автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов динамического назначения скорости передачи и мощности излучения в прямой линии сотовых систем связи третьего поколения с технологией WCDMA

На правах рукописи

!

Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим Ахмед

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ДИНАМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ И

МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРЯМОЙ ЛИНИИ СОТОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ С ТЕХНОЛОГИЕЙ

\VCDMA

Специальность 05.12.13- Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических систем Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» (ГОУВПО «МТУСИ»)

Защита состоится «18» декабря 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д219.001,03 Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» (ГОУВПО «МТУСИ») по адресу; 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д.8а, ауд. А-455

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Шинаков Юрий Семенович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Парамонов Алексей Анатолиевич

кандидат технических наук, профессор Журавлев Валерий Иванович

Ведущая организация

Московский энергический институт (ТУ)

Автореферат разослан

Ученый секретарь совета по докторских и кандидатских,

Кшичкииа Т.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы, Мобильная связь - одно из современных направлений в области связи, получившее интенсивное развитие в течение последних десятилетий. Появление мобильной связи ознаменовало собой новую эру в технике связи и привело к созданию целого набора уникальных сервисных услуг в сфере телекоммуникаций.

Сегодня одно из доминирующих положений в области мобильной связи занимает сотовая связь.

Сотовые системы связи - это системы с многостанционным доступом. Их основные параметры зависят от технологии распределения имеющегося частотно-временного ресурса между отдельными каналами.

В настоящее время общепринято, говоря о мобильной связи, выделять три различных поколения систем. К первому поколению относятся аналоговые системы мобильной связи, которые построены по принципу частотного разделения каналов (FDMA) как, например NMT и AMPS. Такие системы предоставляли абоненту лишь основную услугу - передача речи. С ростом спроса на мобильную связь появилась необходимость создания глобальной системы мобильной связи, которая смогла бы предложить более привлекательный пакет услуг помимо передачи речи. Новое второе поколение систем строилось на основе технологий FDMA и временного разделения каналов (TDMA). Среди систем второго поколения как пример коммерческого успеха следует выделить систему стандарта GSM.

На сегодняшний день технологии FDMA и TDMA практически исчертит свои возможности и не могут обеспечивать существенно большую пропускную способность. Третье поколение сотовых систем связи, использующее в основном технологию кодового разделения каналов (CDMA), благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением проблемы дальнейшей эволюции сотовых систем связи.

Наиболее выраженной особенностью сотовых систем связи третьего поколения является использование абонентами более высоких скоростей передачи: скорость может достигать 384 Кбит/с при коммутации каналов и 2 Мбит/с при коммутации пакетов. Естественно, что более высокие скорости передачи способствуют внедрению многих новых услуг, например, пидеотелефонии и быстрой загрузки данных.

Емкость системы с технологией CDMA ограничена несколькими факторами, основным из которых, в отличие от систем FDMA и TDMA, является собственная интерференция; для последних ограничение обусловлено прежде всего шириной полосы частот. Любое уменьшение интерференции в системах CDMA напрямую превращается в увеличение емкости сети. Например, использование управления мощностью передатчиков подвижных сотовых радиосистем может заметно увеличить емкость сети.

В последнее время в широкополосных системах CDMA (WCDMA) с целью дальнейшего повышения емкости системы во многих работах начаты

исследования совместного управления мощностью излучения и скоростью передачи, или мощностью излучения и диаграммой направленности антенны, или мощностью излучения и видом модуляции и так далее.

В данной диссертационной работе была выбрана первая из вышеперечисленных задач, а именно адаптивное управление мощностью излучения и скоростью передачи информации.

В широкополосных системах CDMA (WCDMA) скорость передачи и мощность передатчика, назначаемые разным абонентам, могут динамически корректироваться в зависимости от изменений значений параметров канала с целью улучшения спектральной эффективности сети. Часто используемая цель таких коррекций - максимизация суммарной скорости передачи сети путем перераспределения ресурсов сети между абонентами на основе измерений отношений сигнал-интерференция при учете ограничений на мощности базовых станций.

Существуют различные алгоритмы совместного назначения скорости передачи данных и мощности излучения в прямой линии многоячеистых WCDMA с учетом мобильности абонента при динамической нагрузке н сети. Обычно адаптация сети осуществляется таким образом, чтобы обеспечить одинаковые значения отношений сигнал-интерференция для всех абонентов сети. Предполагается, что застройка является однородной, затенения -логарифмически нормальными, замирания - релеевскими, начальные положения абонентов - случайными, а траектории их движения - прямыми линиями на интервалах адаптации. Азимуты направлений движения абонентов на каждом интервале адаптации являются случайными величинами с известными распределениями.

Во многих практически важных случаях подобные предположения оказываются слишком обременительными, а иногда и недопустимыми. Полученные при этом результаты оказываются слабо обоснованными и могут быть уточнены или существенно расширены.

Построить новые оценки суммарной интерференции в сетях с большим числом базовых станций (БС), разработать новые модели мобильности абонентов, синтезировать новые алгоритмы оптимизации сети путем адаптации скорости передачи и мощности излучения каждой базовой станции сети при наличии энергических ограничений и в условиях неоднородности городской застройки являются актуальными научными задачами.

Цель работы. Целями диссертационной работы являются оценка суммарной интерференции в сети с большим числом базовых станций, разработка и исследование эффективности алгоритмов совместного динамического назначения скорости передачи и мощности излучения передатчиков БС в реальной городской застройке с целю максимизации суммарной скорости передачи сети.

Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи.

1. Выполнение анализа существующих способов управления излучаемой мощностью в прямой линии сотовых систем связи с технологией CDMA.

2. Проведение анализа существующих методов назначения скоростей передачи и мощности излучения кодовых каналов в сотовых системах связи третьего поколения.

3. Получение асимптотической оценки емкости прямой линии сотовых систем связи с технологией CDMA при неограниченном увеличении числа БС.

4. Разработка алгоритма совместного назначения скорости передачи и излучаемой мощности кодовых каналов базовых станций.

5. Разработка более адекватной модели движения подвижных станций в городской застройке.

6. Разработка имитационной модели сотовой сети с реализацией в ней известных и новых алгоритмов динамической адаптации сети с целью оценки эффективности предложенных мер повышения суммарной скорости передачи.

7. Составление. плана статистического эксперимента и проведение имитационного моделирования с целыо получения количественных оценок эффективности разработанных алгоритмов.

Методы исследовании. Для решения поставленных в работе задач использованы современные методы математического анализа, основанные на теории рядов, теории вероятностей и математической статистики, а также методы статистической радиотехники и статистической теории связи.

Научная поиизпн диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложена новая асимптотическая оценка емкости сотовых систем связи с технологией CDMA.

2. Разработан новый алгоритм совместного назначения каждому кодовому каналу прямой линии скорости передачи и мощности излучения,

3. Предложена новая более адекватная модель движения подвижных станций (ПС) в городской застройке.

4. Разработана новая модель динамических изменений нагрузки соты сети.

Основные положении, выносимые на защиту:

1. Во многих случаях вместо традиционной оценки емкости сети с технологией CDMA, которая учитывает собственную интерференцию лишь от двух колец сот, окружающих рассматриваемую соту, следует использовать асимптотическую оценку емкости сотовых систем связи, учитывающую неограниченно большое число сот сети.

2. Задача максимизации суммарной скорости передачи в прямой линии путем совместного назначения скорости передачи и мощности излучения в каждом кодовом канале сводится к системе линейных уравнений, которая может быть решена лишь методом перебора; в диссертации предложен один из возможных способов получения субоптимального решения.

3. Модель движения подвижных станций в городской застройке должна обеспечивать построение траекторий движения, удовлетворяющих ограничениям реальной топологии зоны обслуживания: траектории движения не должны пересекать здания, скверы, пруды, парки и так далее.

4. Результаты машинного (имитационного) моделирования, подтверждающие эффективность нового алгоритма адаптации сотовой сети.

Практическая ценность работы.

1. Предложенная асимптотическая оценка емкости соты уточняет допустимое число абонентов, одновременно обслуживаемых в одной соте, окруженной большим числом соседних сот.

2. Новый алгоритм совместного назначения скорости передачи и мощности излучения является одношаговым, а не рекуррентным, и обеспечивает максимально возможную суммарную скорость передачи в каждой соте сети на каждом интервале адаптации.

3. Модель движения ПС позволяет обеспечить размещение траекторий движения ПС вне зон обслуживаемой территории, занятых зданиями, водоемами, парками и так далее.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ в 2001 г., 2002 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г., на Международных форумах информатизации в 2005 г., 2006 г., 2007 г. и в 2008 г., на Международной школе-конференции по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы» с участием молодых ученых, аспирантов и студентов стран-членов СНГ в 2005 г. и на Московской отраслевой научно-технической конференции в 2007 г., на второй отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества», Москва, 2008 г., а также на 16-ой межрегиональной конференции Московского НТОРЭС им. А. С. Попова и МТУСИ 2008 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 печатных работах, 4 работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. Из 30 опубликованных работ 5 - научные статьи, 9 - депонированные работы и 16 - доклады на международных, межрегиональных и других научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глап, заключения и двух приложений. Основные результаты изложены на 177 страницах машинописного текста и представлены на 51 рисунке ив 12 таблицах. Дополнительные сведения изложены в приложениях на 25 страницах. В библиографию включены 106 источников на русском и английском языке.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены полученные основные научные результаты и пояснена их практическая ценность, приведет.! сведения об апробации работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первоИ главе даны некоторые сведения об основных характеристиках современных сотовых систем связи, а также представлена характеристика радиоканалов в широкополосных сотовых системах связи. Рассматриваются особенности технологии WCDMA и радиоинтерфейсов сотовых систем связи третьего поколения, распределения спектра и базовых сетей, к которым могут быть подключены сети радиодоступа WCDMA. Приведена структурная схема радиоинтерфейса прямого канала системы WCDMA, выделены также основные отличия радиоинтерфейсов систем третьего и второго поколений.

В данной главе рассматривается общая концепция управления мощностью в системе WCDMA, которая играет важную роль в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов. Проведен анализ известных способов управления мощностью в прямой линии, подчеркнуто, что с помощью управления мощностью БС можно существенно увеличить емкость сети.

Во второй главе формулируется и анализируется проблема повышения суммарной скорости передачи прямой линии при наличии ограничений на мощности излучения базовых станций, и выделяются основные процессы, обеспечивающие передачу сигнала в системах с расширенным спектром. Приведены примеры расчетов емкости прямой линии сотовой системы третьего поколения WCDMA. Описаны основные факторы, влияющие на емкость системы WCDMA. Рассмотрена концепция назначения скорости передачи и мощности излучения кодовых каналов в прямой линии и существующие алгоритмы распределения этих ресурсов. Описаны способы изменения скорости передачи в сотовых системах третьего поколения с технологией CDMA.

В третьей главе получены аналитические выражения, определяющие емкость прямой линии сотовой сети связи с технологией CDMA с бесконечным числом одинаковых сот для двух случаев: без управления и с управлением мощностью каждого кодового канала. Предлагаемые. в данной главе оценки емкости одной соты названы асимптотическими потому, что они получены для случая, когда локальная сота окружена неограниченно большим количеством других аналогичных сот. В реальных сетях число сот ограничено, хотя и может быть достаточно большим. Полученные оценки можно рекомендовать для внутренних сот, в то время как для сот, близких к границе обслуживания их можно рассматривать только как оценки сверху.

Отношение мощности сигнала к мощности интерференции (под интерференцией в данной работе понимается внутрисистемная помеха, создаваемая активными абонентами и базовыми станциям) SI/1 определяется »

полосе радиоканала W при любом способе цифровой модуляции и может быть выражено через отношение энергии сигнала Е„, затрачиваемой на передачу одного бита, к спектральной плотности мощности интерференции N„:

!_„££. A m

Р, Г, N„IV Nt TnzW Nq W ' W

где £c - энергия сигнала, Г, - длительность канального символа, W - полоса частот системы, г - кратность используемого способа модуляции (число бит, переносимых одним канальным символом), Т„ - длительность бита, /?,, -скорость передачи данных.

В системе с технологией CDMA полоса радиоканала W значительно

л* /

больше R., вследствие чего требуемое значение отношения может быть

/ 'vo

обеспечено при значении SIR , значительно меньшем 1. Например, удовлетворительное качество цифровой передачи речи обеспечивается при

значении ^у^ =5 дБ при скорости вокодера R„ =8 кбит/с, если в системе CDMA полоса радиоканала W = 1,25 МГц, то требуемое значение отношения

г /

/м будет обеспечено при SIR = 0,02. /14 о

В частности, если принимается, что всем кодовым каналам выделяется одна и та же мощность, значение которой выбирается из расчета на абонента, находящегося на границе своей соты, и учитывается интерференция только данной локальной соты, т.е. сигналы N-1 кодовых каналов прямой линии данной соты, то

---!_, (2)

(N-\)PuyR"' //-Г

где Л, - передаваемая мощность абоненту, находящемуся на расстояния К от БС, a R равно 1;

у - некоторый коэффициент пропорциональности; а - показатель степени потерь распространения.

Аналогично (2) теперь можно получить общее выражение для отношения сигнал-интерференция, которое учитывает все кольца сот, окружающих рассматриваемую локальную соту:

sm = р---—U--, (3)

АиО /■ О

где и - номер кольца (шестиугольника) сот, окружающих локальную соту с номером 0\ к - номер соты в ряду, расположенном вдоль одной стороны шестиугольника , п -го кольца;

(¿0а./>)1 =7-., ....... —Г~-зг-

(Зи! +и\-Зпк + \-2у1(Зп2 +№ -Зифоз(ф, +<рм)}

Здесь Ф, = 1 + у^ - угол между и„ и R , / = 0,],2.....5, а {0(„ t) - угол между линиями

"„ и Q„.<, (рис.1).

Введем обозначение: S4

«оt *.0 /-0

Если для рассматриваемого абонента необходимо обеспечить значение отношения SIR = 0,02, то из (3) можно определить максимально допустимое число абонентов в одной соте для сети с неограниченно большим количеством сот:

'><„)+1

Аналогичным образом, для обеспечения того же значения отношения SIR = 0,02 при конечном числе N' колец сот сети максимально допустимое число абонентов в одной соте сети не должно превышать значения:

Теперь можно получить оценку сверху для разности:

X\-я.

Рис.1. Геометрия системы. 9

Оценка (6) справедлива для значений W24, так как при этом выполняется условие п £ 5. Например, при N = б из (6) получаем

0<NM-NW<0.5.

Неравенства (6) можно использовать для получения интервальной оценки для значения параметра , если известно значение N^, которое должно

быть вычислено по точной формуле (5):

NW)~ 77Г< "(»><%)• (7)

N

Если учитываем шесть рядов (N =6), то A/(SJ =9,43, и

8,93 <Nm-Nw< 9,43

Можно построить более точную интервальную оценку для значения параметра при £13:

О<NW-NW <0,057.

Из выражения (2) при заданном значении отношения SIR = 0,02 можно получить допустимое значение числа абонентов в одной соте, если пренебречь интерференцией от всех соседних сот сети (N' =0): ¡V(0) = 49 . Сравнивая это значение, например со значением W(4)=9,43, видим существенное уменьшение емкости сети из-за интерференции от первых б колец сот. Поэтому уменьшение интерференции от соседиих сот может значительно увеличить емкость сотовой сети. Одним из эффективных способов уменьшения суммарной интерференции в сети с технологией CDMA является управление мощностью, излучаемой базовыми станциями сети.

Далее в диссертации оценивается емкость сети при использовании управления мощностью, где мощность Р,, назначаемая кодовому каналу / -го абонента локальной соты, устанавливается в соответствии со следующим правилом:

(8)

где г, - расстояние отБС до /-го абонента и S - некоторое положительное число. В данном случае принимается, что cora имеет форму круга, разбита па

кольца со средним радиусом /;(, 0 < /;( < R , у = 1,2.....Q , где Q - число колец,

полностью покрывающих площадь локальной соты. Тогда среднее число абонентов , оказавшихся в кольце с номером q , можно определить равенством:

0<r,<R, (9)

v

где N = Yj ; К " коэффициент пропорциональности, ./.i

Показано, что суммарная мощность Рг, излучаемая БС локальной соты, при S' = 2 можно определить с помощью равенства:

При увеличении числа колец г, -> 0, -> R, а сумму в правой части (10) можно записать в виде интеграла:

Рг-Рл]-~с1г = Р1)Лс^. (11)

При этом общее число абонентов в локальной соте определяется равенством:

" = =4',+'•,+•••+'(,) -д^Л."»*--^. О2) (/>) 2.

Подставляя (12) в (I I), получаем окончательно:

(13)

При отсутствии управления мощностью каждому кодовому каналу назначается одна и та же мощность Р„; так что в этом случае суммарная излучаемая мощность БС равна

Pt-NP,. (14)

Из сравнения (13) и (14) следует вывод, что управление мощностью в соответствии с законом (8) при <5 =2 суммарная мощность, излучаемая одной БС, уменьшается в 2 раза.

Асимптотическая оценка ёмкости сети с учетом управления мощностью передатчиков всех базовых станций выполняется аналогично тому, как это было сделано для сети без управления мощностью. В частности для отношения сигнал-интерференция можно записать:

=-А1—--Г- (15)

.1-1 л.о /-о

Это выражение полностью совпадает с (3), за исключением множителя 2 в числителе. Как и в случае отсутствия управления мощностью бесконечный ряд просуммировать не удается. Можно, повторив приведенные в предыдущем случае рассуждения, построить оценки для допустимого числа абонентов в одной соте jV,„| с учетом интерференции от всех сот неограниченной сети, в которой все базовые станции обеспечивают управление мощностью. Формулы (3) и (15) можно использовать и для прямых вычислений значений jV^.j, если считать заданным допустимое значение отношения SIR и учитывать

конечное число N' колец сот, окружающих локальную соту и создающих суммарную интерференцию. Результаты таких вычислений представлены на рис.2,

Если пренебречь интерференцией от соседних сот, то для подвижного абонента, находящегося на расстоянии г0 от БС, мощность которой управляется по указанному выше закону, можно указать приближенное значение отношения

р„({м-Шг;' N/2

где множитель г0 учитывает потери распространения радиоволн в реальных условиях (при наличии городской застройки, леса и других препятствий). Тогда отношение сигнал - интерференции в приемнике ПС, находящегося на расстоянии г„ от БС локальной соты выражается следующим образом:

Ш = -

(17)

/,■1 (.0

где А^ - допустимое число активных абонентов в одной соте при неограниченной сети.

Бесконечную сумму в (17) можно ограничивать конечным числом /V

Рис.2. Зависимость оценки допустимого числа активных абонентов одной соты от количества колец интерферирующих сот

учитываемых колец, получая приближенные значения что позволяет по

формуле (17) построить зависимость

для одного абонента при

использовании закона управления мощностью (8) для всех базовых станций сети. График этой зависимости приведен на рис.3.

Рис.3. Зависимость отношения сигнал-интерференция от нормированного расстояния при разных N

При небольшом удалении ПС от локальной БС высокий уровень интерференции фактически определяется сигналами собственной БС. При удалении ПС доля этой интерференции в суммарной помехе уменьшается, а

доля помех от БС остальных сот возрастает. В результате функция SIR^y^j

имеет максимум, положение которого не зависит от числа активных абонентов в каждой соте неограниченной сети

В четвертой главе разработан новый алгоритм совместного назначения скорости передачи и мощности излучения базовых станций с целыо максимизации суммарной скорости передачи сети с учетом реального расположения городских улиц при динамических изменениях нагрузки в сети.

Отношение сигнал/интерференция в прямой линии многосотовой WCDMA системы. Предполагается, что в прямой линии в кодовом канале i-ro абонента j-ой соты установлена скорость передачи m(l,j).v, и мощность передачи m(i, j)Ph (/, ]) , где v, - базовая (минимальная) скорость передачи информации и P,,(ij)- мощность 1-го прямого канала при базовой скорости. Коэффициент расширения спектра при этом равен Y/m{i,j).

Можно показать, что отношение сигнал/интерференция в прямой линии многосотовой WCDMA системы представляется выражением:

SIR(lj) = -

Р, К

....

+ /А М

J ч

(18)

где и '//('• У) коэффициент межсотовой интерференции,

ш(А,у)е{0,1,2,---,р} , V - коэффициент ортогональности сигналов одной соты, учитывающий нарушение ортогональности сигналов из-за многолучевости.

Совместное оптимальное назначение скорости передачи и мощности излучения кодовых каналов примой линии. Для обеспечения одинакового качества передачи всем ПС ./ -ой соты, принимаем, что ,9/л(|, /) не должно зависит от /; в этом случае выражение (18) должно иметь вид:

ЯЩ^-гР, ч

(19)

Если V = 0, то

Так как

то можно получить

где

Р,1

Л С. У)

IХ/Л'С-Л

(20)

2) (*.;)+/>,= Л.

¿-I

Р.-Р.

1 ч

Подставляя (22) в (19), получим:

Л -Р.

'-I

(21) (22)

(23)

(24)

Обычно .">//!(/,у) = (7) для всех ПС соты у, где Я/Д^С/) - требуемое значение отношения сигнал/ интерференция в прямой линии ./'-ой соты. Если же это условие принять для всех сот сети, то есть 5/Л((,у) = 5/Л,( для всех /,/, то вместо (24) необходимо записать:

.т„ =

<1 - ы,

1-

Рг

если ввести обозначение Р1 = Р1 ¡Рс.

Учитывая (23) последнее равенство можно записать в виде:

'Р.)

Это система J +1 линейных уравнений относительно ¡¡¡, у = 0^7, которая может быть решена при заданных значениях

У, ш(А,у), к = 7у.(*,у), к = \,Ы г при ограничении:

/■О /тО

где Р„ - средняя разрешенная мощность базовой станции в сети.

__Р / _

Если р^ 7=0,,/, найдены, то из Р1 = ур , находим Р1 = Р,Р,, у = 0,,/. Из

(23) находим //(*,;), к = \Ж1 , У = 0^7; из (19) находим р,, ] = М; из (20) находим Л ('.У), I = 1, Л^, ¿ = си, - назначаемую мощность в прямой линии /-го абонента j -ой соты при базовой скорости V,; назначаемая мощность в кодовом канале / -го абонента у - ой соты в прямой линии />(;, у) = т(/, У)ЯА(Л у) при

СКОрОСТИ V, =/и()',У)У|.

' А

При этом суммарная скорость передачи в сети будет равна »?(/,./) = ■

Система уравнений (25) должна решаться для всех наборов скоростей

{т(/,у), ¡ = 1,2,у = 0,1....., число таких разных наборов ((?>+!)"' У"' .

Вычислительная сложность решения системы (25) оценивается как о((./ + 1)'). Таким образом, вычислительную сложность решения задачи назначения совместно оптимальных значений {л(',У),'"(',У), / = 1,2,,..,Л^,у = 0,1,...,./) методом простого перебора можно оценить числом операций ((р + 1)"')''' хо((./ + 1)'). Для практически полезных значений Ыг У = 0.1,...,./ и ,1 поиск решения системы (25) представляется чрезмерно трудной задачей. Кроме того, оптимальное назначение скорости и мощности обычно приводит к нарушению равнодоступности как среди абонентов в одной соте, так и среди сот. Поэтому в диссертации предлагается субоптимальный алгоритм динамического назначения скорости передачи и мощности излучения, который имеет приемлемую сложность вычислений и обеспечивает хорошую равнодоступность.

Субоптимальный алгоритм назначения скорости передачи и мощности излучения. Полагаем, что заданное значение Ш,м соответствующее некоторому желаемому качеству (ВЕЯ) (например, УШ<; 10"5), известно на БС и Ы1 =N, у = 0,/, то есть, число абонентов во всех сотах одинаково. Принимаем также, что Р12 Р„, где Р„ - заданная величина. В соответствии с (24) будем требовать выполнение неравенства:

Ш, 5--—

][>(*, УМ*, У)

«•I

или:

.-А

, р>>

у - можно назвать априорным порогом.

Если относительные значения помех {/'(Л,у')}"., > известны (измеряются), то скорости передачи т(к,./'), к = 1, А', можно изменять адаптивно таким образом,

.V

чтобы взвешенная сумма интерференции ]Гт(4,у)//(*,у) не превышала порог у

>•1

(но была бы как можно ближе к у ). В результате т(к, у), к = \,Ы , будут определены. Тогда из (22) можно найти .

Мощность излучения каждому абоненту при базовой скорости передачи при условии, что качество связи должно быть одинаковым для всех абонентов, теперь в соответствии с (20) и (23) можно записать следующим образом:

к = 1Ы. (27)

Формулы (26), (22) и (27) являются основными при совместном назначении скоростей и мощностей [т(к, у), Л (А, у), к = 1, N, У = 0, .7}.

Важно отметить, что несмотря на то, что число абонентов в сотах одинаковое, условия распространения радиоволн необязательно будут одинаковыми во всех сотах. Таким образом, назначенные скорости абонентам в разных сотах скорее всего одинаковыми не будут.

Известны два подхода к подбору множителей т{к,]\ к = 1,Ы, неравенства (26). Первый из них приводит к алгоритму 1 (максимально возможное значение абоненту с минимальной интерференцией ;/(£,у))> второй - к алгоритму 2 ('«(£, У)= с п°Дбором а ). Алгоритм 1 обеспечивает наибольшее

значение суммарной скорости передачи, однако из-за «агрессивного» («жадного») назначения скоростей, изменение скорости может быть резким от кадра к кадру, дисперсия задержки передачи в радиолинии может быть высокой, абонентам с высоким уровнем интерференции ресурсы линии вообще не предоставляются.

В алгоритме 2 изменение значения скорости от кадра к кадру происходит более плавно (по сравнению с алгоритмом I), дисперсия задержки меньше, а равнодоступность для абонентов соты к возможным значениям скоростей передачи более высокая. Скорости в данном алгоритме назначаются пошагово при контроле выполнения неравенства (26), которое может никогда не превратиться в равенство; суммарная скорость передачи ниже, чем при алгоритме I.

Эти алгоритмы используются на каждой БС сети в следующей процедуре совместного назначения скорости передачи и мощности излучения.

Процедура назначения:

¡) ПС Ш]'1 на очередном шаге адаптации измеряет текущее значение ЯГ^к,;) и передает БС В5(у), к = ТЛ\

И) БС ВЯ(у) вычисляет значение статистик /¡(4,у) при текущих

значениях (£,у) и Рп к = йП-, 111) БС В5(]) вычисляет новое значение т(к, у) , используя

алгоритм 1 (или 2, или новый), к = \Л\ ¡V) БС В5(]) вычисляет новые значения мощностей излучения Р1 при базовой скорости V,, * = 1, N;

V) БС В&(у) устанавливает новые скорости передачи т(к,])\1 и новые мощности излучения ш(А,у)Рн(к,.1'), в каждом кодовом канале прямой линии;

VI) Идти к ¡.

В диссертации предложен новый алгоритм выбора коэффициентов т(к, /) в неравенстве (26), при котором неравенство (26) превращается в равенство за один шаг. Этот алгоритм сохраняет положительные свойства алгоритма 2 и обеспечивает более высокое среднее значение суммарной скорости передачи.

Новый алгоритм на этапе (ш) упомянутой выше процедуры назначения можно детализировать следующем образом: Новый алгоритм;

1) значения статистик м{к,)) упорядочиваются по возрастанию; /<(1, у) <//(2, у)<„.< ,«(//, у); ^

2) если </4./). то т[к,])= ¡у к = 1./V;

3) если /((N,7)5//,,, то т{к, ./') = «>, к = 1,Ы\

4) если //(1,./) < /,(2, у) <... < /<(/, у) < ^ <;/<(/ +1, у) <... < , у), то т(к, у) = р, при к <.1,

и = у), при к>1.

Здесь

у-РЪЖ,])

<р- максимально допустимое значение для т(к,./').

То есть при таком выборе т(к,у) и а равенство (26) превращается в равенство без рекурсии.

Динамический неравномерный трафик. Число активных абонентов NJ (/) в соте у меняется случайным образом. Центр коммутации подвижной связи в конце каждого интервала адаптации знает значения , у = 0на основе чего назначает каждой БС сети Р1, у = 0,7 . Далее БС (55), используя статистики ц{к,у), к = своих ПС, реализует процедуру назначения для следующего интервала адаптации.

Модель мобильности абонентов. В диссертационной работе была разработана новая модель движения абонента в городской застройке с учетом расположения городских улиц. В данной модели предполагается, что абоненты движутся только вдоль улиц, а на перекрестках случайно выбирается следующее направление с вероятностями, зависящими от текущего положения абонента и направления на точку назначения:

" К-ФГ+К-ФГ' *

где Р„ - вероятность выбора направления вдоль оси абсцисс; Ру - вероятность выбора направления вдоль оси ординат; и,, - абсцисса точки назначения по оси и; и{к) - абсцисса текущего местоположения абонента по оси и;

- ордината точки назначения по оси у; у(/с) - ордината текущего местоположения абонента по оси V.

Если ии-и(к)>0 , то по оси абсцисс положительное приращение координаты; в противном случае будет отрицательным.

Если V,, - у(/с)> 0 , то по оси ординат положительное приращение координаты; в противном случае будет отрицательным.

С учетом данной модели движения, которая хорошо описывает реальную мобильность абонентов, на рис. 4 представлены гистограммы выборочных значений скоростей передачи, назначаемых абонентам с применением разработанного в диссертации нового алгоритма для двух случаев: первый, когда отсутствует ограничение назначение скорости передачи ((» = <», скорость представляется вещественным числом); второй, когда есть ограничения как на максимальное значение скорости передачи (р<»), так и па возможные значения, которые должны быть кратны базовой скорости.

а) 18

р

О 1 7 3 4 5 о ? а

б)

Рис 4. Гистограмма выборочных значений скорости передачи

(а - при отсутствии ограничений; б - при наличии ограничений)

На рис. 5 показана зависимость средней скорости передачи при использовании разработанного алгоритма назначения от требуемого значения отношения SIR,, в отсутствие и при наличии ограничений па значения скорости передачи.

M{m{k,j))

Рис. 5. Зависимость средней скорости передачи разработанного алгоритма от требуемого значения отношения SIR,,

Из рисунка следует, что при данном алгоритме имеется значительный резерв повышения суммарной скорости передачи, которой может быть реализован при более совершенном оборудовании сети. На рис. б показана зависимость средней скорости передачи разработанного алгоритма (нового)

M(m(kj))

I-г-

\ !

Ч\

* Алгоритм 1 Алгоритм 2

влгоритм

I 1-1—

Рис.6. Зависимость средней скорости передачи алгоритмов от требуемого значения отношения £//?,,

от требуемого значения отношения 5/й^ для разрешенных значений скорости, а также средней скорости передачи при использовании алгоритмов 1 и 2; не трудно видеть, что разработанный алгоритм позволяет получить более высокие значения средней скорости передачи для одного абонента сети.

В пятой главе оценивается равнодоступность к скорости передачи среди различных абонентов (в соте/группе сот) при рассматриваемых в диссертации алгоритмах назначения скорости передачи и мощности излучения в случае коррелированных затенений, для известной модели случайной мобильности и новой модели движения в городской застройке соответственно, при динамических изменениях нагрузки сети. Представлена практическая реализация имитационного эксперимента и полученные результаты.

Внутрисотовая равнодоступность в у-он соте определяется величиной:

• М

IХ«М)

NXM(m(k,j)f

(28)

Эта величина находится в пределах от \/Ы1 до 1 , где 1 соответствует одинаковой средней скорости передачи в прямой линии для всех абонентов в у—ой соте.

Величина соответствует крайнему случаю, когда средняя скорость

передачи для всех абонентов (кроме одного) равна 0. Внутрисотоиая равнодоступность является локальной. На рис.7 представлена внутрисотовая равнодоступность /•"„„„,,„„,„ как функция от требуемого значения отношения ЯШ,, для разработанного в данной диссертации алгоритма, а также для алгоритмов I и 2.

РвэрабогвиньЛ ~~алгоритм —Ь— Алгоритм 2 I --. «Алгоритм 1

\

Т

\ : : .....К-1-

123456760 10

Рис. 7. Зависимость инутрисотоной равнодоступности от отношения Л'/й,,

Нетрудно видеть, что равнодоступность обеспечивается при всех требуемых значениях отношения 5/Л,,, что можно рассматривать как еще одно достоинство нового алгоритма назначения,

В данной главе приводятся также детальные сведения о новой модели мобильности абонентов в городской застройке.

В ] - ой соте I - ии подвижная станция имеет нормированные декартовы

Я л

координаты (и,у), со значениями - -у £ н 5 — и

1 +

л/3

г'1

'7Г

Точка старта (м„, у„) ¡-ой ПС расположена на решетке с шагом Д»/и Д\' соответственно на границе соты и является случайной. Точку назначения выбираем симметрично относительно начала координат, то есть ("«/.V»/) = (-«„.-О . что позволяет получить траектории движения ПС,

полностью располагающиеся внутри локальной соты.

ив - дискретная случайная величина, принимающая значения из

множества

+ д

+ 2Ди,...,

равными

вероятностями.

Уи • непрерывная случайная величина, имеющая условное равномерное распределением с плотностью:

На рис.8 изображены траектории движения нескольких мобильных абонентов в городской застройке, полученные с помощью разработанной модели мобильности.

Рис. 8. Траектории движения мобильных абонентов в городской застройке (траектории абонентов обозначены разными линиями)

В этой главе приведены также некоторые сведения о разработанной имитационной модели сотовой сети с двумя кольцами сот. Модель реализована в системе для научных исследований MATLAB.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы, которые состоят в следующем:

1. Третье поколение сотовых систем связи, использующих технологию кодового разделения каналов (CDMA), благодаря высокой спектральной эффективности этой технологии является радикальным решением проблемы дальнейшей эволюции сотовых систем связи и способствует внедрению новых услуг, например, видеотелефонии, мультимедийной передачи, быстрой загрузки данных и т.д.

2. Важным параметром сетей третьего поколения является суммарная скорость передачи прямой линии, которая может динамически перераспределяться между абонентами соты мультисервисмой сети; динамическая максимизация суммарной скорости с учетом фактических ограничений на уровень излучаемой мощности базовых станций сети является актуальной задачей современной техники сотовой связи.

3. Существует несколько факторов, существенно влияющих на суммарную скорость передачи прямой линии сотовой системы с

технологией CDMA; основным их них является интерференция собственной соты и остальных сот сети; для мобильных абонентов важным фактором также является существенное изменение потерь распространения в течение сеанса связи из-за эффектов затенений, многолучевости распространения радиоволн, наличия эффекта Доплера. В таких условиях можно полагать, что совместная динамическая адаптация скорости передачи и назначаемой мощности излучения каждому абоненту соты или всей сети является эффективным способом обеспечения максимально возможной суммарной скорости передачи прямой линии.

4. Принято считать, что основной вклад в суммарную интерференцию сети вносят соты первого и второго кольца; в диссертации показано, что часто необходим учет интерференции, создаваемой сотами последующих колец, поскольку это приводит к уменьшению допустимого числа активных абонентов в каждой локальной соте.

В данной работе предложены новые асимптотические соотношения, которые позволяют построить зависимость отношения сигнал-интерференция для одного абонента локальной соты как функцию от числа колец сот, окружающих рассматриваемую локальную соту, без ограничения их числа.

5. В диссертации предложен новый алгоритм совместного адаптивного управления скоростью передачи и излучаемой мощностью в каждом кодовом канале прямой линии; в отличие от известных данный алгоритм является одношаговым (нерекуррентным), обеспечивающим достижение максимальной суммарной скорости передачи на каждом интервале адаптации за один шаг при той же вычислительной сложности.

Новый алгоритм позволяет использовать либо заданные наборы значений скоростей передачи и излучаемых мощностей БС, которые могут быть фиксированными техническими параметрами сети, либо указывать потенциально достижимые их значения; последние могут служить основной для построения оценок существующих резервов уже эксплуатируемых сетей в реальных условиях.

6. Эффективность и практическая полезность нового алгоритма характеризуется увеличением средней скорости передачи информации в прямой линии к каждой подвижной станции. Получить аналитические оценки этой эффективности для данного алгоритма не удалось. Поэтому в рамках диссертационной работы была разработана имитационная модель сотовой сети для ЭВМ, учитывающая все основные физические процессы в радиоинтерфейсе, перечисленные в п.З заключения, и позволяющая получать количественные оцеики средней скорости передачи для каждого абонента сети.

7. В сетях третьего поколения предусмотрены различные услуги, которые предъявляют разные требования к качеству канала передачи, часто сводящиеся к необходимости обеспечения требуемого среднего

значения отношения сигиал/(суммарная помеха). В диссертации приведены результаты статистического имитационного эксперимента, па основе которых построены зависимости средней скорости передачи каждому абоненту сети как функции от требуемого значения этого отношения. Такие зависимости построены для некоторых известных алгоритмов и нового алгоритма управления ресурсами прямой линии. Эти зависимости свидетельствуют о том, что выигрыш от совместной оптимизации скорости передачи и мощности излучения падает с ростом требуемого значения отношения сигиал/(суммарная интерференция).

8. Важным параметром любых алгоритмов управления сетыо является равнодоступность к ресурсам сети всех абонентов (внутрисотовой, межсотовой), Получение количественных значений этого параметра для конкретных алгоритмов управления и разных условий функционирования сети аналитическими методами затруднительно. Для решения этой задачи в диссертации использовано имитационное моделирование. Полученные при этом данные свидетельствуют о том, что новый алгоритм управления скоростью передачи и мощностью излучения обеспечивает высокие значения равнодоступности при всох требуемых значениях отношения сигнал/(суммарная помеха).

9. В диссертации предложена новая вероятностная модель мобильности абонентов, которая позволяет моделировать траектории движения абонентов, не пересекающие запрещенные для движения территории зоны обслуживания, такие как здания, скверы, пруды, парки и гак далее. Эта модель движения использована при проведении статистического эксперимента, упомянутого в п.п. 7 и 8 заключения.

Возможно дальнейшее совершенствование этой модели мобильности путем замены прямоугольной сетки улиц городской застройки реальным планом города или любого другого населенного пункта,

10. Практическое внедрение нового алгоритма управления ресурсами прямой линии в существующие или строящиеся мультисервисные сети 3-го поколения не требует разработки нового оборудования; все необходимые для его функционирования статистики формируются уже имеющимися техническими средствами. Необходима лишь несложная адаптация программного обеспечения базовой станции и центра коммутации подвижной связи. Этот алгоритм не приводит к существенному возрастанию объема передаваемой в сети служебной информации.

11. Необходимо отметить, что при наличии мягкого хэндовера средняя суммарная скорость передачи может не достигать максимально возможного значения, так как некоторые кодовые каналы БС активного множества вынуждены передавать одну и ту же информацию (одному абоненту); в этих условиях многие вопросы в задаче динамического совместного управления скоростью передачи и мощностью излучения еще остаются открытыми.

Список публикаций

1. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Управление мощностью в сотовых системах связи третьего поколения с кодовым разделением каналов (CDMA)// Тезисы докладов. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ, Москва 2001 г., с. 292-293.

2. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Управление мощностью в сотовых системах связи третьего поколения с кодовым разделением каналов (CDMA)//-Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2188 св. 2001. от 22.05.2001г., с. 86-92.

3. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Управление мощностью для прямой линии сотовых систем связи третьего поколения, с учетом неоднородной застройки. Тезисы докладов, Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ, Москва 2002 г., с. 314-315.

4. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Управление мощностью в прямой линии сотовых систем связи, использующих технологию многостанционного доступа с кодовым разделением каналов CDMA. Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2211 св. 2002. от 10. 06. 2002 г., с.13-25.

5. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Управление мощностью для прямой линии сотовых систем связи третьего поколения, с учетом неоднородности застройки, Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2211 св. 2002. от 10, 06. 2002 г., с.152-174.

6. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Асимптотическая оценка емкости систем связи с технологией CDMA. Тезисы докладов. Нпучмо-техиичсская конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ, Москва 2004 г., с. 200.

7. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Метод выравнивания отношения сигнал - помехи мобильного абонента в системах связи с подвижными объектами с технологией CDMA. Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2251 св. 2004. от 04. 07. 2004 г., с.36-45.

8. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Способ оценки емкости систем связи третьего поколения с кодовым разделением каналов. Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2251 св. 2004. от 04. 07. 2004 г., с. 46-57.

9. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Оценка сверху отношения сигнал-помехи в системах подвижной связи с технологией CDMA. Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2251 св. 2004. от 04. 07. 2004 г., с. 58-69.

10. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Асимптотическая оценка емкости сотовых систем связи с технологией CDMA с учетом случайного положения абонента в соте. Тезисы докладов. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ, Москва 2005 г., с. 187- 188.

11. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Распределение и регулировка мощности прямой линии сотовых систем с технологией CDMA. Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2266 св. 2005. от 12. 07. 2005 г., с. 25-33.

12. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Адаптивные модуляция и распределение мощности для многочастотных DS/CDMA систем. Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2266 св. 2005. от 12. 07. 2005 г., с. 34-43.

13. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим, Шинаков Ю.С. Асимптотическая оценка емкости сотовых систем связи с технологией CDMA// Радиотехника. 2005 г„ №10. с. 49-53.

14. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Эффективность управления мощностью излучения сотовых систем связи третьего поколения. Тезисы доклада на Международной школе-конференции, Москва, 2005 г., с.. 11.

15. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Определение местоположения мобильного абонента. Тезисы докладов на Международном форуме информатизации (МФИ-2005), Москва, 2005 г., с. 236-237.

16. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Асимптотическая оценка емкости сотовых систем связи с технологией CDMA при случайном положении абонента в соте// Электросвязь. 2005 г,, №12, с.35-37.

17. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Совместное назначение скорости передачи и мощности излучения в сотовых многоскоростных системах WCDMA. Тезисы докладов. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ, Москва 2006 г., с. 198.

18. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Адаптивные методы модуляции и назначения мощности в системах DS/CDMA. Тезисы докладов. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ, Москва 2006 г., с. 94.

19. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Назначение и регулировка мощности передатчиков базовых станций сотовых систем с технологией CDMA. Тезисы докладов. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава МТУСИ, Москва 2006 г., с. 95.

20. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Распределение скорости передачи и мощности излучения в прямой линии сотовых систем WCDMA. Депонировано в ЦНТИ «Информсвязь», № 2279 св. 2006. от 26. 05. 2006 г., с. 34-49.

21. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Улучшение спектральной эффективности сети сотовой системы связи третьего поколения, Тезисы докладов на Международном форуме информатизации (МФИ-2006), Москва, 2006 г., о„ 176,

22. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим, Щербаков В.И. Максимизация суммарной скорости передачи сотовой системы связи третьего поколения. Московская отраслевая научно-техническая конференция

«Технология информационного общества» Тезисы докладов на отраслевой научно-технической конференции. Москва 2007 г., с.80,

23. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Максимизация суммарной скорости передачи в прямой линии сотовой системы связи третьего поколения с учетом реальной мобильности абонента. Тезисы докладов на Международном форуме информатизации (МФИ-2007), Москва, 2007 г., с. 194.

24. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Оценка емкости сотовых систем связи с технологией кодового разделения при различных способах управления мощностью// Информационно-измерительные и управляющие системы. 2007 г., №12. с. 19-33.

25. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Максимизация суммарной скорости передачи в сотовых системах WCDMA с учетом расположения городских улиц. Труды Московского Технического Университета Связи и Информатики. Том I. Москва 2008 г., с. 330-337«

26. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим, Совместное распределение скорости передачи и мощности излучения в сотовых системах WCDMA при различных моделях мобильности абонентов// Наукоемкие технологии. 2008 г., №6. с.75-84.

27. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим, Управление радиоресурсами в сотовых системах связи третьего поколения системы UMTS// Материалы 1 б-ой Межрегиональной научно-технической конференции Московского НТОРЭ им, А, С, Попова и МТУСИ «Обработка сигналов в системах наземной радиосвязи и оповещения ». Пушкинские Горы - Москва. -2008 г., с. 18-19.

28. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Факторы, влияющие на емкость прямой линии системы WCDMA// Материалы 16-ой Межрегиональной научно-технической конференции Московского НТОРЭ им, А, С. Попова и МТУСИ «Обработка сигналов в системах наземной радиосвязи и оповещения ». Пушкинские Горы - Москва. -2008 г,, с. 20-21,

29. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим. Динамическое назначение скорости передачи и мощности передатчиков прямой линии сотовых систем связи с технологией WCDMA при передвижении мобильных абонентов в городской застройке, Тезисы докладов на Международном форуме информатизации (МФИ-2008), Москва, 2008 г., с. 209.

30. Аль-Сураби Мохаммед Абдул Карим, Способы представления передвижения абонентов сотовых систем связи. Тезисы докладов иа Международном форуме информатизации (МФИ-2008), Москва, 2008 г., с. 210,

/

09- 1 6^5" t,

ЙЗ

Подписано в печать 07.11,08 г. Формат 60 х 84/16. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 140.

ООО «Инсвязьиздат», Москва, ул. Авиамоторная, 8.

2008155206