Планирование и оптимизация сотовых систем связи 3-го поколения

Как показано на рис. 2.6, в приемнике j-го AT сигналы других AT полностью не компенсируются в корреляторе из-за нарушения их ортогональности вследствие многолучевости распространения. Таким образом, односторонняя спектральная плотность помеховых сигналов на выходе коррелятора соответствует выражению

, (2.19)

где -- коэффициент ортогональности сигналов от j-го AT; условие = 1 соответствует идеальным ортогональным сигналам. Обычно ортогональность в многолучевых каналах принимает значения от 0,4 до 0,9.

Уменьшение спектральной плотности помеховых сигналов на выходе коррелятора при снятии широкополосности эквивалентно увеличению выигрыша в отношении сигнал/шум примерно в раз. Следовательно, коэффициент нагрузки канала в линии «вниз» для j-го AT определяется выражением

. (2.20)

В линии «вниз» отношение мощности сигнала базовой станции другой соты к мощности сигнала базовой станции выбранной соты на входе приемника j-го AT зависит от расположения абонента в соте и поэтому различно для всех j-х AT.

Аппроксимация коэффициента нагрузки в ячейке его средним значением может быть выполнена с использованием выражения

. (2.21)

Параметры, входящие в (2.20) и (2.21), приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1- Параметры, используемые при вычислении коэффициента нагрузки

Параметры для вычисления коэффициента	Определения параметров	Значения или пояснение
	Количество абонентов в соте
	Коэффициент активности j-го абонента	0,67 -- для передачи речи 1,0 -- для передачи данных
	Отношение энергии радиосигнала на бит информации к спектральной плотности шумов для j-го AT. Характеризует достоверность приема (например, вероятность приема бита с ошибкой ВЕР). Спектральная плотность шумов определяется тепловым шумом, помехами от других AT	Зависит от вида услуг, скорости передачи данных, характеристик канала с многолучевым распространением, параметров разнесения антенн при передаче, скорости перемещения абонентов и т.д.
W	Скорость передачи элементарных символов	3,84 Мбод
	Скорость передачи данных для j-го абонента	Зависит от вида услуг (приложения)
		0 -- без ортогональности радиосигналов
	Отношение мощности радиосигнала базовой станции другой соты к мощности радиосигнала базовой станции, выбранной соты на входе приемника j-го AT	Определяется для каждого AT и зависит от его расположения в соте и условий распространения радиосигналов
	Средний коэффициент ортогональности в соте	« 60 % для подвижного средства; » 90 % для пешехода
	Среднее отношение мощности радиосигнала базовой станции другой соты к мощности радиосигнала базовой станции, выбранной соты в точке приема	55 % для макросоты с ненаправленными антеннами

Коэффициент нагрузки аналогичен коэффициенту нагрузки (при стремлении их значений к 1 сеть теоретически достигает полной пропускной способности, при которой коэффициент увеличения мощности помех стремится к бесконечности).

При планировании и оптимизации сетей сотовой связи важно оценить зону обслуживания базовой станции линии «вниз». Она определяется мощностью радиосигнала базовой станции и его затуханием при распространении. В общем случае мощность радиосигнала базовой станции может определяться как средняя мощность радиосигналов для j - х AT при среднем затухании радиосигналов при их распространении между передатчиком базовой станции и приемником абонентского терминала (коэффициент затухания ) [3].

Для уменьшения интенсивности внутрисистемных помех необходимо уменьшить мощность радиосигнала базовой станции до уровня, характеризующегося заданным отношением сигнал/шум на входе AT.

Суммарная мощность передачи базовой станции определяется выражением

.(2.22)

Мощность шумов приемника определяется мощностями теплового шума и внешних помех. Внешние помехи подразделяются на индустриальные шумы и шумы излучения. Внешние помехи, имеющие равномерный спектр в полосе пропускания приемника, интерпретируются как белый гауссовский шум и оцениваются собственным коэффициентом шума.

Мощность теплового шума приемника

(2.23)

где (-- коэффициент шума приемника; k Вт/(Гц-К) -- постоянная Больцмана; -- температура входной цепи (сопротивления), К; -- ширина полосы пропускания приемника, Гц.

Мощность теплового шума приемника, выраженная в децибелах, определяется выражением

, (2.24)

где = -204 дБ/Гц (или -174 дБмВт/Гц, как указывается в ряде других источников) при = 290 К; коэффициент шума приемника = выбирается в пределах 7.. .9 дБ для частот 0,8.. .1 ГГц.

Суммарная скорость передачи данных (нагрузка) в линиях «вверх» и «вниз» оказывает разное влияние на зону обслуживания базовой станции, которая характеризуется максимально допустимым коэффициентом затухания радиосигналов (рис. 2.8). При построении графика на рис. 2.8 предполагалось, что сайт состоит из трех секторов, а скорость передачи данных соответствует одному сектору в полосе 5 МГц. Кроме того, были выполнены следующие условия. В линии «вверх» скорость передачи данных 144 кбит/с. При этом отношение мощностей помех от других сот к помехам в выбранной соте I = 0,65. В линии «вниз» коэффициент ортогональности радиосигналов равен 0,6 и = 5,5 дБ, что соответствует суммарной скорости передачи данных в соте 820 кбит/с.

Зона обслуживания в линии «вниз» зависит от нагрузки в большей степени, чем в линии «вверх». Причина заключается в следующем. Мощность передачи базовой станции автоматически регулируется в зависимости от условий распространения радиосигналов для увеличения пропускной способности линии «вниз». По достижении максимальной выходной мощности передачи дальнейшее увеличение пропускной способности возможно только за счет ухудшения качества связи (уменьшения отношения сигнал/шум на входе приемника абонентского терминала) либо уменьшения зоны обслуживания. Следовательно, максимальная мощность передачи в линии «вниз» ограничена. В линии «вверх» каждый дополнительный абонент имеет свой усилитель мощности. Следовательно, суммарная мощность радиосигналов, принимаемых базовой станцией в линии «вверх», зависит от количества абонентов. Поэтому даже при небольшой нагрузке в линии «вверх» зона обслуживания уменьшается с увеличением количества абонентов. Необходимо отметить, что в процессе планирования и оптимизации сетей сотовой связи UMTS при расчете нагрузки линий «вверх» и «вниз» следует учитывать асимметричность трафика в различных направлениях.

Изменение зоны обслуживания базовой станции от скорости передачи данных при разной мощности передачи базовой станции показано на рис. 2.9. Увеличение мощности передачи в линии «вниз» на 10 Вт позволяет допустить на 3,0 дБ большие затухания при распространении радиосигналов. При этом видно, что увеличение скорости передачи данных меньше, чем увеличение зоны обслуживания. Так, при затухании в линии «вниз» 153 дБ, являющемся максимальным в линии «вверх», при увеличении затухания на 3 дБ скорость передачи данных в линии «вниз» увеличивается на 10 % (от 680 до 750 кбит/с).

Методика приближенного расчета емкости соты при планировании и оптимизации сети UMTS. Емкость соты определяется числом абонентов, обслуживаемых одновременно на одном частотном канале (5 МГц). Так как точное определение этого числа является сложной задачей, зависящей от многих факторов, рассмотрим приближенную методику расчета, основанную на следующих допущениях:

- все AT в соте находятся на равном удалении от антенны базовой станции;

- все AT имеют одинаковую мощность передачи радиосигналов;

- все AT имеют одинаковую скорость передачи данных.

В выражении (2.5) введено понятие выигрыша в отношении сигнал/шум за счет широкополосности используемого радиосигнала . С учетом принятых допущений все абоненты имеют одинаковый выигрыш G. При этом скорость передачи элементарных символов в соте фиксирована (3,84 Мбод), a G определяется скоростью передачи данных R в канале. Скорость передачи данных в канале может быть равной 30, 60, 120, 240, 480 и 960 кбит/с. Следовательно, AT, использующие минимальную скорость передачи данных, имеют выигрыш G = 38 400 000/30 000 = 128 = В.

Согласно (2.5) отношение мощностей сигнала и шума на входе приемника определяется выражением

. (2.25)

Предположим, что в соте имеется N абонентов. Тогда для каждого абонента мощность шума определяется суммой мощностей радиосигналов от других абонентов . В этом случае (2.25) примет вид

, (2.26)

При большом числе абонентов выражение (2.26) можно упростить:

.Таким образом, , или число абонентов в соте

, (2.27)

Рисунок 2.10 - Зависимость возможного числа абонентов в соте от скорости передачи данных

Требуемое значение отношения является главным фактором при расчете емкости соты, связанным со скоростью передачи данных в частотном канале. Отношение сигнал/шум характеризуется следующими физическими принципами:

- спектральная плотность тепловых шумов является постоянной величиной и характеристикой приемника;

- с увеличением базы радиосигнала (выигрыша G) требуемое значение энергии радиосигнала для передачи одного бита сообщения уменьшается;

- увеличение скорости передачи данных требует большого значения энергии;

- с увеличением расстояния между AT и базовой станцией требуемое значение увеличивается;

- чем выше скорость перемещения AT, тем выше требуемое значение .

2.3 Детальное планирование

В данном подразделе рассматривается детальное планирование емкости и зоны обслуживания, описываются используемые методики планирования WCDMA. При детальном планировании требуются учет реального распространения радиоволн и оценка оператором трафика в каждой зоне. Расположение базовых станций и параметры сети выбираются по методике планирования или самим проектировщиком. После завершения детального планирования можно проанализировать емкость и зону обслуживания для каждой ячейки. В данном подразделе рассматривается один пример проведения детального планирования с анализом емкости и зоны обслуживания. Во время работы сети можно производить измерения ее параметров, а результаты этих измерений можно использовать для визуализации и оптимизации работы сети [3].

2.3.1 Итерационное прогнозирование (пропускной способности и зоны обслуживания)

На этапе детального планирования необходимы реальные данные о распространении радиоволн в рассматриваемой зоне наряду с расчетной плотностью и трафиком пользователей. Кроме того, необходима информация о существующих участках BS для того, чтобы использовать вложения в существующие участки. В результате детального планирования пропускной способности и зоны обслуживания получаем данные о расположении, конфигурации и параметрах базовых станций.

Так как в WCDMA все пользователи совместно используют одни и те же ресурсы помех в воздушном интерфейсе, они не могут анализироваться независимо. Каждый пользователь влияет на других и заставляет их мощности передачи изменяться. Эти изменения вызывают, в свою очередь, снова изменения и т.д. Поэтому весь процесс прогнозирования должен выполняться итерационно до тех пор, пока мощности передачи не стабилизируются. Кроме того, используемые скорости передвижения, профили многолучевых каналов, битовые скорости и виды обслуживания играют более важную роль, чем в системах 2-го поколения с TDMA/FDMA. К тому же, в WCDMA включаются быстрое управление мощностью в обоих в восходящем и нисходящем каналах, мягкий/полумягкий хэндовер и ортогональные нисходящие каналы, которые также влияют на работу сети. Главное различие в прогнозировании зоны обслуживания между WCDMA и TDMA/FDMA заключается в том, что оценка помех является решающим фактором на этапе прогнозирования зоны обслуживания в WCDMA. В текущих используемых в настоящее время процессах планирования GSM чувствительность BS считается, как правило, постоянной, и порог зоны обслуживания один и тот же для каждой BS. В случае WCDMA чувствительность BS зависит от числа пользователей и используемых битовых скоростей во всех ячейках, т.е. это специфика ячейки и обслуживания. Также заметим, что в сетях 3-го поколения нисходящий канал можно нагружать больше, чем восходящий, либо наоборот.

2.3.2 Методика детального планирования

В системах 2-го поколения детальное планирование касается, в основном, планирования зоны обслуживания. В системах же 3-го поколения необходимо иметь более детализированное полное планирование помех и анализ пропускной способности, чем это достигается простой оптимизацией зоны обслуживания. Методика планирования должна помочь проектировщику оптимизировать конфигурации BS, выбрать антенны и задать их направленность, определить даже места расположения участков для того, чтобы удовлетворить требования к качеству обслуживания, к пропускной способности и по обеспечению видов услуг при минимальных затратах. Для достижения оптимального результата эта методика должна предполагать знание алгоритмов распределения радиоресурсов с тем, чтобы выполнять операции и принимать решения, как это делается в реальной сети. Вероятность обеспечения зоны обслуживания в восходящем и нисходящем каналах определяется для конкретного обслуживания путем проверки возможности осуществления обслуживания в каждом местоположении, предусмотренном планом.

Этап фактического детального планирования не отличается очень сильно от планирования в системах 2-го поколения. В этой методике планирования закладываются данные об участках и секторах. Основное различие в важности уровня трафика. В предлагаемых детализированных способах анализа используются дискретные MS при анализе WCDMA. Плотность MS в различных ячейках должна базироваться на фактической информации о трафике. Активные «горячие» участки должны определяться как входные данные для точного анализа. Одним из источников информации, касающихся плотности пользователей, будут данные, полученные от операторов сети 2-го поколения или позднее 3-го поколения [3-5].

Методикой (средством) планирования является статическая модель (имитатор), которая основывается на средних условиях, и выборке данных сети. В динамическую модель входят модели трафика и мобильности, которые делают возможным разработку и проверку алгоритмов управления радиоресурсами в реальном времени (RRM). Динамические модели можно использовать для изучения характеристики алгоритмов RRM в реальных условиях, а результаты этих моделирований можно использовать как ввод в эту методику планирования сети. Например, с использованием этой динамической модели может быть проверено на практике действие алгоритмов хэндовера при измеренных ошибках и задержках, а результаты введены в методику планирования сети. Проверка алгоритмов RRM требует точного моделирования работы линии WCDMA, и поэтому в динамической модели используется разрешение по времени, соответствующее частоте управления мощностью 1,5 КГц. Такая высокая точность делает методику динамического моделирования сложной, а моделирование - все еще медленным (при использовании имеющихся в настоящее время быстродействующих рабочих станций) для целей планирования сети на практике. Точная динамическая методика моделирования может использоваться для проверки и разработки более простого моделирования работы в методике планирования сети. Когда будет получено достаточное количество результатов из крупномасштабных сетей WCDMA, то эти результаты (данные) будут использоваться для калибровки (уточнения) методики планирования сети.

Итерации в восходящем и нисходящем каналах. Цель итерации в восходящем канале назначать мощности передачи моделируемым мобильным станциям так, чтобы уровни помех и значения чувствительности базовых станций сопрягались. Уровень чувствительности BS корректируется вычисленным уровнем помех в восходящем канале (увеличение помех) и поэтому зависит от состояния ячейки. Влияние нагрузки в восходящем канале на чувствительность учитывается членом 10log₁₀(1  _UL). При итерации в восходящем канале мощности передачи MS вычисляются, основываясь на уровне чувствительности наилучшего сервера, обслуживании, скорости движения и потерь на линии. Далее мощности передачи сравниваются с максимальной допустимой мощностью передачи MS, и у MS, превышающих этот предел, передача прерывается. Затем помехи переоцениваются и назначаются новые значения нагрузки и чувствительности для каждой BS. Если коэффициент нагрузки в восходящем канале выше установленного предела, MS хаотично перемещаются из ячейки с высокой нагрузкой на другую несущую (если позволяет спектр), или их обслуживание прекращается.

Цель итерации в нисходящем канале назначать правильные мощности передачи BS каждой мобильной станции до тех пор, пока принимаемый сигнал на MS отвечает требуемому отношению E_b/N₀.

Моделирование работы на уровне канала. При определении площади (размаха) и планировании радиосети необходимо сделать упрощающие предположения, касающиеся канала с многолучевым распространением, передатчика и приемника. В традиционной модели должно использоваться среднее принимаемое E_b/N₀, гарантирующее требуемое качество обслуживания как основную величину, которая включает учет влияния профиля задержки мощности. В системах, использующих быстрое управление мощностью, среднего принимаемого E_b/N₀ недостаточно для того, чтобы охарактеризовать влияние радиоканала на работу сети. Кроме того, распределение мощности передачи должно учитываться при моделировании работы на уровне радиоканала в оценках на уровне сети. Соответствующий способ приводится в [3] для восходящего канала WCDMA. Было показано, что из-за быстрого управления мощностью в условиях многолучевого замирания помимо требования к среднему принимаемому E_b/N₀, необходимо учитывать увеличение средней мощности передачи при оценках помех. Более того, запас на управление мощностью должен включаться в оценку ресурса радиолинии для того, чтобы управление мощностью соответствовало быстрым замираниям на краю ячейки.

Множественные радиолинии учитываются в модели при оценке выигрышей при мягком хэндовере в средней принимаемой и передаваемой мощностях, а также в требуемом резерве управления мощностью. При моделировании мощности передачи корректируются коэффициентом активности речи, выигрышем при мягком хэндовере и средним увеличением мощности для каждой MS.

2.3.3 Пример планирования района сети

В этом примере на рис. 2.6 показано планирование для района размером 12 х 12 км². Использовалась методика планирования сети, описанная в разделе 2.3.2.

Было установлено, что существуют необходимые вероятности обслуживания оператором в зоне охвата для услуг со скоростью передачи 8 Кбит/с, 64 Кбит/с и 384 Кбит/с соответственно 95 %, 80 % и 50 % или лучше. Этап планирования начинался с оценки ресурса радиолинии и выбора схемы расположения сайтов. На следующем этапе планирования были оптимизированы доминирующие районы для каждой ячейки. В этом контексте доминирование связано только с условиями распространения. Наклон антенны, азимут и расположение участков могут регулироваться для получения зон с четко выраженным распространением радиоволн в этих ячейках. Оптимизация района доминирования важна для определения помех, зоны мягкого хэндовера и управления вероятностью осуществления мягкого хэндовера. Улучшенные мягкий/полумягкий хэндовер и характеристика помех автоматически ведут к улучшенной пропускной способности сети. План состоит из 19 макроучастков (сайтов), каждый с тремя секторами, и средняя зона сайта равна 7,6 км². В городской зоне нагрузка в восходящем канале была ограничена до 75 %, что соответствовало увеличению помех на 6 дБ. В случае превышения нагрузки у необходимого числа мобильных станций из сильно нагруженных ячеек случайным образом прерывалась связь (или они перемещались на другую несущую). В таблице 2.3 показано распределение пользователей в моделях, а другие, использованные параметры при моделировании, приводятся в табл. 2.4.

Таблица 2.3 - Распределение пользователей

Услуга в Кбит/с	Пользователей На указанную услугу
8 Кбит/с	1735
64 Кбит/с	250
384 Кбит/с	15

Таблица 2.4 - Параметры, используемые в модели

Предел нагрузки в восходящем канале	75 %
Максимальная мощность передачи BS	20 Вт (43 дБм)
Максимальная мощность передачи MS	300 мВт (= 25 дБм)
Динамический диапазон управления мощностью MS	70 дБ
Корреляция медленных (логарифмически нормальных) замираний между базовыми станциями	50 %
Стандартное допустимое отклонение для медленных замираний	6 дБ
Профиль многолучевого канала	ITU А-канал подвижного средства
Скорости MS	3 км/ч и 50 км/ч
Коэффициент шума MS/BS	7 дБ / 5 дБ
Интервал сложения при мягком хэндовере	6 дБ
Мощность испытательного канала	30 дБм
Усредненная мощность для других общих каналов	30 дБм
Ортогональность в нисходящем канале	0,5
Коэффициент использования для передачи речи (данных)	50 % / (100 %)
Антенны BS: сектор/усиление	65/17 дБн
Антенны MS для передачи речи данных	Ненаправленные/ 1,5 дБн

Во всех трех случаях моделирования интерес представляли пропускная способность ячейки в Кбит/с и вероятность обслуживания в зоне по каждой услуге. Далее были собраны результаты моделирования вероятности и нагрузки при мягком хэндовере. В табл. 2.5 и 2.6 показаны результаты моделирования для пропускной способности ячейки и вероятностей обслуживания в зонах, ячейках, сайтах. Максимальная нагрузка в восходящем канале была установлена не выше 75 % согласно таблице 2.4. Заметим, что в нескольких ячейках нагрузка ниже 75 % и соответственно пропускная способность также ниже, чем достигаемое максимальное значение. Причиной этому является то, что не было достаточного предлагаемого трафика в этом сайте для того, чтобы полностью загрузить ячейки. Нагрузка в ячейке 5 составляла 75 %. Ячейка 5 расположена в нижнем правом углу на рис. 8.7, и нет никаких других ячеек, близких к ячейке 5. Поэтому эта ячейка может взять на себя больше трафика, чем другие ячейки. Например, ячейки 2 и 3 находятся в середине зоны, и нет достаточного трафика для того, чтобы полностью загрузить ячейки.

Таблица 2.5 - Пропускная способность, нагрузка и затраты на мягкий хэндовер

Основная нагрузка: скорость MS 3 км/ч, число обслуживаемых пользователей: 1805
Идентификатор ячейки	Пропускная способность UL (Кбит/с)	Пропускная способность DL (Кбит/с)	Нагрузка UL	Затраты на SHO
Ячейка 1	728,00	720,00	0,50	0,34
Ячейка 2	208,70	216,00	0,26	0,50
Ячейка 3	231,20	192,00	0,24	0,35
Ячейка 4	721,60	760,00	0,43	0,17
Ячейка 5	1508,80	1132,52	0,75	0,22
Ячейка 6	762,67	800,00	0,53	0,30
Среднее значение (по всем ячейкам)	519,20	508,85	0,37	0,39
Основная нагрузка: скорость MS 50 км/ч, число обслуживаемых пользователей: 1777
Ячейка 1	672,00	710,67	0,58	0,29
Ячейка 2	208,70	216,00	0,33	0,50
Ячейка 3	226,67	192,00	0,29	0,35
Ячейка 4	721,60	760,00	0,50	0,12
Ячейка 5	1101,60	629,14	0,74	0,29
Ячейка 6	772,68	800,00	0,60	0,27
Среднее значение (по всем ячейкам)	531,04	506,62	0,45	0,39
Основная нагрузка: скорость MS 50 км/ч и 3 км/ч, число обслуживаемых пользователей: 1802
Продолжение таблицы 2.5
Ячейка 1	728,00	720,00	0,51	0,34
Ячейка 2	208,70	216,00	0,29	0,50
Ячейка 3	240,00	200,00	0.25	0,33
Ячейка 4	730,55	760,00	0,44	0,20
Ячейка 5	1162,52	780,00	0,67	0,33
Ячейка 6	772,68	800,00	0,55	0,32
Среднее значение (по всем ячейкам)	525,04	513,63	0,40	0,39

В табл. 2.6 показано, что скорость MS оказывает влияние как на пропускную способность, так и на вероятность обслуживания в зоне. Когда мобильные станции передвигаются со скоростью 50 км/ч, то меньшее количество их можно обслужить, пропускная способность ниже, а полученная нагрузка выше, чем, когда мобильные станции передвигаются со скоростью 3 км/ч. Если значения пропускной способности нормализуются в соответствии с одним и тем же значением нагрузки, различие между случаями со скоростью 3 км/ч и 50 км/ч будет больше 20 %. Лучшую пропускную способность при более медленно двигающихся MS можно объяснить лучшим отношением E_b/N₀. Быстрое управление мощностью может корректировать сигнал с замираниями, и требуемое значение E_b/N₀ уменьшается. Более низкое заданное значение уменьшает общий уровень помех, и в сети может быть обслужено большее число пользователей.

При сравнении обслуживания вероятности в зоне можно отметить, что быстро перемещающиеся MS получают качество обслуживания более высокое, чем медленно перемещающиеся, потому что для последних нужен резерв мощности передачи MS для обеспечения быстрого управления мощностью. Влияние скорости может быть особенно заметно, если используемые битовые скорости высоки, потому что при низких скоростях передачи зона обслуживания больше из-за большего выигрыша в отношении сигнал/шум при обработке сигналов. Зона обслуживания проверяется в этой методике планирования путем использования проверочной MS после сходимости итераций в восходящем канале. Отмечается, что эта проверочная MS не влияет на нагрузку в сети.

Таблица 2.6 - Результаты оценки вероятности обслуживания в зоне.

Основная нагрузка: скорость MS 3 км/ч	Скорость контрольной MS:
	3 км/ч	50 км/ч
8 Кбит/ч	96,6 %	97,7 %
64 Кбит/с	84,6 %	88,9 %
384 Кбит/с	66,9 %	71,4 %
Основная нагрузка: скорость MS 50 км/ч	Скорость контрольной MS:
	3 км/ч	50 км/ч
8 Кбит/с	95,5 %	97,1 %
64 Кбит/с	82,4 %	87,2 %
384 Кбит/с	63,0 %	67,2 %
Основная нагрузка: скорость MS 3 км/ч и 50 км/ч	Скорость контрольной MS:
	3 км/ч	50 км/ч
8 Кбит/с	96,0 %	97,5 %
64 Кбит/с	83,9 %	88,3 %
384 Кбит/с	65,7 %	70,2 %

Анализ вероятности обслуживания в зоне в нисходящем канале отличается от анализа в восходящем канале. В восходящем канале ограничивающим фактором является максимальная мощность передачи MS. В нисходящем канале ограничения зависят от используемых алгоритмов управления радиоресурсом.

Этот пример демонстрирует влияние профиля пользователя, т. е. используемого обслуживания и скорости MS, на работу сети. Показано, что более низкая скорость MS обеспечивает лучшую пропускную способность: число обслуживаемых MS и пропускная способность ячейки выше в случае со скоростью 3 км/ч, чем со скоростью 50 км/ч. При сравнении с вероятностью обслуживания в зоне влияние скорости MS различно. Более высокая скорость уменьшает запас на быстрые замирания и, таким образом, увеличивает вероятность обслуживания в зоне, когда скорость MS увеличивается [3-5].

Было показано, что представленная методика планирования сети применима, поскольку учитывает зависимости между пропускной способностью и зоной обслуживания в WCDMA.

2.4 Оптимизация сети UMTS

Оптимизация сети процесс улучшения качества всей сети, воспринимаемый мобильными абонентами, и гарантии того, что ресурсы сети используются эффективно. В оптимизацию входят анализ сети и улучшения конфигурации, и работы сети. Переход от подробного анализа пропускной способности и зоны обслуживания к работе и оптимизации сети проходит плавно. Статистические данные от основных рабочих индикаторов для действующей сети подаются в средство анализа состояния сети, а параметры управления радиоресурсами можно регулировать для улучшения качества работы. Примером параметра оптимизации является оптимизация зоны мягкого хэндовера. Средство анализа состояния сети может быть неотъемлемой частью методики планирования радиосети. Рост трафика в сети требует непрерывного взаимодействия методики планирования и действующей сети. Анализируется возможность имеющейся сети поддерживать рост прогнозируемого трафика, и план радиосети можно в дальнейшем совершенствовать, основываясь на фактических данных измерений.

Первый этап процесса оптимизации это определение основных показателей работы. Они состоят из измерений в системе управления сетью и данных эксплуатационных измерений или любой другой информации, которую можно использовать для определения качества обслуживания сети. С помощью сети управления сетью можно анализировать прошлую, настоящую и прогнозируемую будущую работу сети.

Характеристику алгоритмов управления радиоресурсами и их параметры можно анализировать, используя основные рабочие показатели. В алгоритмы управления радиоресурсами входят хэндоверы, управление мощностью, планирование передачи пакетов, управление доступом и нагрузкой.

Анализ качества сети рассчитывается для того, чтобы дать оператору представление о качестве и характеристиках работы сети. Анализ качества и обобщение результатов заключается в планировании эксплуатационных измерений и измерений сети управления сетью. После того, как были установлены критерии качества обслуживания и проанализированы данные, можно составлять отчет-обзор. Для систем 3-го поколения с большим разнообразием услуг следует разработать новые определения качества обслуживания для анализа качества.

Автоматическая оптимизация будет важна в сетях 3-го поколения, поскольку существует больше услуг и битовых скоростей, чем в сетях 2-го поколения, а оптимизация вручную потребует слишком много времени на ее выполнение. Автоматическое управление будет обеспечивать быстрый отклик на изменение условий трафика в сети.

2.5 Выводы

В данном разделе было рассмотрено некоторые особенности планирования и оптимизации ССС 3-го поколения, которые в основном приводятся в работах зарубежных авторов. Были наведены основные расчетные соотношения, которые используются при номинальном и детальном планировании. Также был представлен пример участка ССС, в котором показано планирование для района размером 12 х 12 км².

3. Программные комплексы планирования и оптимизации сетей сотовой связи

В данном разделе рассматриваются программные комплексы планирования и оптимизации сетей сотовой связи. Проанализированы основные возможности известных комплексов планирования и оптимизации сетей сотовой связи. Рассмотрено более детально программный комплекс ONEPLAN RPLS а также TEMS CellPlanner Universal

3.1 Анализ возможностей известных комплексов планирования и оптимизации сетей сотовой связи

1. Разработка бизнес-плана, включающего формирование целей планирования/оптимизации, оценку необходимых инвестиций, времени реализации и окупаемости.

2. Анализ (уточнение) плотности распределения трафика в регионе и определение требований к зоне покрытия.

3. Формирование (модернизация) топологии сети, уточнение модели трафика, прогнозирование зоны покрытия, разработка частотно-территориального плана (ЧТП) и транспортной подсети сети.

4. Обследование выбранных позиций установки базовых и радиорелейных станций.

5. Проектно-изыскательские работы.

6. Разработка системного проекта сети.

7. Строительство (модернизация) сети.

8. Тестирование и настройка основных параметров качества функционирования сети.

9. Сдача сети (элементов сети) в эксплуатацию.

10. Предоставление услуг на коммерческой основе.

11. Мониторинг статистических параметров функционирования сети.

12. Последующая оптимизация топологии и параметров качества функционирования сети.

В процессе развития сети сотовой связи, с вводом новых фрагментов или элементов в ее структуру, этапы многократно повторяются.

С целью обеспечить качественные услуги сотовой связи, ведущие операторы применяют методы математического и компьютерного моделирования. При этом основным препятствием является трудность формализации исходных данных для формирования универсальной пространственно-временной модели условий функционирования сети [2].

Наиболее эффективным инструментом автоматизации процесса оптимизации сетей сотовой связи являются геоинформационные технологии, прошедшие в своем развитии путь от узкоспециализированных способов и методов обработки цифровой картографической информации до высокоразвитых программных средств, называемых геоинформационными системами (ГИС). Геоинформационные технологии (ГИС-технологии) представляют собой совокупность средств и методов обработки данных, имеющих пространственный аспект и обеспечивающих получение информации в требуемом виде. Геоинформационные технологии (рис. 3.2) включают в себя две взаимосвязанные области:

- моделирование пространственных данных (т.е. определение координат и топологии реальных объектов, создание и обновление электронных карт);

- использование пространственных данных в прикладных расчетно-аналитических задачах для количественного обоснования принимаемых решений.

Специальные ГИС состоят из программного и информационного компонентов. Программный компонент содержит сервисные и расчетные программы для ввода пространственных и описательных данных, их обработки и вывода результатов; информационный компонент - электронную (цифровую) карту местности и объектно-ориентированную базу данных, содержащую сведения по всем существенным аспектам проектируемой сети сотовой связи.

Геоинформационные технологии предоставляют уникальную возможность трансформации аналитического аппарата моделирования сложных систем из области преимущественно вероятностных величин в область преимущественно детерминированных. Иными словами, ГИС-технологии позволяют формировать модели с учетом реальных пространственно-распределенных параметров среды функционирования, внешних и внутренних воздействий. Данные модели являются адекватными окружающей обстановке и обеспечивают получение более достоверной оценки, чем усредненно-статистические.

Примером реализации ГИС-технологий для решения прикладных задач в области телекоммуникаций являются программные комплексы (ПК) планирования и оптимизации сетей сотовой связи. Операторы связи используют ПК как импортного, так и отечественного производства. К наиболее известным ПК относятся программные продукты следующих фирм:

- AIRCOM Int. (Великобритания). Предлагает программное обеспечение ASSET Enterprise, состоящее из основных модулей: ASSET3G - радиопланирования, ILSA - автоматизированного распределения частот, CONNECT - планирования радиорелейных интервалов, DIRECT -планирования транспортной сети, ADVANTEG - автоматизированного планирования сот.

- ERICSSON (Швеция). Предлагает программные продукты: TEMS CellPlanner Universal - радиочастотного планирования, TEMS Link-Planner - планирования радиорелейных интервалов, Planet EV - планирования и оптимизации радиорелейных сетей.

- Forsk (Франция). Предлагает многофункциональный программный продукт радиочастотного планирования и расчета радиорелейных интервалов Atoll Core.

- Agilent Technologies (США). Предлагает программные продукты: WIZARD - радиопланирования, CellOpt AFP - радиочастотного планирования, CellOpt АСР - планирования сот и OPAS32 - сетевой анализатор.

- Nokia (Финляндия). Предлагает программный продукт Nokia NetAct Planner, позволяющий решать задачи расчета покрытия, радиочастотного планирования и интервалов радиорелейной связи.

- ЛОНИИР (Санкт-Петербург). Предлагает САПР «Балтика», включающую подсистему радиочастотного планирования сетей сотовой связи «Балтика-СПС» с дополнительным модулем «Балтика-ЭМС» и подсистему расчета радиорелейных линий связи «Балтика-РРЛ».

- Центр компьютерных технологий «Силикон-Телеком Софт» (г. Зеленоград). Предлагает систему RPS-2, позволяющую выполнять расчеты покрытия сети сотовой связи и радиорелейных интервалов.

- ИнфоТел (Санкт-Петербург). Предоставляет версии программного комплекса планирования сетей сотовой связи: ONEPLAN RPLS (рабочее наименование ONEGA), обеспечивающего расчет покрытия, автоматическую калибровку моделей расчета по данным измерений, автоматизированное формирование частотного плана и расчет радиорелейных интервалов; ONEPLAN RPLS-CDMA для планирования сетей связи с кодовым разделением каналов; ONEPLAN RPLS-DB Link для планирования радиорелейных интервалов, линий и сетей связи.

Далее рассмотрим самые популярные программные комплексы (ПК) планирования и оптимизации сетей сотовой связи [2].

3.2 Назначение программного комплекса ONEPLAN RPLS

Основным назначением ПК ONEPLAN RPLS является автоматизация разработки с использованием ГИС-технологии технически и экономически обоснованных планов развития сетей сотовой связи 2G/3G, сетей транкинговой и пейджинговой связи, сетей ТВ и радиовещания диапазона УКВ, расчета радиорелейных интервалов и линий, оценки электромагнитной совместимости группировки интервалов и линий радиорелейной связи.

Функциональные возможности ONEPLAN RPLS наиболее полно реализуются при планировании сетей сотовой связи. Программный комплекс позволяет повысить оперативность и обоснованность решений, принимаемых при проектировании, развитии и эксплуатации региональных сетей, а также сформировать рациональные структурно-топологические и технические характеристики сетей. Пользователь программного комплекса получает рациональный проект, в котором топологическая структура и технические параметры сети сотовой связи обеспечивают минимальные затраты аппаратного и частотного ресурсов при удовлетворении потребностей абонентов в услугах связи заданного качества. Процесс формирования рационального проекта сети сотовой связи базируется на методе последовательного анализа различных вариантов построения структуры сети, каждый с соответствующими наборами параметров качества функционирования сети [2].

Автоматизация сети планирования сетей сотовой связи в программном комплексе реализована на основе анализа последовательности задач, которые разделены на три уровня, совместно влияющих на итоговое время расчетов и различающихся алгоритмами принятия решения.

Верхний уровень: определение состава и численных значений управляемых параметров (мест размещения и режимов работы базовых станций), внешних факторов (мешающих радиоэлектронных средств и условий распространения радиоволн), а также целей и критериев расчетов.

Средний уровень: выбор и реализация правила (последовательности) перебора управляемых параметров и учитываемых внешних факторов.

Нижний уровень: вычисление параметров качества функционирования сети сотовой связи.

В зависимости от поставленной задачи, временных и стоимостных ограничений пользователь программного комплекса может оценить эффективность принимаемых решений по трем взаимозависимым глобальным показателям планирования - оперативности, адекватности и стоимости (рис. 3.3). Если требуется в сжатые сроки не только принять решение, например по модернизации сети, но и реализовать его, то можно использовать упрощенные процедуры: расчета, и тем самым повысить оперативность принимаемых решений. Однако в данном случае придется пожертвовать точностью расчетов, т.е. ухудшится адекватность принимаемых решений. И наоборот, если требуется детально проработать вопросы совершенствования сети сотовой связи, т.е. получить достоверное и адекватное решение, придется использовать более точные методы расчета параметров качества функционирования сети. В этом случае затрачивается значительный временной ресурс, а значит, ухудшается оперативность. Стоимость каждого решения должна оцениваться индивидуально.

3.2.1 Частотное планирование сети

Частотное планирование сети является важным этапом частотно-территориального планирования сетей сотовой связи с частотным (частотно-временным) разделением каналов. От частотного планирования существенно зависит степень влияния внутрисистемных (интерференционных) помех на качество связи при совместном использовании ограниченного частотного ресурса на ограниченной территории всеми базовыми станциями и абонентскими терминалами.

В ПК ONEPLAN RPLS реализован функционально полный набор инструментов частотного планирования, включающий наряду с основными инструментами анализа и синтеза частотных распределений множество вспомогательных средств подготовки исходных данных, управления расчетами, обработки и сохранения результатов, а также решения смежных задач планирования, прямо или косвенно связанных с распределением частот.

Основным инструментом анализа заранее подготовленного частотного распределения, которое может быть введено вручную, загружено из внешних источников или рассчитано с помощью инструментов синтеза, является модуль расчета карт интерференции (отношений сигнал/помеха по основному каналу С/I, по соседнему каналу С/А и суммарное C/IA), а также модуль расчета качества передачи речи (по разборчивости, выраженной в единицах по шкале MOS) и данных (по пропускной способности ТР - Throughput) с учетом рассчитанных соотношений сигналов и помех (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 - Представление результатов анализа частотных распределений

Перед расчетом карт интерференции и карт качества связи средствами ПК ONEPLAN RPLS должны быть рассчитаны карты покрытия и границ, согласно которым для каждой конкретной площадки определяются БС (секторы БС), сигналы которых являются полезными, и БС (секторы БС), сигналы которых являются мешающими (помеховыми). Данные расчеты могут быть согласованы с результатами измерений в реальной сети специальными средствами. Для формирования карт распределения параметров качества услуг связи в справочнике ПК ONEPLAN RPLS должны быть предварительно подготовлены таблично-графические зависимости параметров QoS от отношения сигнал/помеха С/I.

Наряду с графическим представлением карт интерференции и качества связи в ПК ONEPLAN RPLS имеются удобные средства просмотра численных результатов расчета внутрисистемных помех для каждой площадки в табличном виде и с выделением цветом подавленных частот и секторов, которым эти частоты назначены (рис. 3.6).

Кроме того, в ПК ONEPLAN RPLS существует возможность контроля обобщенных параметров качества частотного распределения для каждого сектора и для всего планируемого района в виде суммарной площади покрытия, пораженной внутрисистемными помехами (в каждом секторе и во всем районе) и выраженной в абсолютном и относительном количестве площадок с недопустимо низким отношением сигнал/помеха, как на отдельных, так и на всех назначенных каждому сектору частотах. В последнем случае при назначении отдельным секторам более одной частоты выполняется оптимистичный или пессимистичный расчет пораженной площади. При оптимистичном расчете пораженными считаются только те площадки, на которых подавлены все назначенные частоты, а при пессимистичном - хотя бы одна частота.

При наличии исходных данных о распределении трафика качество частотного распределения в каждом секторе и районе в целом можно оценить не количеством пораженных площадок, а значением суммарной потерянной нагрузки. В случае сильно неравномерного распределения трафика внутри отдельных секторов и между секторами подобная обобщенная оценка потерь нагрузки (трафика) более адекватна реальным потерям качества услуг и доходов операторов.

Имеющийся в ПК ONEPLAN RPLS инструмент синтеза ЧТП решает обратную задачу - формирование подходящих частотных распределений, при которых обеспечивается допустимая или минимальная степень ухудшения качества связи из-за внутрисистемных помех. Для решения данной задачи используется комплексная методика автоматического распределения частот (рис. 3.7), позволяющая выбирать методы оптимизации, различающиеся как целевой функцией с разными ограничениями, так и последовательностью действий при поиске экстремума выбранной функции с различной очередностью проверки заданных ограничений. При этом методы отличаются друг от друга соотношением между гарантированной близостью к наилучшему результату (экстремуму выбранной целевой функции) и необходимыми затратами машинного времени.

Рисунок 3.7 - Характеристики методики автоматического распределения частот

На рис. 3.7 обозначено:

- количество частот, используемых при планировании;

- количество частот, разрешенных для планирования;

- количество каналов, которым не назначены частоты из-за недостаточного частотного ресурса;

- потери площади покрытия, характеризующиеся долей общей площади покрытия сети, в которой уровень внутрисистемных помех по основному каналу выше допустимого; - допустимые потери площади покрытия; - потери нагрузки, характеризующиеся долей потерянного пользовательского трафика из-за высокого уровня внутрисистемных помех по соседнему каналу; - допустимые потери нагрузки.

Основу всех задач оптимального частотного планирования составляет задача минимизации числа приемопередатчиков, которым не удается назначить частоты при соблюдении всех заданных ограничений на повторное использование частот в виде матриц допустимого взаимного попарного влияния (соседства) всех секторов (рис. 3.8). Все варианты распределения частот, обеспечивающие AN_K = 0, считаются равнозначными, поэтому при первом же выполнении условия AN_K = 0 распределение частот прекращается, что существенно снижает затраты машинного времени.

Рисунок 3.8 - Учет взаимного влияния (соседства) различных секторов сети при распределении частот

На рис. 3.8 обозначено:

-- элемент матрицы , который соответствует относительной доле потерянной площади покрытия m-й соты из-за помех по основному каналу от n-й соты;

-- элемент матрицы_, который соответствует относительной доле потерянной площади покрытия m-й соты из-за помех по соседнему каналу от m-й соты;

-- элемент матрицы , который соответствует относительной доле потерянного пользовательского трафика m-й соты из-за помех по основному каналу от n-й соты;

-- элемент матрицы , который соответствует относительной доле потерянного пользовательского трафика m-й соты из-за помех по соседнему каналу от m-й соты;

-- элемент матрицы А, который соответствует степени одинаковой направленности антенн n-й и m-й сот (при этом расстояние между сотами должно быть не больше заданного);

-- элемент матрицы Н, который характеризует возможность выполнения хэндовера из n-й соты в m-ю соту.

Описанная выше основная (прямая) задача планирования частот решается путем последовательного поиска первой подходящей частоты из заданного частотного ресурса для каждого очередного приемопередатчика с учетом всех заданных индивидуальных и общих ограничений. При этом алгоритмы оптимизации, доступные в программе, различаются очередностями (последовательностями) перебора секторов, приемопередатчиков в секторе и частот в частотном диапазоне, а также количеством проходов с разными очередностями и правилами изменения очередностей на каждом проходе. При удачно выбранных начальных очередностях перебора секторов, приемопередатчиков в секторах и частот можно получить приемлемое (или наилучшее) распределение частот (по критерию min АЛГ_К) за один проход с минимально возможными затратами машинного времени.

Программный комплекс позволяет фиксировать максимально допустимое значение целевой функции ЛЛГ_К = 0, превратив его, таким образом, в ограничение, и выбирать в качестве целевой функции любой другой показатель. После этого можно найти экстремальное значение нового показателя путем итерационного подбора. В ПК реализовано автоматическое решение подобной обратной оптимизационной задачи с минимизируемой целевой функцией в виде допустимого взаимного влияния любой пары секторов на любой назначенной частоте.

Из числа дополнительных инструментов, связанных с распределением частот, следует отметить средства согласованного назначения частот вещательным каналам ВССН, средства распределения идентификационных кодов базовым станциям BSIC, которые состоят из кода сети связи NCC (Network Color Code) и кода базовой станции ВСС (Base Color Code), средства распределения кодов зон маршрутизации LAC (RAC), а также средства формирования и распределения частотных групп [2].

3.2.2 Особенности планирования сетей сотовой связи с кодовым разделением каналов

Для планирования сетей 3G с кодовым разделением каналов (CDMA2000, UTRA FDD и др.) разработана специальная версия ПК - ONEPLAN RPLS-CDMA, имеющая следующие основные отличия от описанной выше версии ПК ONEPLAN RPLS, предназначенной для планирования сетей 2G с частотно-временным разделением:

- вместо инструментов частотного планирования введены инструменты анализа различных конфигураций сетей с кодовым разделением каналов;

- усовершенствованы инструменты моделирования разных классов трафика;

- увеличено число рассчитываемых карт и введены новые инструменты управления их составом, порядком расчета и отображением в численном и графическом виде. Обобщенная методика поэтапного планирования сетей сотовой связи состоит из трех этапов:

1. Обеспечение покрытия (заданной территории с учетом неоднородных условий распространения радиоволн).

2. Обеспечение обслуживания (с заданным качеством на заданной территории с учетом неоднородного пространственного распределения трафика).

3. Обеспечение электромагнитной совместимости (всех базовых станций, AT, внешних РЭС с учетом их размещения, характеристик направленности антенн, а также частотно-энергетических параметров сигналов и помех).

При планировании сетей сотовой связи 2G, как правило, на каждом предыдущем этапе удается выделить и решить задачи планирования, не зависящие от результатов решения задач на следующих этапах. В свою очередь, результаты решения задач на предыдущих этапах являются исходными данными для задач, решаемых на следующих этапах (рис. 3.10).

Рисунок 3.9 - Особенности решаемых задач на различных этапах планирования сетей 2G / 3G:

AT - абонентские терминалы; БС - базовые станции; ПРД - передатчики;

ПС - пилот-сигнал; ЭМС - электромагнитная совместимость; SHO - мягкий хэндовер;UL7DL - линии «вверх» / «вниз»

Планирование сетей сотовой связи 3G [3, 4] отличается сложностью выделения и независимого решения задач на каждом из предыдущих этапов, поскольку не только результаты решения задач на предыдущих этапах являются исходными данными для задач на следующих этапах, но и наоборот - результаты решения задач на следующих этапах являются исходными данными для задач на предыдущих этапах.

3.3 Назначение программного комплекса TEMS CellPlanner Universal

TEMS CellPlanner Universal - это передовое программное обеспечение для проектирования и планирования сетей 2G, 2.5G и 3G. Система TEMS CellPlanner Universal разработана компанией Ericsson и предоставляет пользователю широкий спектр возможностей планирования, позволяющих уменьшить затраты при развертывании сети. Система TEMS CellPlanner Universal отвечает всем потребностям современных радиосетей. Отличительной особенностью этой сети является наличие открытых интерфейсов, новой и более гибкой архитектуры, а также поддержки всех основных технологий. Уникальные патентованные алгоритмы, использованные в программном обеспечении, гарантируют точность и быстродействие. Модульная платформа упрощает настройку, позволяет легко менять ее в соответствии с требованиями пользователя и добавлять новые функции. TEMS CellPlanner обеспечивает гибкую системную конфигурацию и эффективную рабочую среду. Для легкого и быстрого планирования в полевых условиях операторы могут выбрать автономную конфигурацию. При этом не требуется установка базы данных. Выбор сетевой конфигурации позволяет множеству пользователей из одной организации совместно использовать сетевые данные и одновременно планировать общую сеть. Такой групповой метод работы стал возможен благодаря введению уникальной сети безопасности, обеспечивающей надежность и конфиденциальность данных [2-6].