автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов синтеза оптимальной структуры радиосети системы подвижной связи третьего поколения с кодовым разделением

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы проектирования радиосети в системах сухопутной подвижной связи третьего поколения.

1.1 Место и функции радиосети в системной архитектуре UMTS.

1.2 Анализ иерархической сотовой структуры радиосети системы UMTS.

1.3 Анализ традиционного методического подхода к проектированию радиосети WCDMA.

1.3.1 Новые технические требования при проектировании радиосетей

WCDMA.

1.3.2 Этапы проектирования радиосети WCDMA.

1.3.3 Пути совершенствования традиционного методического подхода к проектированию радиосети WCDMA. Задачи исследования.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка модели абонентского трафика и инженерной методики выравнивания дальностей связи в радиоканалах соты радиосети WCDMA.

2.1 Разработка модели абонентского трафика.

2.2 Разработка инженерной методики выравнивания дальностей связи в радиоканалах соты.

2.2.1 Анализ факторов, влияющих на размер зоны радиопокрытия базовой станции.

2.2.2 Параметры, используемые для расчета максимального радиуса соты.

2.2.3 Анализ способов изменения дальности связи в радиоканалах соты.

2.2.4 Алгоритм выравнивания дальностей связи в прямом и обратном каналах трафика для заданных видов услуг.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка алгоритма синтеза оптимальной структуры радиосети

WCDMA.

3.1 Формализация критерия оптимальности.

3.2 Формирование исходного множества базовых станций.

3.2.1 Выбор потенциальных мест установки базовых станций.

3.2.2 Расчет характеристик базовых станций в исходном множестве на основе разработанной инженерной методики.

3.3 Анализ существенных свойств радиосети WCDMA с оптимальной структурой

3.4 Алгоритм синтеза оптимальной структуры радиосети WCDMA.

3.4.1 Определение весов базовых станций и задание положительных и отрицате л ьн ы х дей ствий.

3.4.2 Доказательство монотонности исходной системы базовых станций.

3.4.3 Ядра исходной системы базовых станций.

3.4.3.1 Содержательная интерпретация © и 0-ядер.

3.4.3.2 Определимые множества.

3.4.4 Этапы синтеза оптимальной структуры радиосети WCDMA.

3.3.4.1 Этап I. Нахождение определимого множества Н+.

3.3.4.2 Этап II. Выделение Ф-ядра минимальной мощности из определимого множества Н+.

3.5 Анализ рабочих характеристик разработанного алгоритма.

3.6 Выработка и обоснование практических рекомендаций по применению разработанного алгоритма.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Синтез по разработанному алгоритму оптимальной структуры радиосети WCDMA для опытной зоны системы UMTS в г. Иваново.

4.1 Система проектирования и исходные данные.

4.2 Синтез радиосети WCDMA с оптимальной структурой по разработанному алгоритму.

4.3 Оценка времени решения задачи.

4.4 Рекомендации по наращиванию пропускной способности радиосети при возрастании нагрузки.

Выводы по главе 4.

В настоящее время стоит вопрос о переходе к системам подвижной связи третьего поколения (3G). Особое место среди них занимают сети UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) с радиоинтерфейсом WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), которые приняты в Российской Федерации в качестве базовых при переходе к сетям подвижной связи 3G. Так, в одобренной «Концепции развития в России систем сотовой подвижной связи.» [1], в частности, сказано: «При развёртывании сетей третьего поколения в диапазоне частот 2 ГГц в России следует ориентироваться на варианты IMT-DS с частотным дуплексным разделением, а также на варианты IMT-TC и IMT-FT с временным дуплексным разделением, разработанные ETSI в рамках UMTS и представленные в МСЭ от имени 3GPP - партнёрского проекта с участием региональных органов стандартизации . Для обслуживания "горячих пятен" - зон с высокой нагрузкой, особенно там, где требуются услуги на предельно высоких скоростях передачи до 2 Мбит/с, следует дополнительно создавать сети с радиоинтерфейсами типа IMT-TC и IMT-FT».

Появление UMTS предоставит абонентам целый ряд новых мультимедийных приложений, включая мобильный доступ в Интернет, что, несомненно, повысит требовательность абонентов к качеству услуг и придаст этапу проектирования радиосети системы UTMS исключительную важность по сравнению с аналогичным этапом строительства сотовых сетей «одной услуги» второго поколения (2G).

Эффективность функционирования радиосетей WCDMA будет определяться возможностью обеспечения наилучших технико-экономических показателей при минимальных затратах на их строительство и эксплуатацию, что невозможно без оптимизации сетевой структуры, которая должна быть согласована с характером ожидаемой нагрузки в сети. Однако даже при известной нагрузке синтез оптимальной структуры радиосети WCDMA системы UMTS является намного более сложной вычислительной задачей, чем, например, для системы GSM. Причина этого заключается в необходимости учета множества параметров, не рассматривавшихся в сетях 2G: смешанный трафик услуг с разными скоростями передачи информации, несимметричная загрузка прямого и обратного каналов трафика, разные требования к качеству для различных услуг и др. [37.39]. Дополнительную сложность задаче проектирования радиосети WCDMA придает необходимость установки большого числа базовых станций на обслуживаемой территории.

Эти новые особенности будущих сетей делают существующие методы проектирования «классических» CDMA-сетей, таких как IS-95, бесполезными для применения в случае WCDMA: усреднение основных проектных параметров, таких как вероятность радиопокрытия, вероятность блокировки вызова, допустимые задержка и вероятность ошибки в итоге приводит к сетевой структуре, не отвечающей заданным требованиям по территории и качеству услуг. В связи с этим разработка алгоритмов поиска оптимальной структуры радиосети WCDMA системы UMTS, имеющих приемлемую вычислительную сложность, является на сегодняшний день одной из актуальных задач для развития систем подвижной связи нового поколения.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования радиосети WCDMA системы подвижной связи третьего поколения UMTS на основе использования на этапе проектирования алгоритма синтеза оптимальной сетевой структуры.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить комплекс теоретических и прикладных задач исследования:

1. Провести анализ проблемы проектирования радиосетей WCDMA и на его основе обосновать и формализовать критерий оптимальности сетевой структуры.

2. Разработать модель абонентского трафика радиосети WCDMA.

3. Разработать инженерную методику выравнивания дальностей связи в радиоканалах соты радиосети WCDMA.

4. Разработать алгоритм синтеза оптимальной по выбранному критерию структуры радиосети WCDMA и определить его рабочие характеристики.

5. Выработать и обосновать практические рекомендации по применению разработанного алгоритма.

6. Синтезировать с использованием разработанного алгоритма радиосеть WCDMA с оптимальной по выбранному критерию структурой для опытной зоны системы UMTS.

Для решения поставленных задач исследования использовались положения теории множеств, теории вероятностей, теории массового обслуживания, математический аппарат анализа монотонных систем, вычислительной математики и комбинаторики.

Научная новизна работы

1. Разработана модель абонентского трафика для сетей подвижной связи третьего поколения, позволяющая аналитически оценивать зоны обслуживания базовых станций для услуг, требующих различных скоростей передачи информации. В отличие от имитационных моделей абонентского трафика, используемых в зарубежных системах автоматизированного проектирования сетей третьего поколения и требующих значительных вычислительных мощностей, предложенная модель позволяет упростить получение оценки зон обслуживания базовых станций.

2. Разработана инженерная методика выравнивания дальностей связи в прямом и обратном каналах трафика для заданных видов услуг, позволяющая при известной модели трафика и заданных параметрах его обслуживания формализовать процесс настройки рабочих характеристик приемопередатчиков базовых станций радиосети WCDMA. Применение данной методики обеспечивает в каждой соте равные, максимально возможные дальности связи в прямом и обратном каналах трафика для заданных видов услуг, что необходимо для минимизации числа базовых станций в радиосети.

3. В результате применения математического аппарата анализа монотонных систем получен алгоритм синтеза оптимальной структуры радиосети WCDMA по критерию минимального числа базовых станций при удовлетворении заданных системных параметров: полосы радиочастот, территории обслуживания и качества услуг. В отличие от известных методов проектирования радиосетей, применение разработанного алгоритма исключает субъективизм при выборе местоположений базовых станций и существенно сокращает сроки проектирования.

Практическая значимость работы

Полученные в работе научные результаты дают возможность осуществить практическую разработку радиосети WCDMA системы UMTS с высокоэффективным использованием частотного и аппаратного ресурсов, что обеспечит повышение технико-экономической эффективности таких систем. Результаты диссертационной работы могут быть также использованы при проектировании радиосетей систем подвижной связи третьего поколения, построенных на других стандартах IMT-2000 с кодовым разделением каналов, в частности, сетей стандарта IMT-MC (проект cdma2000).

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационных исследований внедрены:

- в системе автоматизированного проектирования и анализа электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств (РЭС) сетей сухопутной подвижной связи «Радиозона», разработанной в Центре анализа электромагнитной совместимости (ЦА ЭМС) НИИ Радио Министерства РФ по связи и информатизации;

- в инженерных методиках проектирования сетей сухопутной подвижной связи третьего поколения на основе радиоинтерфейса WCDMA в Государственном специализированном проектном институте радио и телевидения (ГСПИ-РТВ).

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях по проблемам развития подвижной связи и ЭМС (Конференция на международной выставке-ярмарке «Инновации-98», Москва, ВВЦ (пав. №69), октябрь 1998, Международная научно-техническая конференция "Перспективы создания в России сетей подвижной связи 3-го поколения", Мальта, сентябрь 1999 г.; Международная конференция «Мобильная связь в странах-членах СНГ. Тенденции развития и интеграции», ноябрь 2000 г., Москва; Международная научно-технической конференция «Мобильная связь XXI века: 2G/2,5G/3G», апрель 2002, Лимассол, Кипр, а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МТУСИ (Москва, 1999,2002 гг.).

Публикации результатов

Основные результаты исследования опубликованы в 7 печатных работах [3.8, 15], в том числе в статьях центральной печати и трудах Международных конференций.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений. Работа изложена на 145 страницах, содержит 32 рисунка, список литературы из 76 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Рассмотренный пример синтеза оптимальной структуры радиосети \YCDMA по критерию минимального числа базовых станций при заданных системных параметрах для г. Иваново показал, что применение для этого разработанного алгоритма позволяет значительно снизить вычислительную сложность данной задачи.

2. На современных ЭВМ время синтеза радиосети \YCDMA с оптимальной по выбранному критерию структурой по разработанному алгоритму для среднего города, в котором можно выделить менее 100 потенциальных мест установки БС, составляет около одних суток. Это является вполне приемлемым с учетом того, что данная процедура выполняется единожды при разработке начальной конфигурации радиосети \VCDMA.

3. Модернизация оборудования базовой станции позволяет при возрастании нагрузки увеличить ее емкость по сравнению с начальной конфигурацией до 25 раз. Это обуславливает исключительную важность синтеза исходной структуры радиосети с минимально возможным при заданных системных параметрах числом БС на уровне макросот, местоположения которых детально согласованы с ожидаемой территориальной плотностью нагрузки в сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными научными результатами, полученными в диссертационной работе, являются следующие:

1. На основе анализа проблемы проектирования радиосетей \VCDMA предложен и обоснован критерий оптимальности сетевой структуры, состоящий в минимизации числа базовых станций при удовлетворении заданных системных параметров: полосы радиочастот, территории обслуживания, качества услуг.

2. Разработана модель абонентского трафика для сетей подвижной связи третьего поколения, позволяющая аналитически оценивать зоны обслуживания базовых станций для услуг, требующих различных скоростей передачи информации. Предложенная модель позволяет упростить получение оценки зон обслуживания базовых станций, что необходимо при анализе большого числа потенциальных мест установки базовых станций в крупных городах. Модель учитывает максимально допустимые вероятности блокировки вызова различных услуг на радиоинтерфейсе и суточную миграцию территориальной плотности трафика.

3. Разработана инженерная методика выравнивания дальностей связи в прямом и обратном каналах трафика для заданных видов услуг. Предложенная методика позволяет при известной модели трафика и заданных характеристиках его обслуживания формализовать процесс настройки рабочих характеристик приемопередатчиков БС для обеспечения равных, максимально возможных дальностей связи в прямом и обратном каналах трафика для заданных видов услуг. Данное условие является необходимым для минимизации числа БС в радиосети и удовлетворения требования по качеству, состоящего в предоставлении заданных видов услуг на всей территории обслуживания.

4. На основе теоретической модели монотонных систем разработан алгоритм синтеза оптимальной структуры радиосети ^\УСВМА по критерию минимального числа базовых станций при заданных системных параметрах. Алгоритм имеет полиномиальную вычислительную сложность. При известной модели абонентского трафика, позволяющей оценивать зоны обслуживания БС, он позволяет эффективно, без применения перебора, синтезировать оптимальную по выбранному критерию структуру радиосети \VCDMA.

Преимущества, характеризующие эффективность разработанного алгоритма синтеза, состоят в следующем:

- исключается субъективизм при выборе местоположений базовых станций;

- повышается качество проекта за счет оптимизации структуры радиосети;

- существенно сокращаются сроки проектирования.

5. Выработаны практические рекомендациями по применению разработанного алгоритма синтеза, охватывающие вопросы принятия стратегии развертывания радиосети, задания модели абонентского трафика и выбора потенциальных мест установки базовых станций на уровне макросот.

6. Рассмотренный пример синтеза радиосети \VCDMA с оптимальной по выбранному критерию структурой для г. Иваново показал, что на современных ЭВМ время счета по разработанному алгоритму для среднего города с потенциальным числом мест установки базовых станций менее 100 занимает около одних суток, что может считаться вполне приемлемым, так как данная процедура выполняется единожды при разработке начальной конфигурации радиосети \VCDMA на уровне макросот.

1. Концепция развития в России систем сотовой подвижной связи общего пользования на период до 2010 года. Одобрена Решением ГКЭС № 19 в ноябре 2000 г.

2. Муллат И.Э. Экстремальные подсистемы монотонных систем // Автоматика и телемеханика . 1976. - №5, №8.

3. Гуляев A.B. Эволюция методического подхода к проектированию подсистемы радиодоступа при переходе от сетей 2G к 3G // Мобильные системы. 2002. - №7.

4. Гуляев A.B., Шорин O.A. Новые технические требования к проектированию подсистемы радиодоступа сетей 3G по сравнению с сетями 2G / Труды международной конференции «Мобильная связь XXI века: 2G/2,5G/3G». Кипр, апрель 2002.

5. Гуляев A.B., Шорин O.A. Синтез оптимальной сети радиодоступа WCDMA при известной модели нагрузки // Электросвязь. 2002. - №9.

6. Гуляев A.B., Дудукин С.Н., Тихвинский В.О. Особенности частотно-территориального планирования сетей подвижной связи третьего поколения // Мобильные Системы. 2000. -№12.

7. Гуляев A.B., Дудукин С.Н., Смирнов Н.В. Проблемы ЭМС сетей UMTS с радиосистемами в диапазоне 2ГГц в России // Труды международной научно-технической конференции "Перспективы создания в России сетей подвижной связи 3-го поколения". Мальта, сентябрь 1999.

8. Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. М.: Эко-трендз, 2001.

9. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Зимина Д.Б. М.: Радио и связь, 2000.

10. Материалы веб-сайтов: www.forsk.com,www.lstelcom.com,www.celplan.com, www.wavecall.com.

11. Материалы веб-сайта www.sotovik.ru.

12. Шинаков Ю.С., Маковеева М.М. Системы связи с подвижными объектами / Учебное пособие для ВУЗов. М.: Радио и связь, 2002.

13. Анпилогов В.Р. Немного о вреде сотового телефона и нормировании излучения. М.: Висат-Тел, 2001. Адрес статьи в Интернет: http://www.vsat-tel.ru/sot-tel.htm.

14. Ратынский М.В., Телегин A.B. Телефон в кармане / Под ред. Зимина Д.Б. М.: Радио и связь, 2000.

15. Тихвинский В.О. Сети подвижной связи третьего поколения: экономические и технические аспекты развития в России. М.: Радио и связь, 2001.

16. Использование радиочастотного спектра и развитие в России сетей подвижной связи 3-го поколения / Под ред. Зубарева Ю.Б., Быховского М.А.

17. Сухопутная подвижная радиосвязь. Книги 1,2. / Под общ. ред. Семенихина В.В. и Пышкина И.М. М.: Радио и связь, 1990.

18. Ли Уильям К. Техника подвижных систем связи / Пер. с англ., под ред. Пышкина И.М. -М.: Радио и связь, 1985.

19. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. радио, 1966.

20. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970.

21. Харкевич A.A. Основы радиотехники. -М.: Сов. радио, 1962.

22. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации / Под ред. Пестрякова В.В. -М.: Сов. радио, 1973.

23. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.

24. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. М.: Связь, 1972.

25. Зюко А.Г., Коробов Ю.Ф. Теория передачи сигналов. М.: Связь, 1972.

26. Немировский М.С. Цифровая передача информации в радиосвязи. М.: Связь, 1980.

27. Теория и методы оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств / Под ред. Феоктистова Ю.А. М.: Радио и связь, 1988.

28. Радиопередающие устройства / Под ред. Шахгильдяна В.В. Учебник для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1990.

29. Радиоприемные устройства / Под ред. Фомина H.H. Учебник для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1996.

30. Сухарев А.Г., Тимохов A.B., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. М.: Наука, 1986.

31. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. -М.: Наука, 1986.

32. Англо-русский словарь сокращений по связи и радиоэлектроники / Под ред. Воройского Ф.С. М.: Воениздат, 1989.

33. Т. Ojanpera, R. Prasad. Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications. -London: Artech House Publishers, 1998.

34. H. Holma, A. Toskala. WCDMA for UMTS. Radio Access for Third Generation Mobile Communicatons. London: Wiley, 2001.

35. T. Ojanpera, R. Prasad. WCDMA: Towards IP Mobility and Mobile Internet. London: -Artech House Publishers, 2000.

36. R. Prasad, W. Mohr, W. Konhauser. Third Generation Mobile Communication Systems. -London: Artech House Publishers, 2000.

37. A Regulatory Framework for UMTS / UMTS Forum Report № 1, 1997.

38. The Future Mobile Market: Global trends and developments with a focus on Western Europe / UMTS Forum Report № 8, 1999.

39. ERC Decision of 30 June 1997 on the Frequency Bands for the Introduction of the Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) (ERC/DEC/(97)07).

40. ERC Decision of 29 November 1999 on the Harmonized Utilization of Spectrum for Terrestrial Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) operation within the bands 1900 1980 MHz, 2010 - 2025 MHz, 2110 - 1270 MHz (ERC/DEC/(99)25).

41. ERC Decision of 19 October 2000 on the Licensing and Global Circulation and Use of IMT-2000 terrestrial and satellite mobile terminals (ERC/DEC/(00)06).

42. R. Hoppe, H. Buddendick, G. Wolfle, F. Landstorfer. Dynamic Simulator for Studying WCDMA Radio Networtk Performance // Proceedings of IEEE Vehicular Technologies Conference (VTC 2001). 2001.

43. S. Ghorashi, E. Homayounvala, F. Said, A Aghvami. Dynamic Simulator for Studying WCDMA Based Hierarchical Cell Structures // Proceedings of IEEE Vehicular Technologies Conference (VTC'02). 2002.

44. Wacker, J. Laiho, K. Sipila, M. Jasberg. Static Simulator for Studying WCDMA Radio Network Planning Issues // Proceedings of IEEE Vehicular Technologies Conference (VTC'99). -Houston,Texas. 1999.

45. S. Dehghan, D. Lister, R. Owen and P. Jones. WCDMA capacity and planning issues // IEEE & Communication Engineering Journal. -2000.-vol. 12.-№.3.

46. J. Laiho, A. Wacker, K. Sipila, K. Heiska. The Impact of the Subscriber Profile on WCDMA Radio Network Performance / Proceedings of IEEE Vehicular Technologies Conference, (VTC'99). Houston, Texas. - 1999.

47. Pre-existing knowledge. Deliverable D0.1. Project "Models and Simulations for Network Planning and Control of UMTS" / Information report number: IST-2000-28088-MOMENTUM-D01-PUB.-2002.

48. S. Hamalainen, H. Lilja, J. Lokio. Performance of a CDMA Based Hierarchical Cell Structure Network // Proceedings of PIMRC'97. Helsinki, Finland. - September 1997.

49. IMT-2000 Traffic Model Characteristics / Doc. ITU-R 8F/TEMP/79-E.

50. Adjacent band compatibility between UMTS and other services in the 2 GHz band / ERC1. Report № 65.

51. Parsons J. The Mobile Radio Propagation Channel. London: Pentech Press, 1992.

52. Jakes, W.C., Microwave Mobile Communications New York: Wiley, 1974.

53. Rege K., S. Nanda, C.F. Weaver и W.C. Peng. Analysis for Fade Margins for Soft and Hard Handoffs // Proceedings of IEEE 6th Personal, Indoor and Mobile Radio Communications Conference (PIMRC'95). Toronto, Canada. - 1995.

54. Procedures for simulation mature deployment of cellular networks in the mobile service. / Doc ITU-R 8F/24-E. 2000.

55. Method for Point-to-Area Predictions for Terrestrial Services in the Frequency Range 30 to 3000 MHz / Recommendation ITU-R P.l 546. 2001.

56. UMTS/IMT-2000 Spectrum / UMTS-Forum Report №6, 1998.

57. Modelling Feasible Network Configurations for UMTS / Project IST-2000-28088-MOMENTUM, ZIB-Report 02-16, 2002.

58. E. Amaldi, A. Capone, and F. Malucelli. Base station configuration and location problems in UMTS networks. // Proceedings of the 9th International Conference on Telecommunication Systems, pages 341-348, Dallas, USA, March 2001.

59. E. Berruto, M. Gudmundson, R. Menolascino, W. Mohr, and M. Pizarroso. Research activities on UMTS radio interface, network architectures, and planning. // IEEE Communications Magazine, 36(2):82-95, February 1998.

60. S. Fallot-Josselin. Automatic radio network planning in the context of 3rd generation mobile systems. // COST 259 (WG3) 98TD 102, September 1998. Publication from ACOI6-STROMS.

61. M. Galota, C. GlaBer, K. Leibnitz, S. Reith, P. Tran-Gia, H. Vollmer, and K. W. Wagner. Base station positioning in UMTS networks: an optimization framework. // Technical report, University ofWurzburg, Germany, 2000.

62. Howitt and H. Seung-Yong. Base station location optimization. // IEEE Vehicular Technology Conference, 4(50):2067-2071, 1999.

63. R. Mathar and M. Schmeink. Optimal base station positioning and channel assignment for 3G mobile networks by integer programming. // Technical report, RWTH Aachen, Germany, 2000.