Планирование и оптимизация сотовых систем связи 3-го поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов

3G - третье поколение сетей сотовой связи, работающих в рамках программы UMTS

3GPP - партнерство по проекту в области технологий 3-го поколения (формирует стандарт WCDMA)

BTS базовая приемопередающая станция

CDMA множественный доступ с кодовым разделением каналов

DS-CDMA множественный доступ с кодовым разделением и прямым расширением спектра

EDGE повышенные скорости передачи данных (для эволюции GSM)

GPRS пакетная коммутация в сетях подвижной радиосвязи

QoS качество услуг связи

KPI ключевые параметры качества функционирования сотовой сети связи

UTRAN сеть наземного радиодоступа сети UMTS

WCDMA широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов

USIM модуль идентификации абонента

ИАПК измерительный аппаратно-програмный комплекс

АТ абонентский терминал

БС базовая станция

ГИС геоинформационная система

Введение

В процессе развития сетей сотовой связи (ССС) важными являются вопросы их планирования и оптимизации [1-4]. Для автоматизации проектирования при решении задач планирования и оптимизации созданы и используются специальные программные комплексы, которые позволяют сокращать сроки и стоимости процесса проектирования ССС.

В настоящее время начинают внедряться сети 3-го поколения. Сети третьего поколения (3G) отличаются от сетей второго поколения (2G), таких как, например, GSM, и переходного поколения (2,5G), таких как, например, GPRS, EDGE - гораздо большей скоростью передачи данных, а также более широким и более высоким качеством предоставления услуг. Эти сети обеспечивают симметричную и ассиметричную передачу данных, поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения таких сервисов как Internet Protocol (IP) и Real Time Video, высокую эффективность использования спектра частот, возможность глобального роуминга. Поэтому актуальной задачей является планирования и оптимизации при проектировании этих сетей.

Магистерская работа посвящена исследованию планирования и оптимизации сотовых систем связи 3-го поколения. В данной работе необходимо выполнить обзор состояния сотовых систем связи, рассмотреть эволюцию сетей различных технологий, необходимо выполнить анализ принципов построения и работы сети стандарта UMTS. Также рассматриваются некоторые особенности планирования и оптимизации ССС 3-го поколения, которые в основном приводятся в работах зарубежных авторов [1-6]. Анализируются возможности известных программных комплексов планирования таких сетей. Приводятся некоторые расчетные соотношения, используемые при их планировании и оптимизации.

1. Основные принципы построения сетей сотовой связи 3-го поколения

В данном разделе рассматривается современное состояние сотовых сетей связи, а также обзор состояния и направлений развития сетей 3-го поколения, где были проиллюстрированы ожидаемые воздушные интерфейсы и спектры частот для обеспечения услуг сетей третьего поколения. Также проанализировано принцип построения, включая анализ архитектуры и основных параметров сети UMTS. Проиллюстрировав элементы сети, было коротко описано каждый из них

1.1 Современное состояние сетей сотовой связи

Мобильная сотовая связь вошла в нашу жизнь в начале 1980-х ХХ века. С тех пор в технике сотовой связи произошли существенные изменения, а ее популярность и объем предоставляемых ею услуг возросли намного больше, чем это прогнозировалось [1].

Первое поколение систем сотовой связи использовало аналоговую передачу речевых сигналов. Было создано несколько национальных стандартов: AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США, TACS (Total Access Communication System) в Англии, NMT (Nordic Mobile Telephones) в Швеции, Норвегии, Финляндии, Дании, NTT (Nippon Telephone and Telegraph) в Японии. Каждая страна разрабатывала свою собственную систему, несовместимую с другими, как в оборудовании, так и в предоставляемых услугах. Вследствие этого мобильное оборудование каждого государства использовалось только внутри его национальных границ. С целью устранения этого недостатка считалось необходимым создание общеевропейского стандарта. Дальнейшее развитие сотовой подвижной связи шло по пути создания цифровых стандартов, причем страны Европы и США пошла по разным путям.

В Европе с 1982 года начались работы по разработке единого европейского стандарта цифровой сотовой связи в диапазоне 900МГц. Результатом работы явился стандарт GSM (Global for Mobile Communications - глобальная система для сотовой связи) несовместимого с аналоговыми системами. Первая опытная сеть стандарта GSM-900 появилась лишь в 1990 году, через год - в 1991 году - появилась система стандарта DCS-1800 (Digital Cellular System 1800МГц - Цифровая сотовая система 1800МГц). В эксплуатацию первая система сотовой связи стандарта GSM была введена в 1992 году в Германии.

В США в 1990 году был утвержден стандарт цифровой связи D-AMPS (цифровой AMPS). В сети D-AMPS двухрежимная абонентская станция могла работать как в аналоговом, так и в цифровом.

Одновременно американская компания Qualcomm начала разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов CDMA (Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением). Первая сотовая система, основанная на этом стандарте (IS-95), вступило в строй в 1995 году в Гонконге.

В 1990 году были опубликованы спецификации первой базы GSM, а к 1993 году функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. Несмотря на то, что система GSM была стандартизована в Европе, на самом деле она не является исключительно европейским стандартом. Сети GSM внедрены в более 105 странах Европы, Ближнего и Дальнего Востока, Африки, Южной Америки и в Австралии. В 1994 году число абонентов GSM во всем мире достигло 1,3 миллиона человек. К 2000 году число абонентов GSM уже превысило двести пятьдесят миллионов человек.

Стандарту GSM отведена одна из главных ролей в процессе эволюции систем связи. Он тесно связан со всеми современными стандартами цифровых сетей, в первую очередь, ISDN (Интегрированная система цифровой сетевой связи) и IN (Intelligent Network). Основные функциональные элементы сети GSM входят в стандарт глобальной сети третьего поколения подвижной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) .

В настоящее время GSM является самым популярным и самым распространенным стандартом сотовой связи, занимающим лидирующие позиции в мире, как по площади покрытия, так и по числу абонентов. Большинство стран земного шара приняли стандарт GSM диапазона 900 МГц к реализации или развивают его для построения таких сетей в диапазонах частот 1800 МГц - стандарт DCS 1800 в Европе, и 1900 МГц - стандарт PCS 1900 в США.

Стандарт GSM относится к новому - второму или 2G - поколению сотовой связи, основанному на цифровой технологии, использующей временное разделение каналов - TDMA. Это позволяет реализовать ряд преимуществ по отношению к аналоговым стандартам первого поколения NMT-450 и AMPS, а также его цифрового варианта DAMPS .

К настоящему времени приняты и используются стандарты сотовых систем радиосвязи с кодовым разделением радиоканалов 3-го поколения. В Европе - это стандарт UMTS, в США - CDMA-2000, в странах Азии - WCDMA и др.

Создание систем мобильной подвижной радиосвязи с кодовым разделением абонентов сдерживалось отсутствием технических и технологических возможностей по реализации малогабаритных, малопотребляющих и многофункциональных устройств "сжатия" ШПС. В настоящее время эти проблемы успешно решены.

1.2 Обзор состояния и направлений развития сетей 3-го поколения

Современный этап развития телекоммуникаций характеризуется не только непрерывным увеличением числа пользователей, но и возрастающими требованиями к спектру услуг связи. В настоящее время возросла необходимость в обеспечении высоко скоростного информационного обмена между абонентами без ограничения свободы их перемещения, обеспечении передачи информации любого формата: обычный телефонный разговор, компьютерные файлы, факсимильные, мультимедийные и аудиовизуальные сообщения, Internet-пакеты, электронная почта и др. Возросший количественный и качественный уровень запрашиваемых абонентами услуг невозможно обеспечить без значительного повышения скорости передачи с одновременным повышением спектральной эффективности систем сотовой связи [3].

Сотовые сети первых двух поколений уже не способны в полной мере удовлетворить эти требования. Выделенные полосы частот сотовым системам связи оказываются уже недостаточными для обслуживания реального количества абонентов, несмотря на многократное повторное использование частот на базовых станциях, удаленных друг от друга на защитные расстояния. Повышение абонентской емкости путем уменьшения радиуса действия сот до 0,1…0,3 км, построение сети на основе малоразмерных кластеров, переход к динамическому распределению каналов, полускоростному режиму передачи приводит к увеличению числа базовых станций, усложняет управление сетью, снижает такие качественные показатели сети как достоверность и надежность.

Отмеченные трудности усугубляются большим количеством стандартов и их несовместимостью. Существование большого числа разобщенных мобильных сетей на фоне тенденции к экономической интеграции требовали создания единого стандарта, способного обеспечить абонентам свободу перемещения и сохранение обслуживания в любой сети независимо от места ее развертывания. Основное требование - разнообразие услуг и функций. Предпосылками стали - освоение диапазона 2000 МГц, разработка эффективных протоколов наземных и спутниковых систем, создание универсальных интерфейсов. Важным требованием являлась совместимость, поскольку ставилась задача построения глобальной сети сотовой связи.

По предложению ITU-R (МСЭ) с 1985 г. было начато обсуждение проекта создания наземной сети сотовой связи общего пользования будущего (FPLMTS). Новая концепция в рамках FPLMTS была принята в 1997 г. под названием IMT-2000 (International Mobile Telephone). Проект IMT-2000 - это долгосрочная программа разработки, стандартизации и содействия внедрению национальных, региональных и международных телекоммуникационных систем, которые реализуют полный набор услуг в интересах наземной и спутниковой сотовой связи.

Термин 3G, которым принято обозначать следующее поколение мобильных систем и их возможностей (повышенная емкость и функциональность, обозначающая новейшие услуги и приложения, включающие мультимедиа). Сети третьего поколения (3G) отличаются от систем второго поколения (2G), таких как, например, GSM, и переходного поколения (2,5G), таких как, например, GPRS, EDGE - гораздо большей скоростью передачи данных, а также более широким и более высоким качеством предоставления услуг. Эти сети обеспечивают симметричную и ассиметричную передачу данных, поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения таких сервисов как Internet Protocol (IP) и Real Time Video, высокую эффективность использования спектра частот, возможность глобального роуминга.

Уже на первых этапах развития сети 3-го поколения должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т.е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:

-до 2048 Мбит/с в микро - и пикосотах;

-до 348 кбит/с - для пешеходов;

-до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;

-до 64 кбит/с при глобальном роуминге (спутниковая связь).

На форумах по стандартизации технология WCDMA получила признание в качестве наиболее широко распространенного воздушного интерфейса третьего поколения. Его спецификация была разработана в рамках партнерство по проекту в области технологий 3 поколения (3GPP), который является совместным проектом органов стандартизации Европы, Японии, Кореи, США и Китая. В проекте 3GPP технология WCDMA называется UTRA (Универсальным наземным радиодоступом) с режимами FDD (частотное дуплексное разделение каналов) и TDD (временное дуплексное разделение каналов), при этом название WCDMA используется для охвата обоих режимов - и FDD и TDD.

Первоначально в процессе разработки систем третьего поколения ставилась задача создания единого общего глобального воздушного интерфейса IMT-2000. Сети третьего поколения подошли ближе к решению этой задачи, чем сети второго поколения: один и тот же воздушный интерфейс WCDMA должен применяться в Европе и Азии, включая Японию и Корею, при использовании частотных полос в диапазоне 2 ГГц, которые были выделены для систем третьего поколения IMT-2000. В Северной Америке, однако, этот спектр частот был уже отдан операторам, использующим сети второго поколения, и для IMT-2000 новых полос спектра не предоставлено. Таким образом, услуги систем третьего поколения должны реализовываться в выделенных полосах частот путем освобождения в них части спектра для систем третьего поколения. Такой подход называется перераспределением. Глобальный спектр частот IMT-2000 отсутствует в странах, которые следуют принятому в США распределению спектра для систем персональной связи (PCS) [3-4].

Кроме WCDMA, воздушными интерфейсами для обеспечения услуг систем третьего поколения могут служить технологии EDGE и CDMA с множеством несущих (cdma 2000). Технология EDGE (повышение скорости передачи данных для развития сети GSM) может обеспечить услуги систем третьего поколения со скоростями передачи до 500 Кбит/с при разнесении несущих GSM, равном 200 КГц . EDGE имеет ряд возможностей по улучшению эффективности использования частотного спектра и по поддержке новых услуг, которые не предусматривались GSM. CDMA с множеством несущих может применяться как решение по усовершенствованию существующей технологии IS-95.

Распределение спектра в Европе, Японии, Корее и США показано на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Ожидаемые воздушные интерфейсы и спектры частот для обеспечения услуг систем третьего поколения

В Европе и в большей части Азии для WCDMA FDD будут выделены полосы IMT-2000 2x60 МГц (1920-1980 МГц плюс 2110-2170 МГц). Наличие спектра частот TDD неодинаковое: ожидается, что в Европе для лицензионного использования TDD будет предоставляться полоса до 25 МГц в участках спектра 1900- 1920 МГц и 2020- 2025 МГц. Остальная часть непарного спектра (TDD) , как ожидается, будет использована для нелицензионных применений TDD (SPA: самостоятельно обеспечиваемые применения) в полосе 2110-2120 МГц. Сети FDD используют различные частотные полосы для восходящего (uplink) и нисходящего (downlink) каналов, разделенных дуплексным расстоянием, в то время как сети TDD используют одну и ту же частоту как для восходящего (up) , так и для нисходящего канала(down) [3].

1.3 Анализ принципов построения сетей сотовой связи 3-го поколения

1.3.1 Общая характеристика сети UMTS

В 1997 г. Европейский комитет радиосвязи ERC принял решение о резервировании частотных полос в диапазоне 2 ГГц для эксплуатации UMTS с 2002 г. в следующих полосах частот:

-1920…1980 и 2110…2170 МГц - для наземных сетей UMTS, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD) в парных полосах частот;

-1900…1920 и 2010…2025 МГц - для наземных сетей UMTS, работающих с временным дуплексным разносом (TDD) в непарных полосах частот;

-1980…2010 и 2170…2200 МГц - для спутниковых сетей UMTS.

Универсальная мобильная система связи UMTS основана на составном радиоинтерфейсе UTRA: на спаренных полосах частот используется частотный дуплекс - технология FDD (W-CDMA) для передачи речи и данных на скоростях до 384 кбит/с; на неспаренных полосах частот используется временной дуплекс TDD и технология кодо-временного разделения (TD-CDMA) для асимметричной передачи данных на скоростях до 2 Мбит/с. Суммарный частотный ресурс UMTS составляет 155 МГц для наземных сетей и 60 МГц - для спутниковых. Радиоинтерфейс UTRA сети UMTS, как и все радиоинтерфейсы систем 3-го поколения, построенные на базе технологии CDMA, предусматривает использование полосы частот 5 МГц и более. Выбор такой полосы (5 МГц) обусловлен рядом причин.

Первой из них является необходимость обеспечения системами 3-го поколения высоких скоростей передачи - до значений 144; 384 кбит/с и более - до 2,048 Мбит/с, что значительно превышает скорости передачи в системах второго поколения (GSM-900/1800/1900, CDMA-IS-95 и др.), максимальное значение которых не превышает 30 кбит/с. Для достижения указанных высоких скоростей передачи при приемлемой емкости сети вполне достаточной является полоса частот 5 МГц.

Второй причиной, которая позволяет ограничиться полосой частот 5 МГц, является дефицит свободных полос радиоспектра в случаях, когда новые сети занимают диапазоны частот, в которых уже работают сети второго поколения.

Третьей причиной достаточности полосы частот 5 МГц является то, что уже при использовании этой полосы существенно увеличивается степень различия числа компонентов многолучевого сигнала, что в свою очередь повышает качество приема по сравнению с использованием полосы частот меньшей величины.

В режиме FDD полоса частот, выделенная в диапазоне 1920…1980 МГц, используется для передачи от АС к БС (линий “вверх”, обратный частотный канал), а другая, выделенная в диапазоне 2110…2170 МГц, используется для передачи от БС к АС (линия “вниз”, прямой частотный канал).

Поскольку в тех или иных странах (в частности в США) в силу сложившегося распределения частот, затруднено обеспечение частотного дуплексного разноса, то наряду с частотным дуплексом (FDD) стандартом предусмотрен временной дуплекс (TDD) для работы в непарных полосах частот. При временном дуплексе часть временного кадра выделяется для передачи сообщения от БС к АС, а другая используется для передачи в обратном направлении. Для работы в режиме TDD выделены непарные полосы частот 5 МГц в диапазонах 1920…1980 и 2010…2025 МГц [3-4].

1.3.2 Анализ основных параметров сети UMTS

UMTS представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (DS -CDMA), т.е. биты информации пользователя передаются в широкой полосе частот путем умножения исходного потока данных пользователя на последовательности квазислучайных битов (называемых чипами), являющиеся кодами расширения CDMA. Для обеспечения очень высоких скоростей передачи (до 2 Мбит/с) поддерживается использование переменного коэффициента расширения и мультикодовых комбинаций [3].

Скорость передачи, равная 3,84 Мчип/с, приводит к занятию полосы приблизительно в 5 МГц. Сети DS-CDMA с шириной полосы около 1 МГц, например, IS-95, обычно называют узкополосными системами CDMA. Присущая системам WCDMA большая ширина полосы на несущей обеспечивает высокие скорости передачи данных пользователя, а также создает определенные преимущества в работе, например в каналах с повышенной многолучевостью. Не нарушая полученной лицензии на работу сети, оператор может иметь несколько таких несущих с полосой 5 МГц для увеличения пропускной способности, возможно, в виде ячеек иерархической структуры. Фактически такое разнесение несущих может быть реализовано и на 200 килогерцовой сетке приблизительно в полосе 4,4 и 5 МГц в зависимости от уровня интерференции несущих.

UMTS поддерживает самые разные скорости передачи данных пользователя, другими словами, концепция получения ширины полосы по требованию (BoD) достаточно хорошо поддерживается. Каждому пользователю выделяются фреймы длительностью 10 мс, в течение каждого из которых скорость передачи данных пользователя остается постоянной. Однако пропускная способность для передачи данных у пользователя может меняться от фрейма к фрейму. Быстрое выделение пропускной способности для радиосвязи будет обычно управляться сетью для достижения максимальной пропускной способности при передаче пакетированных данных.

UMTS поддерживает два основных режима работы: частотное разделение дуплексных каналов (FDD) и временное разделение дуплексных каналов (TDD). В режиме FDD для восходящего и нисходящего каналов используются раздельные несущие с частотой 5 МГц, тогда как в режиме TDD только одна несущая 5 МГц используется для восходящего и нисходящего каналов с разделением прием-передача во времени. Восходящий канал - это канал от подвижной станции к базовой, а нисходящий - от базовой станции к подвижной. Режим TDD в значительной мере основан на концепциях режима FDD и был дополнительно введен, чтобы использовать базовую систему WCDMA также и для непарного (несимметричного) распределения спектра.

UMTS поддерживает работу асинхронных базовых станций, так что в отличие от синхронной сети IS-95 отсутствует необходимость в глобальной привязке ко времени, например к GPS. Развертывание базовых станций внутри помещений и миниатюрных базовых станций (для пикосот) производится легче, когда не требуется получать сигнал GPS.

UMTS использует когерентный прием для систем CDMA в восходящем и нисходящем каналах на основе применения пилот-символов или общих пилот-сигналов. Хотя когерентный прием уже используется в нисходящем канале в IS-95, его применение в восходящем канале является новым для систем CDMA общего пользования и приведет к увеличению общей зоны охвата и пропускной способности восходящего канала. Основные параметры UMTS приведены в табл.1.1.

Воздушный интерфейс UMTS построен таким образом, что оператор сети может использовать перспективные концепции построения приемников CDMA, например, многопользовательский прием и применение интеллектуальных адаптивных антенн как способ повышения пропускной способности и/или зоны охвата. В большинстве систем второго поколения отсутствуют возможности использования таких концепций построения приемника, и в результате они либо не могут применяться, либо могут применяться, лишь с большими ограничениями и дают лишь незначительное улучшение эксплуатационных показателей.

Таблица 1.1 - Основные параметры UMTS

Метод множественного доступа	DS-CDMA
Дуплексный разнос	Дуплекс с частотным разделением/ дуплекс с временным разделением
Синхронизация базовой станции	Асинхронная работа
Скорость передачи чипов	3,84 Мчип/с
Длительность фрейма	10 мс
Мультиплексирование при обслуживании	Множество услуг с различными требованиями по качеству обслуживания
Концепция многоскоростной передачи	Переменный коэффициент расширения и мультикоды
Прием	Когерентный с использованием пилот-символов и общего пилот-сигнала
Многопользовательский прием, интеллектуальные антенны	Поддерживается стандартом, необязательным в реализации

UMTS предназначена для использования вместе с GSM. Поэтому поддерживаются эстафетные передачи управления (хэндоверы) между GSM и UMTS для того, чтобы иметь возможность использовать зону охвата GSM для внедрения UMTS.

Из табл. 1.1 видно, что при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с выигрыш за счет расширение спектра составляет дБ.

Для передачи речи E_b/N₀ обычно составляет порядка 5,0 дБ. Поэтому отношение широкополосного сигнала к помехе будет равно 5,0 дБ минус выигрыш при обработке 25 дБ (5-25= 20,0 дБ). Другими словами, мощность сигнала может быть на 20 дБ ниже мощности помехи и теплового шума, а приемник WCDMA все еще будет способен принимать сигнал. Отношение широкополосного сигнала к помехе называется также отношением сигнал/помеха на частоте несущей C/I. Благодаря расширению и сжатию C/I в WCDMA может быть ниже, чем, например в GSM. Речевой трафик в GSM требует C/I = 9 12 дБ.

Следует заметить, что в любой заданной ширине полосы частот канала (скорости передачи чипов) имеет место больший выигрыш при обработке для более низких скоростей передачи данных пользователя, чем для более высоких. В частности, для скорости передачи данных пользователя 2 МГц выигрыш при обработке составляет менее 2 (3,84Мчип/с)/(2Мбит/с)=1,92, что соответствует 2,8 дБ.

Следует также заметить, что само по себе расширение/сжатие не обеспечивает какого-либо улучшения сигнала для беспроводных применений, В самом деле, выигрыш в отношении сигнал/помеха при обработке получается за счет увеличенной ширины полосы частот при передаче (умноженной на величину выигрыша при обработке) [4-5].

Отметим преимущества систем с кодовым разделением каналов сигнала:

- выигрыш в отношении сигнал/помеха в совокупности с широко-полосным характером сигнала предполагает возможность полного повторного использования частоты (коэффициент повторения равен 1) в различных сотовых ячейках беспроводной сети (т.е. частота повторно используется в каждой ячейке/секторе). Это свойство может использоваться для получения высокой эффективности использования спектра;

- совместное использование многими пользователями одной и той же широкополосной несущей для их связи обеспечивает разнесение по помехам, т.е. помехи при множественном доступе от многочисленных пользователей сети усредняются, и это снова приводит к повышению пропускной способности по сравнению с системами, где при планировании необходимо ориентироваться на помехи для худшего случая;

- однако оба вышеуказанных преимущества требуют применения жесткого управления мощностью и мягкого хэндовера для того, чтобы избежать блокирования сигналом одного пользователя другим.

При использовании широкополосного сигнала различные пути распространения радиосигнала могут получать разрешение с более высокой точностью, чем сигналы с более узкой шириной полосы. Это ведет к получению более разнообразных возможностей борьбы с замираниями и, тем самым, к улучшению рабочих характеристик.

1.4 Архитектура сети UMTS

Сеть UMTS состоит из ряда логических элементов сети, каждый из которых выполняет определенные функции.

По своим функциям элементы сети группируются в сеть радиодоступа (RAN, UMTS территориального уровня - UTRAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть (CN), которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов, и каналы передачи данных во внешние сети. Чтобы завершить систему, определяются оборудование пользователя (UE), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu). Архитектура сети высокого уровня показана на рис. 1.2.

Абонентское оборудование (UE) и радиоинтерфейс (UTRAN) построены на новой технологии радиосвязи WCDMA.

Построение базовой сети (CN) взято из GSM. Это дает системе с новой технологией радиосвязи глобальную базу из известной и испытанной технологии CN, что способствует ускорению ее внедрения и позволяет использовать как глобальный роуминг.

Другим способом группирования элементов сети UMTS служит деление их на подсети. Система UMTS является модульной в том смысле, что, возможно, иметь несколько элементов сети одного и того же типа. В принципе, минимальным требованием для того, чтобы сеть работала и обеспечивала все свои функциональные возможности, является наличие, по крайней мере, одного логического элемента сети каждого типа (отметим, что некоторые функции и, следовательно, некоторые элементы сети являются необязательными). Возможность иметь несколько объектов одного и того же типа позволяет делить систему UMTS на подсети, работающие либо самостоятельно, либо вместе с другими подсетями, и которые являются тождественными друг другу. Такая сеть называется UMTS PLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN эксплуатируется одним оператором и соединяется с другими PLMNs также, как и с другими типами сетей, например, ISDN, PSTN, Интернет и т.д. На рис. 1.3 показаны элементы PLMN и для того, чтобы проиллюстрировать внутренние соединения, - также и внешние сети.

UE состоит из двух частей:

Подвижное оборудование (ME) радиотерминал, используемый для радиосвязи через интерфейс Uu.

Модуль идентификации абонента UMTS (USIM), представляющий собой интеллектуальную плату, которая служит идентификатором абонента, выполняет алгоритм аутентификации и шифрования и некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент, необходимые при пользовании терминалом.

Рисунок 1.3 - Элементы сети UMTS

UTRAN также состоит из двух элементов [3]:

Узел B преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Он также участвует в управлении радиоресурсами. (Отметим, что термин «Узел B» из соответствующих спецификаций 3GPP более общий термин «Базовая станция» используется во всех остальных главах и означает тоже самое).

Контроллер радиосети (RNC) владеет и управляет радиоресурсами в своей области (к ней подключены узлы B). RNС представляет собой точку доступа к сервису для всех услуг, которые UTRAN предоставляет CN, например, управление соединениями с UE.

Основными элементами базовой сети GSM являются следующие:

HLR (регистр домашнего местонахождения, по месту регистрации) - это база данных, которая хранит в памяти информацию о предоставляемых абоненту услугах, запрещенных районов роуминга и дополнительную сервисную информацию, например, о возможности переключения телефонного вызова и номера телефона, на который производится переадресация;

MSC/VLR - это коммутатор (MSC) и база данных (VLR). Функция MSC используется для коммутации сообщений CS, и функция VLR обеспечивает обслуживание гостевого пользователя, а также более точную информацию о местоположении абонентского терминала в системе обслуживания;

GMSC (шлюзовой MSC) - это согласующее устройство между UMTS PLMN с внешними сетями CS. Все входящие и исходящие соединения CS проходят через GMSC;

функции SGSN (узла по обеспечению услуг GPRS) подобны функциям MSC/VLR, но обычно используются для услуг с коммутацией пакетов (PS);

GGSN (узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS) функционально близок к GMSC, но связан с предоставлением услуг.

Внешние сети можно разделяется на две группы:

сети CS. Они обеспечивают соединения с коммутацией каналов, как это имеет место в существующей в настоящее время телефонной связи;

сети PS. Они обеспечивают соединения с коммутацией пакетов данных. Одним из примеров сети PS служит Интернет.

В стандарты UMTS Определены следующие основные открытые интерфейсы:

интерфейс Cu. Это электрический интерфейс между интеллектуальной платой (смарт-карточкой) USIM (модуля идентификации абонента сети UMTS) и ME радиотерминалом;

интерфейс Uu. это интерфейс, через который UE получает доступ к UTRAN;

интерфейс Iu. Он соединяет UTRAN с базовой сетью CN;

интерфейс Iur. Открытый интерфейс Iur позволяет осуществлять мягкий хэндовер между RNCs от различных производителей, и поэтому он дополняет открытый интерфейс Iu;

интерфейс Iub. Iub соединяет узел B и RNC.

1.5 Выводы

В данном разделе было проанализировано современное состояние сотовых систем связи, а также обзор состояния и направлений развития систем 3-го поколения, где были проиллюстрированы ожидаемые воздушные интерфейсы и спектры частот для обеспечения услуг систем третьего поколения. Также было проанализировано принцип построения, включая анализ архитектуры и основных параметров сети UMTS. Проилюстрировав элементы сети, было коротко описано каждый из них. Сделано вывод, что сети третьего поколения (3G) отличаются от сетей второго поколения (2G), таких как, например, GSM, гораздо большей скоростью передачи данных, а также более широким и более высоким качеством предоставления услуг

2. Основные этапы и задачи планирования сетей сотовой связи

В данном разделе рассматриваются некоторые особенности планирования и оптимизации сетей сотовой связи 3-го поколения, которые в основном приводятся в работах зарубежных авторов

2.1 Этапы планирования и оптимизации сети по совокупности показателей качества

В процессе создания и совершенствования сети сотовой связи решаются две неразрывно связанные задачи: планирование сети (предварительное и детальное), оптимизация сети (перепланирование по результатам эксплуатации). При решении этих задач выполняются аналогичные операции и вычисления. Кроме того, процессы планирования и оптимизации сетей различных стандартов также сходны [2].

Планирование сети заключается в оценке структуры сети (Network Layout), определении мест размещения элементов радиоподсети (Network Elements), определении высот и мест установки антенн базовых станций сети (Antenna Heights).

Оптимизация сети предполагает анализ данных верификации (проверки соответствия результатов планирования параметрам существующей сети) и мониторинга, анализ проблем, выявленных при эксплуатации сети (жалоб клиентов, данных об отказах и ремонтах сети), выбор параметров и критериев оптимизации, изменение (регулирование) параметров, анализ полученных результатов на основе повторного мониторинга. Оптимизация отличается от планирования тем, что она:

- во-первых, выполняется при разработанном частотно-териториальном покрытии;

- во-вторых, основывается на результатах проведенных драйв-тестов и технического аудита параметров сети в проблемных зонах обслуживания;

- в-третьих, ее целями являются: повышение эффективности использования сетевых и радиоресурсов, обеспечение равномерного распределения нагрузки в сети, улучшение параметров качества услуг.

Процесс планирования сети сотовой связи (рис. 2.1) можно разбить на два этапа:

- предварительное планирование;

- детальное планирование.

Рисунок 2.1 - Этапы планирования сети сотовой связи

Предварительное планирование сети связано с выбором стратегии -- заданием таких параметров сети, как:

- покрытие (Coverage);

- емкость (Capacity);

- основные ключевые параметры качества функционирования KPI (Key Performance Indicators).

Основными KPI считаются:

- относительное число успешных вызовов CSR ;

- относительное число срывов соединений DCR (Dropped Call Rate);

- относительное число удачных хэндоверов HSR

- качество вызовов (Call Quality);

- время установления вызова (Call Set-up Time);

Кроме того, на этапе предварительного планирования оценивают: компоновку сети и предполагаемое размещение элементов сети радиодоступа; количество базовых станций, необходимое для выбранного покрытия. Как правило, на этапе предварительного планирования используют гипотетические данные о параметрах и инфраструктуре сети, которые уточняются на следующем этапе -- этапе детального планирования.

На этапе детального планирования осуществляется [2]:

- планирование конфигурации сети (определение типа и размещения базовых станций, типа и размещения антенных систем, расчет баланса мощностей в линиях «вверх» и «вниз»);

- планирование топологии сети (расчет зон покрытия и границ базовых станций с учетом данных об абонентском трафике); особенностью расчета зон покрытия для сети UMTS является наличие эффекта «дыхания» соты, заключающегося в уменьшении размеров соты при увеличении абонентской нагрузки.

Этапы процесса оптимизации сети сотовой связи представлены на рис. 2.2 .

Рисунок 2.2 - Этапы оптимизации сети сотовой связи

Верификация предусматривает контроль следующих основных данных:

- координат размещения базовых станций;

- зоны обслуживания базовых станций;

- зоны хэндоверов;

- списков частот для сот;

-типов и параметров приемопередатчиков базовых станций (мощность излучения, чувствительность);

- типов и параметров антенн (коэффициента усиления, диаграммы направленности);

- числа приемопередатчиков на антенну;

- координат размещения антенн;

- параметров размещения антенн (углов наклона, азимутов, высоты установки, характеристик антенно-фидерного устройства).

Мониторинг сети с помощью ИАПК позволяет оценить радиопокрытие и параметры качества функционирования сети для проверки их соответствия результатам детального планирования и выявления проблемных участков («узких мест»).

Оптимизация предполагает различные виды перепланирования сети на основе данных, полученных в результате верификации и мониторинга. При этом параметры сети изменяются (оптимизируются) в соответствии с выбранными задачами и критериями. Например, задачами оптимизации могут быть:

- перераспределение трафика сети;

- повышение эффективности использования радиочастотного спектра за счет частотно-территориального перепланирования.

- минимизация потерь покрытия в зонах обслуживания из-за влияния интерференционных помех;

- увеличение зоны обслуживания;

- улучшение параметров хэндоверов;

- повышение качества отдельных или совокупности услуг;

- использование совмещенных стандартов в сети и т.д.

При оптимизации сетей UMTS должны решаться дополнительные задачи -- планирования физических и транспортных каналов, используемых логическими каналами, а также распределения расширяющих кодов. Правильное планирование физических и транспортных каналов позволяет обеспечить эффективное функционирование логических каналов, связанных с конкретными приложениями и услугами. При неправильном планировании распределения расширяющих кодов ухудшается ортогональность сигналов ( = 1) и уменьшается покрытие и емкость сети.

Важным элементом повышения эффективности сетей UMTS является улучшение алгоритма управления мощностью. Особенность алгоритма заключается в быстром управлении мощностью излучения с высокой точностью. Из-за некачественного управления мощностью абонентские терминалы, расположенные вблизи базовой станции, могут «подавить» более отдаленные от нее AT, т.е. заблокировать их, а, следовательно, уменьшить зону покрытия [2].

2.2 Определение территории размаха сети

На этапе определения размаха сети (номинального планирования) оцениваются приблизительное число зон (сайтов) размещения базовых станций, возможности базовых станций и их конфигурация и другие элементы сети с учетом требований оператора и распространения радиоволн в этой зоне. При определении размаха сети следует выполнять требования оператора к зоне обслуживания, емкости и качеству обслуживания. Емкость и качество обслуживания тесно связаны в сетях WCDMA , и поэтому оба параметра должны учитываться одновременно при выборе размеров таких сетей.

Определение размаха радиосети WCDMA - это процесс, с помощью которого производится оценка возможных конфигураций и количества сетевого оборудования на основании требований оператора, связанных со следующими параметрами.

Территория:

зоны обслуживания;

информация о типах зон;

условия распространения.

Емкость:

располагаемый спектр частот;

прогнозирование роста числа абонентов;

информация об интенсивности трафика.

Качество обслуживания:

вероятностное расположение зон (вероятная зона обслуживания);

вероятность блокировки;

прямое соединение конечного пользователя.

В оценку размаха входят анализ ресурса радиолинии и зоны обслуживания, оценка емкости и, в конечном итоге, оценка количества сайтов и аппаратных средств базовых станций, контроллеров радиосети (RNC), оборудования для различных интерфейсов и элементов базовой сети (т.е. базовых элементов сети с коммутацией каналов и элементов сети с коммутацией пакетов).

2.2.1 Ресурсы радиоканала и эффективность зоны обслуживания

Существует несколько специальных параметров WCDMA в ресурсе канала радиосвязи, которые не используются в системе радиодоступа, основанном на TDMA, как, например, GSM [2-3]. Самыми важными являются следующие:

Запас помехозащищенности. Этот параметр необходим в ресурсе радиолинии, потому что нагрузка ячейки, коэффициент нагрузки, влияет на зону обслуживания. Чем большая нагрузка допустима в системе, тем больший запас помехозащищенности необходим в восходящем канале и тем меньше зона обслуживания. Для случаев с ограниченной зоной обслуживания допускается меньший запас помехозащищенности, тогда как в случаях с ограниченной емкостью размер ячейки ограничивается допустимыми потерями на трассе в ресурсе радиолинии, и максимальная емкость воздушного интерфейса сайта базовой станции не используется. Типичными значениями запаса помехозащищенности в случаях с ограниченной зоной обслуживания являются 1,0 - 3,0 дБ, которые соответствуют 20 - 50 %-ной нагрузке.

Запас на быстрые замирания (резерв на управление мощностью). Для обеспечения адекватного быстрого управления мощностью в замкнутом контуре необходим какой-то резерв мощности передачи MS. Это особенно относится к медленно перемещающимся подвижным пользователям, где быстрое управление мощностью помогает эффективно компенсировать быстрые замирания. Типичными значениями для запаса на быстрые замирания являются 2,0 - 5,0 дБ для медленно перемещающихся подвижных пользователей.

Выигрыш при мягком хэндовере. Хэндоверы - мягкий или жесткий - дают выигрыш при медленных замираниях (логнормальных замираниях) за счет уменьшения требуемого запаса на логнормальные замирания. Это объясняется тем, что медленные замирания для разных базовых станций слабо коррелированны, и с помощью хэндовера MS может выбрать лучшую базовую станцию. Мягкий хэндовер дает дополнительный выигрыш при использовании макроразнесения в борьбе с быстрыми замираниями за счет уменьшения требуемого отношения E_b/N₀ по сравнению с отдельной линией радиосвязи благодаря единению макроразнесений. Полный выигрыш от мягкого хэндовера предположительно находится в интервале между 2,0 и 3,0 дБ.

Эффективная зона обслуживания WCDMA определяется по средней площади (участка) сайта на узел в км²/сайт для заранее определенных стандартной среды распространения и поддерживаемой плотности трафика.

Исходя из ресурсов радиолинии, расстояние до границ ячейки R можно легко вычислить по известной модели распространения, например, модели Окумура-Хата или модели Уолфиш-Икегами. Модель распространения описывает усредненный вариант распространения сигналов в указанной среде, и она позволяет преобразовать максимальные допустимые потери при распространении в дБ в максимальную дальность до границ ячейки в километрах. В качестве примера мы можем взять модель распространения Окумура-Хата для городской макроячейки с высотой антенны BS 30 м, высотой антенны MS 1,5 м и частоты несущей 1950 МГц:

, (2.1)

где L потери на трассе в дБ и R расстояние в км. Для пригородных зон мы допускаем использование дополнительного коэффициента коррекции зоны 8 дБ и получаем потери на трассе в виде:

. (2.2)

Согласно уравнению (2.2) расстояние до границ ячейки при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с потерями на трассе 141,9 дБ в пригородной зоне, составит 23 км. Расстояние до границ ячейки при скорости передачи 144 Кбит/с внутри помещения составит 1,4 км. Определив расстояние до ячейки R, можно затем получить размеры участка (сайта), которые являются также функцией конфигурации разбиения на секторы. Для ячейки гексагональной формы, охватываемой ненаправленной антенной, зона обслуживания может быть аппроксимирована как .

2.2.2 Методики расчета нагрузки и емкости соты при планировании сети 3-го поколения

Вторым этапом определения размаха является оценка величины поддерживаемого трафика на участке (сайте) BS. Рассмотрим методику расчета нагрузки в сетях UMTS с множественным доступом с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (метод DS-CDMA). Основной целью расчета нагрузки является определение размеров сот в соответствии со значением поддерживаемого трафика при заданных параметрах качества услуг (QoS), которые зависят от соответствующих параметров качества функционирования сети (NP). Ограничение размеров сот вследствие ухудшения параметров качества функционирования сети обусловлено увеличением интенсивности внутрисистемных помех при увеличении количества абонентов [3].

С учетом особенностей используемого в UMTS метода DS-CDMA расчет нагрузки осуществляется на основе анализа внутрисистемных помех как в линии «вверх», так и в линии «вниз».

Расчет нагрузки линии «вверх». Нагрузка в линии «вверх» рассчитывается при условии обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на входе приемника базовой станции Node В. Отношение сигнал/шум для j-го AT в широкополосных системах сотовой связи с учетом введения частотной избыточности в спектр радиосигнала определяется выражением

, (2.3)

где -- энергия радиосигнала на бит сообщения j-го AT; , -- соответственно односторонняя спектральная плотность и мощность флюктуационных шумов в канале связи; -- ширина спектра широкополосного сигнала в сети UMTS; -- время передачи бита сообщения j-го AT; -- мощность сигнала j-го AT на входе приемника базовой станции Node В; -- длительность элементарного символа в сети UMTS; -- база сигнала или коэффициент расширения спектра сигнала SF j-гo AT; для широкополосных сигналов >>1, для узкополосных = 1.

Отношение в (2.3) соответствует спектральной плотности шумов при условии равенства ширины спектра сигнала и ширины спектра шумов .

Значение требуемого отношения сигнал/шум зависит от многих факторов: скорости передачи информации в канале, многолучевых замираний в канале связи, разнесения антенн при приеме, скорости перемещения абонента и т.д. Как показывает (2.3), при фиксированной мощности полезного сигнала, и заданной мощности помех требуемое отношение сигнал/шум можно обеспечить изменением значения базы сигнала. Так как полоса излучения сигнала в сети UMTS в соответствии со стандартом фиксирована (= 5 МГц), то база сигнала изменяется в зависимости от скорости передачи сообщения j-го AT {}, бит/с)

, (2.4)

где W - скорость передачи элементарных символов широкополосного сигнала (для UMTS W = 3,84 Мбод).

Трафик характеризуется видом услуги и скоростью передачи данных (- коэффициент активности j-го абонента). Для передачи речи = 0,67 (речевая активность, равная 0,5, плюс дополнительная нагрузка протокола сходимости пакетных данных PDCP), для передачи данных = 1. С учетом этого выражение (2.4) принимает вид

(2.5)

Величина называется выигрышем в отношении сигнал/шум при обработке на приемной стороне сигналов j-го AT (снятии широкополосности). При этом кодовое разделение сигналов от различных AT осуществляется на основе использования каждым j-м передатчиком уникальной псевдослучайной последовательности (рис.2.3). Применение псевдослучайной последовательности другого AT на приемной стороне не снимет широкополосности j-го сигнала и приведет к получению шумоподобного сигнала, являющегося источником внутрисистемных помех в соте. В данном случае, как показано на рис. 2.4, энергетический выигрыш j-го AT пропорционален базе сигнала. В децибелах выигрыш определяется как .

Таким образом, в выражениях (2.3)-(2.5) общая мощность шумов на входе приемника j-го AT состоит из мощности флюктуационных помех (теплового шума приемника базовой станции в виде белого гауссовского шума) и мощности помеховых сигналов от других AT

, (2.6)

где -- суммарная мощность сигналов и помех на входе приемника базовой станции, определяемая выражением

 . (2.7)

В (2.7) N -- число абонентов в соте, работающих одновременно в общей полосе частот (количество сигналов на входе приемника базовой станции). Количество абонентов в соте определяется плотностью их распределения и размерами соты.

С учетом (2.7) выражение (2.6) примет вид

. (2.8)

Преобразуем (2.8) таким образом, чтобы найти зависимость мощности полезного сигнала j-го AT от суммарной мощности сигналов и помех на входе приемника базовой станции

, (2.9)

где ? удельный коэффициент нагрузки одного соединения. При (для наиболее массовой услуги -- передачи речи с невысокой скоростью) выражение для можно упростить:

. (2.10)

Физически показывает долю мощности полезного сигнала j-го AT относительно полной мощности сигналов и помех, выделяемых антенной базовой станции. В зависимости от определяется необходимая скорость передачи данных в линии «вверх» для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум при фиксированных параметрах W и

. (2.11)

В (2.11) величина является характеристикой радиоинтерфейса, а характеристикой приемника и услуги.

Сумма мощностей всех сигналов от N абонентских терминалов

. (2.12)

Коэффициент увеличения мощности помех в частотном канале определяется как отношение полной принимаемой мощности в этой полосе к мощности помех

, (2.13)

в децибелах

. (2.14)

В выражении (2.13) параметр определяет общий коэффициент нагрузки для соединений в линии «вверх» в полосе сигнала 5 МГц:

. (2.15)

Найденный коэффициент нагрузки должен учитывать влияние внутрисистемных помех, создаваемых абонентскими терминалами других сот, работающими в заданной полосе частот. Это влияние оценивается отношением

. (2.16)

В макросоте с ненаправленной антенной . С учетом этого коэффициент нагрузки канала в линии «вверх»

. (2.17)

Уравнение (2.17) может быть использовано при расчете емкости выбранной соты и оценке соответствующего коэффициента увеличения мощности помех. Для сети с небольшой скоростью передачи данных (например, речи), в которой все N абонентских терминалов в соте имеют приблизительно одинаковую скорость передачи данных R, можно записать

. (2.18)

При увеличении коэффициента нагрузки суммарная скорость передачи данных в канале от нескольких AT увеличивается, а следовательно, сеть начинает реализовывать свою потенциальную нагрузочную емкость, которая характеризуется максимальной скоростью передачи данных в канале. Анализ выражения (2.13) показывает, что теоретически максимальный коэффициент нагрузки (= 1) соответствует максимальному коэффициенту увеличения мощности помех: .

На рис. 2.5 показана зависимость коэффициента увеличения мощности помех в канале линии «вверх» от скорости передачи данных. При этом были сделаны допущения [2]:= 1,5 дБ, i = 0,65. Из рис. 2.5 следует, что скорость передачи данных (пропускная способность) 860 кбит/с приводит к повышению коэффициента увеличения мощности помех на 3,0 дБ, а скорость 1300 кбит/с -- на 6,0 дБ. Повышение коэффициента увеличения мощности помех на 3 дБ соответствует коэффициенту нагрузки 0,5, на 6 дБ - коэффициенту нагрузки 0,7.

Рисунок 2.5 - Зависимость коэффициента увеличения мощности помех в канале линии «вверх» от скорости передачи данных

Расчет нагрузки в линии «вниз». Для определения коэффициента нагрузки канала в линии «вниз» рассмотрим особенности его построения. Все AT в соте, работающие со своей 1-й базовой станцией, используют ее уникальный код (рис. 2.6). Этот код разделяет радиосигналы от различных базовых станций, работающих на одной частоте. Данные различных абонентов в канале линии «вниз» разделяются с помощью ортогональных кодов Уолша.