработаны алгоритм и методики определения параметров наложенной сети EV-DO.

Задача синтеза наложенной сети EV-DO заключается в нахождение таких параметров сети, которая при заданных аппаратурных и частотно-временных ресурсах удовлетворяет требованиям качества обслуживания абонентов в час наибольшей нагрузки.

В процессе планирования наложенной сети радиодоступа учитываются особенности технологии EV-DO, основными из которых являются:

• в обратном канале используется КРК, следствием чего является наличие связи между емкостью сети и зоной покрытия через допустимый уровень внутрисистемных помех;
• в обратном канале отсутствуют ограничения на блокировку вызова, за счёт появления так называемой «мягкой» емкости;
• в прямом канале используется временное разделение каналов и мощность передатчика базовой станции (BS) расходуется только на передачу информации;
• в прямом канале помехи на входе приёмника абонентской станции образуются соседними базовыми станциями;
• в системе имеет место трафик, который характеризуется разными скоростями передачи, вероятностями ошибок на приёме и временными задержками при передаче данных;
• скорость передачи информации в зависимости от условий связи по прямому и обратному каналам изменяется дискретно в допустимых пределах;
• в сети имеет место асимметричность потоков передачи данных в прямом и обратном каналах, поэтому требования к энергетическим параметрам этих каналов при обеспечении равных зон покрытия будут разными. Выравнивание зон покрытия в прямом и обратном каналах наложенной сети достигается регулированием мощности передатчиков базовых станций;
• на результаты планирования влияют скорости перемещения абонентов, многолучевость принимаемых сигналов, скорость и точность регулирования мощности передатчиков мобильных радиостанций, параметры хэндоверов и др.

При разработке алгоритма территориально-кодового планирования наложенной сети предполагается, что:

- распределение абонентов по зоне обслуживания равномерное;

- соты однородны с гексагональной топологией;

- морфоструктура местности однотипна;

- параметры базовых станций сети одинаковы.

Структурная схема алгоритма планирования наложенной сети EV-DO приведена на рис. 1.

Алгоритм определения параметров сети основывается на оценке пропускной способности обратного канала EV-DO, которая определяет количество обслуживаемых абонентов. Оценка пропускной способности прямого канала EV-DO характеризует качество обслуживания абонентов, взятых на обслуживание.

Необходимость кодового планирования в сегменте EV-DO сохранена. Это обусловлено принципами организации и функционирования радиоинтерфейса, которые поддерживают концепцию циклических сдвигов кода с требуемым уровнем автокорреляционных функций, связанных с разделением принимаемых в прямом канале сообщений. В работе предложен метод оценки размерности кодового кластера, который учитывает выполнение требований по допустимому отношению сигнал/помеха в канале приёма, при заданной вероятности возникновения внутрисистемных помех.

Рис. 1 Алгоритм территориально-кодового планирования

наложенной сети EV-DO

Методика определения параметров наложенной сети EV-DO включает:

• определение числа каналов доступа в секторах BS при предоставлении услуг передачи скоростных данных, исходя из внутрисистемных помех;

• расчёт мощности передатчиков базовых станций с учётом внутрисистемной ЭМС;
• оценку энергобаланса при передаче скоростных данных в обратном и прямом каналах.

Методики определения параметров наложенной сети базируются на оценке отношения сигнал/помеха на выходе приемника BS (1) и, на выходе приёмника мобильной станции (MS) (2) в сети EV-DO:

, (1)

где – требуемый минимальный уровень мощности сигналов на входе ЛТП ВS (>,– чувствительность ЛТП ВS); В = – база сигнала; – ширина спектра сигнала; =1,38xДж/К – постоянная Больцмана; Т =– шумовая температура ЛТП; = 290 К; W – коэффициент шума ЛТП. – мощность взаимных помех, исходящих от активных абонентов данного сектора данной соты (с учетом того, что по одному из каналов передается полезный сигнал); Мs – число активных абонентов в секторе соты; – мощность взаимных помех, исходящих от активных абонентов соседних сот (секторов); – коэффициент вносимых помех соседних секторов (сот); – фактор активности услуги.

, (2)

где мощность луча на j входе Rake приёмника; мощность передаваемого сигнала BS; – потери распространения сигналов, принимаемых от соседних секторов; – коэффициент ортогональности сигналов, принимаемых от соседних секторов.

Оценка помехового воздействия позволяет определить среднее число активных абонентских станций с разными скоростями передачи, которые находятся в секторе базовой станции в ЧНН.

Методика определения мощности передачи BS основана на обеспечении требуемой вероятности связи с заданной достоверностью. Оценка проводится с использованием технических данных радиооборудования, выражений уровня помех на приёмнике и потерь на трассе.

Расчёт энергобаланса в сети производится для каждой фиксированной скорости передачи данных системы EV-DO в обратном и прямом каналах с использованием уравнения энергетического баланса радиолинии. При расчёте определяется максимальный допустимый уровень шума на 5,5 дБ, при котором допустимый диапазон загрузки сектора находится в 0,75. Такое значение обеспечивает адекватный уровень использования несущей при работе сети в режиме передачи скоростных данных и позволяет рассчитать энергобаланс канала при предельных условиях загрузки.

При выполнении расчётов полагалось, что: система работает на частоте 800 МГц, в полосе 1,25 МГц; обеспечение необходимого качества обслуживания в 99% случаев; обеспечение минимальной скорости передачи данных из границы зоны обслуживания сектора; высоты антенн BS и MS – 30 и 1,5 м соответственно; чувствительность приёмника MS -106 дБм; коэффициенты усиления антенных устройств базовых станций 20 дБ; потери в антенно-фидерном тракте 3 дБ и рассеяние уровней полезного сигнала и помех 10 дБ. Расчёты выполнены при разных уровнях загрузки сети (25, 50 и 100%) в пригородной и городской зонах обслуживания.

Результаты расчётов показывают, что:

1. В обратном канале можно поддержать 14 пользователей в секторе BS с ВЕR более чем в 99% случаев для услуги данных при передаче со скоростью 9,6 Кбит/с. При скорости передачи 153,6 Кбит/с BS может обслуживать одновременно 5 пользователей при полностью загруженности сети. Количество каналов увеличивается, когда соседние соты загружены наполовину или на 25%.

2. В пригородной и городской зонах, мощность BS сегмента сети EV-DO может быть уменьшена до 3 от номинальных 30 Вт в зависимости от радиуса сегмента существующей сети CDMA2000 1x RTT. Показано, что увеличение потерь в радиоканале городской зоны приводит к увеличению мощности передачи BS относительно с мощностью передачи в пригородной зоне с одинаковым радиусом сектора. Если в соседних сотах увеличивается уровень загрузки прямого канала, то в секторе нужно увеличивать мощность передачи BS.

3. Зоны обслуживания, в пределах которых обеспечивается максимально возможная специфицированная стандартом скорость передачи, будут иметь вид концентрических окружностей с центром в точке расположения антенны BS. Максимальный радиус сектора существующей сети, на которой можно «накладывать» сегмент сети ЕV-DO, достигает 5,3 или 3,85 км в пригородной или городской зонах обслуживания, соответственно. Величина допустимых потерь в прямом канале обеспечивается регулированием мощности передачи BS. Установлено, что величина допустимых потерь в радиоканале не превышает 150,6 дБ.

В третьей главе проведена оценка пропускной способности и ёмкости наложенной сети EV-DO при работе в режиме мобильного Интернета.

Сеть по обратному каналу рассматривается в виде многоканальной системы массового обслуживания (СМО) с ожиданием и очередью. Рассчитывается допустимый объём трафика при условии, что другие компоненты модели трафика (время задержки, скорость их работы и количество) определены.

Суммарное количество бит, которое передаётся при одном запросе, находится по формуле

,

где S – скорость кода, характеризующая вносимую избыточность, а время загрузки

,

где Сup – скорость передачи данных в обратном канале.

Оценивается время загрузки файла одного пользователя мобильного Интернета при единичном запросе.

При расчётах полагается что, при запросе по обратному каналу система передаёт файл размером V = 14 Кбайт и количество запросов () в ЧНН составляет 15. Практика показывает, что при работе в режиме мобильного Интернета среднее время доступа к системе и сетевая задержка составляет T1 = 3 с, средняя задержка на организацию очереди зависит от системы обслуживания запросов пользователей , время загрузки – от скорости передачи в обратном канале , а среднее время сессии Tc = 67 мин. Интервал работы таймера «не активности» (T4), по истечению которого канал разрывается, полагается равным 10 с.

С учётом помехового воздействия и установившегося режима функционирования сети оценивается количество пользователей мобильного Интернета, которое можно взять на обслуживание в секторе наложенной сети.

В табл. 1 приведены данные о количестве пользователей мобильного Интернета Nаб, приходящихся на сектор BS в ЧНН с учётом загруженности сети. Эти данные находятся из допустимой нагрузки на сектор Аср при заданной вероятности задержки в обслуживание и активности запроса одного абонента А1 при скоростях передачи данных в секторе 9,6 и 153,6 кбит/с, где Эрл.