автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка метода и алгоритмов расчета радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА РАДИОПОКРЫТИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СОТОВЫХ СЕТЕЙ

СВЯЗИ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 МАР Ж

Воронеж - 2012

005013142

Работа выполнена в НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий»

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Савинков Андрей Юрьевич

Официальные оппоненты: Тихомиров Николай Михайлович,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, ОАО «Концерн «Созвездие», начальник научно-технического центра;

Каюков Игорь Васильевич, кандидат технических наук, ЗАО «ИРКОС»,

руководитель научно-исследовательской лаборатории

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный университет»

Защита состоится 12 апреля 2012 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан О? марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ускоренное развитие широкополосного доступа, в том числе систем беспроводного доступа WiMAX и LTE, необходимо для развития экономики, медицины, образования, повышения качества жизни населения, решения задач национальной безопасности. Для достижения контрольных значений, установленных Стратегией развития информационного общества в Российской Федерации, утвержденной Президентом Российской Феде рации 7 февраля 2008 г. (Пр-212), необходимо до 2015 года развернуть значительное число сетей беспроводного широкополосного доступа.

Мультисервисные сотовые сети способны предоставить пользователям широкий набор услуг, в том числе мобильный широкополосный доступ в Интернет и видеозвонки, но при этом предъявляют высокие требования к качеству канала связи и размещению базовых станций. Кроме того, высокая плотность пользователей особенно в городских условиях и значительный объем данных реального времени делают критичным вопрос эффективности использования частотно-временного ресурса сети. При этом высокая стоимость обслуживающего оборудования беспроводных телекоммуникационных систем широкополосного доступа делает актуальным вопрос оптимизации размещения базовых станций при минимально возможном их числе.

Развертывание сетей беспроводного широкополосного доступа значительно упрощается при использовании компьютерных инструментов радиопланирования, которые позволяют еще на этапе проектирования сети осуществить расчет и анализ отдельных характеристик радиопокрытия и определить оптимальную топологию разворачиваемой сети.

На сегодняшний день существующие методы радиопланирования разделяют по типу применяемых в них моделях и алгоритмов на детерминированные, квазидетерминированные и статистические. Использование детерминированных и квазидетерминированных методов радиопланирования обеспечивает высокую точность и полноту анализа характеристик радиопокрытия, но при этом требует значительного количества времени проведения расчетов даже при применении высокопроизводительных вычислительных средств. Проведение радиопланирования с использованием статистических методов требует гораздо меньшего времени, что обусловливает возможность их широкого применения, но при этом статистические методы не обеспечивают достаточную точность и полноту расчета харакетристик радиопокрытия, что затрудняет их применение для радиопланирования перспективных сотовых сетей, в том числе четвертого поколения.

Для повышения полноты производимого радиопланирования беспроводных телекоммуникационных сетей при использовании статистических математических моделей затухания сигнала в диссертации предлагается метод анализа радиопокрытия, включающий в себя алгоритмы расчета характеристик покрытия, учитывающие адаптивную регулировку мощности излучения абонентских

терминалов и применение в современных телекоммуникационных сетях многоуровневых схем кодирования и модуляции. Кроме того, предлагаемый метод включает в себя алгоритм коррекции параметров статистических моделей затухания на основе данных экспериментальных измерений уровня сигнала в сотовых сетях связи, позволяющий повысить точность расчета характеристик радиопокрытия при использовании статистического подхода без значительного увеличения вычислительных затрат.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловливается повышенным интересом, как к самим мультисервисным сотовым сетям связи, в т.ч. как к средству информатизации общества и различных отраслей экономики, так и к средствам радиопланирования мультисервисных сотовых систем и способам оптимизации применяемых в них методов с целью обеспечения наибольшей полноты и точности радиопокрытия при приемлемых вычислительных затратах.

Работа выполнена в Международном институте компьютерных технологий в рамках одного из основных научных направлений «Интеллектуальные технологии и информационные системы».

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка метода анализа радиопокрытия мультисервисных телекоммуникационных систем связи, основанного на статистическом подходе и учитывающего типовые процессы и характеристики мультисервисной сотовой системы связи.

Для достижения поставленной цели предполагается осуществить решение следующего ряда задач:

1. Произвести анализ и обзор методов радиопланирования и математических моделей распространения сигнала в условиях городской застройки.

2. Разработать метод анализа радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, обеспечивающий требуемую точность расчета характеристик покрытия при использовании статистических моделей и учитывающий адаптивные механизмы изменения параметров сигнала.

3. Разработать численные алгоритмы расчета отдельных характеристик покрытия сотовых сетей связи с учетом адаптивной подстройки параметров передачи мультисервисного трафика.

4. Разработать алгоритм коррекции параметров статистических моделей распространения сигнала с использованием результатов экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия.

5. Разработать программный комплекс моделирования радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, реализующий алгоритмы расчета радиопокрытия и произвести анализ и верификацию полученных результатов моделирования.

Объект и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования являются мультисервисные сотовые системы связи. Предмет исследова-

ния - методы расчета радиопокрытия, а также функциональные процессы и характеристики мультисервисных сотовых сетей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы аппарат вычислительной математики, методы математического моделирования и принципы объектно-ориентированного проектирования и программирования на языке С++.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

разработан метод анализа радиопокрытия беспроводных мультисервисных сетей, обеспечивающий требуемую точность расчета характеристик покрытия при применении статистических моделей распространения сигнала и отличающийся возможностью учета механизмов динамической подстройки параметров передачи мультисервисного трафика;

разработан алгоритм расчета зоны покрытия в прямом канале мультисер-висной сотовой системы связи, отличающийся учетом адаптивной регулировки параметров многоуровневой модуляции и кодирования;

разработан алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале мульти-сервисной сотовой системы связи, отличающийся возможностью учета адаптивного изменения параметров модуляции и кодирования, а также уровня мощности излучения абонентских терминалов;

впервые предложен алгоритм коррекции параметров статистической модели распространения сигнала с использованием данных экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия сети, получаемых от подвижной лаборатории, оборудованной системой позиционирования и временной синхронизации на основе ГЛОНАСС.

Практическая значимость и реализация результатов работы. В работе предложен метод расчета характеристик радиопокрытия мультисервисных сотовых систем, использующий статистические модели и позволяющий учитывать мультисервисный характер сети, неравномерную загруженность частотно-временного ресурса, а также адаптивный выбор используемых многоуровневых схем модуляции и кодирования и уровня мощности передатчика абонентских терминалов.

На основе предложенного метода был разработан программный комплекс моделирования радиопокрытия беспроводных мультисервисных сетей, зарегистрированный в Реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам - свидетельство № 2011610043. С помощью данного комплекса был проведен расчет радиопокрытия опытного района системы 1ЕЕЕ802.16е, по итогам которого была определена возможность использования как метода, так и комплекса для расчета радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей.

Кроме того, в ходе выполнения диссертационной работы был разработан способ оценки канала с решающей обратной связью в системе беспроводной

связи, позволяющий за счет использования при оценке канала не только пилотных сигналов, но и информационных данных значительно улучшить качество оценки канала. Способ защищен патентом РФ № 2405254.

Степень обоснованности и достоверности результатов. Достоверность исследования основана на использовании методов математического моделирования, аппарата вычислительной математики, методов системного анализа.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждена проведенной верификацией результатов расчета с экспериментальными измерениями характеристик радиопокрытия.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международной научно-технической конференции «Радилокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011), научно-практической конференции «Связь и телекоммуникации - инновационное развитие регионов» (Воронеж, 2011), а также были представлены на международной выставке «Связь-Экспокомм» (Москва, 2010).

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод анализа радиопокрытия сотовых телекоммуникационных сетей связи, обеспечивающий заданную точность расчетов характеристик покрытия при использовании статистических моделей распространения сигнала и учитывающий динамические характеристики параметров передачи мультисер-висного трафика.

2. Алгоритм расчета зоны покрытия в прямом канале сотовой сети связи, позволяющий учесть механизм адаптивного выбора применяемой схемы канального кодирования и модуляции.

3. Алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале сотовой сети связи, осуществляющий учет влияния на покрытие адаптивной регулировки уровня мощности излучения абонентских терминалов и параметров кодирования и модуляции.

4. Алгоритм коррекции параметров математических моделей распространения сигнала в городских условиях с использованием результатов экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия.

5. Программный комплекс моделирования и визуализации радиопокрытия телекоммуникационных сетей связи четвертого поколения, основанный на разработанных алгоритмах и осуществляющий графическое отображение результатов расчета различных характеристик радиопокрытия.

6. Результаты моделирования и анализа различных характеристик радиопокрытия, полученных с помощью разработанного программного комплекса и скорректированной модели распространения сигнала в условиях городской застройки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение и

1 свидетельство об официальной регистрации программы, выданное Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,9,10] - метод расчета радиопокрытия систем связи, учитывающий адаптивные процессы функционирования мульти-сервисных сетей; [2,3] - практическая реализация рассматриваемых алгоритмов; [6] - оценка эффективности разработанного метода расчета радиопокрытия; [7] - обзор моделей распространения сигнала, и обоснование выбора оптимальной модели для применения при расчете радиопокрытия систем связи четвертого поколения; [12] - алгоритм оптимизации параметров модели затухания сигнала. При разработке программы [5] личный вклад автора состоит в реализации разработанных алгоритмов в коде и отладке программы. При написании патента [4] лично автором было произведено моделирование существующих и разработанного методов оценки канала.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 120 наименований. Основная часть работы изложена на 150 страницах, содержит 2 таблицы и 43 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, формулируются цель и задачи, научная новизна, практическая ценность, положения, выносимые на защиту.

В первой главе осуществляется краткий обзор этапов эволюции беспроводных сотовых систем связи. Рассмотрены основные поколения стандартов связи, для каждого из которых приведены примеры систем связи, с указанием отдельных особенностей функционирования и характера предоставляемых сервисов.

Рассмотрено развитие комплексов радиопланирования, указаны особенности проведения радиопланирования наиболее распространенных сетей связи различных поколений. Приведены основные принципы радиопланирования и осуществлено введение в терминологию.

Представлена обобщенная структура и отдельные компоненты комплекса анализа радиопокрытия. Рассмотрены основные методы расчета радиопокрытия беспроводной сети и проведен анализ достоинств и недостатков данных методов, а также определена область их применимости. Была обозначена область производимого исследования, направленная на расширение функциональных возможностей статистических методов расчета радиопокрытия мультисервис-ных сотовых сетей.

Проведен обзор математических моделей, применяемых при расчете характеристик радиопокрытия сети, при этом особое внимание было уделено рассмотрению моделей распространения сигнала. В соответствии с классификацией моделей распространения сигнала, представленной на рис. 1, различают три вида моделей: детерминированные, квазидетерминированные и статистические.

Рис. 1. Классификация моделей распространения сигнала

Детерминированные и квазидетерминированные модели являются наиболее точными, но при этом и наиболее сложными в реализации и предъявляющими высокие требования к вычислительной мощности применяемых платформ. Статистические модели более просты в реализации, при этом достигаемая точность расчета оказывается ниже, чем при использовании детерминированных и квазидетерминированных моделей. В основе статистических моделей лежит аппроксимация усредненных результатов измерения затухания сигнала уже развернутых сетей с известными характеристиками оборудования и топологией.

В соответствии с поставленной задачей разработки метода анализа радиопокрытия, обеспечивающего требуемую точность расчетов при использовании статистического подхода, был осуществлен обзор наиболее распространенных статистических моделей распространения сигнала (рис. 2).

170

160

^150

и

I 140

М 130

120

110

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Дистанция, км

Рис. 2. Кривые затухания сигнала

Как видно из рис. 2 характеристики затухания сигнала рассматриваемых моделей при одинаковых условиях расчета имеют расхождение до 25 дБ, что делает актуальным задачу оптимального выбора модели затухания для использования при расчете радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей. Для оп-

ределения оптимальной модели затухания сигнала было осуществлено сравнение области применимости каждой рассмотренной модели по основным параметрам.

Вторая глава посвящена определению процессов функционирования мультисервисных сетей, влияющих на радиопокрытие сети, описанию основных характеристик пользователей и сервисов, разработке метода расчета радиопокрытия с учетом составленных описаний, а также метода коррекции параметров модели распространения сигнала по экспериментальным измерениям.

Разрабатываемый метод анализа радиопокрытия предполагает разбиение всей области анализа на М отдельных элементов расчета. В состав метода анализа радиопокрытия входит алгоритм расчета зоны обслуживания, определяемой по уровню принимаемой мощности сигнала базовой станции (БС):

Р(^-РГ г °вАп)РаЛп.Пп)

ипУП) - гпЬВ5ЬАТ- ~ -,

где Г; - координаты ¿-й точки анализа; й„ - координаты п-й БС; Рп - мощность передатчика; СВ5 - коэффициент усиления антенны БС; йАТ - коэффициент усиления антенны абонентского терминала (АТ); - диаграмма направленности антенны БС; 0АТ - диаграмма направленности антенны АТ; I, - потери мощности на распространение. Элемент анализа считается находящимся в зоне обслуживания сети, если принимаемая мощность сигнала какой-либо БС оказывается выше порога чувствительности приемного оборудования АТ и выполняется условие прямой видимости до антенны БС.

Зона покрытия каждой БС определяется по уровню отношения мощности сигнала к мощности шума и помех для каждого частотного канала. Выбрав для каждого частотного канала те БС, уровень сигнала которых в рассматриваемом ( —м элементе расчета является максимальным, получим вектор идентификаторов БС кандидатов птахг При этом в прямом канале для сигналов каждого из них помехой выступают сигналы других БС, работающих в том же частотном канале:

РшегпМ = £ пеяк рп(?д-

Л*П ш„([1с]

Таким образом, отношения сигналДшум+помеха) рассчитываются по следующей формуле:

= Р РпЦ^Р . -

г1Шег1(1л] + ' поие

где РпшиДуЮ - мощность сигнала БС кандидата, работающей в к-м частотном канапе; Рп<те - уровень шума. Полученный в результате вектор будет содержать значения рассчитанного уровня отношения сигнал/(шум+помеха) для каждого частотного канала. После выбора максимального из них определя-

ется та БС, в зоне покрытая которой находится рассматриваемый i —й элемент анализа. Канальная скорость, определяемая выбранной схемой модуляции и кодирования, может быть рассчитана с помощью табличной функции зависимости от отношения сигнал/(шум+помеха), что в общем виде может быть записано следующим образом:

Rj.n = f{SlNRj.n),

где Rjn - канальная скорость в j —м элементе расчета, обслуживаемого п —й БС. При этом производить расчет отношения сигнап/(шум+помеха) необходимо с учетом загруженности каждой БС:

SlNRj„ = —--,

Lk*n Рk\J~j) Yk + Рnoise где —коэффициент загруженности к -й БС:

= 1т*т.к = S у

Yk R0 Nused zL F(SlNRmk) ' где R0 - общая емкость канала; S — площадь элемента расчета; NUsed — общее число поднесущих в канале; NServ — кол-во предоставляемых сервисов; R — вектор значений канальной скорости, требуемой для предоставления каждого сервиса; v — вектор плотности распределения каждого сервиса; цк - подмножество элементов расчета зоны обслуживания к-й БС; F - функция, имитирующая работу планировщика ресурсов. В разрабатываемом методе расчета радиопокрытия предлагается в качестве имитируемого алгоритма распределения ресурсов использовать пропорциональный алгоритм, в котором критерием будет являться состояние канала, а именно отношение сигнап/(шум+помеха), исходя из которого каждому элементу расчета будет назначаться максимально возможная скорость передачи информации, в соответствие с которой может быть рассчитан требуемый объем частотно-временного ресурса.

Таким образом, выражение для расчета канальной скорости может быть записано в следующем виде:

R - f

~~ \ --Em Km к-

\Ek*n Лс(*},л) mR™ + Pnoise у

Записав соответствующее выражение для каждого элемента расчета, получим следующую систему нелинейных уравнений:

Ли =/

«2.1=/

Лм.,1 = Л

I "о '

Р1СГ2Д)

РгСгм.л) Р2(Г1.2)

= г

РIч(гМ/,л) Хтп

Ко

\11к*Ы Рк(.гМц,ы)

где Мк - мощность множества

Векторная форма записи приведенной системы нелинейных уравнений имеет вид

Я = /(Я).

Наиболее оптимальным методом решения системы нелинейных уравнений, имеющих приведенную форму записи, является метод простых итераций. В качестве начальных условий итеративного алгоритма расчета примем результаты, полученные при расчете зон обслуживания сети, выполненном для варианта полной загруженности каждой БС.

Ввиду сложности аналитической записи функции /, задаваемой табличным способом и определяемой выбранным алгоритмом работы планировщика ресурсов, невозможно произвести дифференцирование и оценить сходимость, поэтому скорость сходимости алгоритма определяется экспериментально.

Отметим, что для расчета покрытия в обратном канале используется аналогичный итеративный алгоритм, но помимо учета регулировки канальной скорости осуществляется еще и учет регулировки мощности передатчика. Поэтому для каждого элемента анализа отношение сигнал/(шум+помеха) в прямом и обратном каналах является величиной, зависимой от коэффициента загруженности других БС и уровня мощности АТ, обслуживаемых другими БС, работающими в том же частотном канале.

Также во второй главе описывается алгоритм расчета зон гарантированного предоставления рассматриваемых сервисов с заданным качеством с учетом логнормальных замираний в канале. Для каждого сервиса в рассматриваемом элементе расчета рассчитывается вероятность отказа в обслуживании

Рг(5/Л/К < Л) = Рг^ < ^(/1 - БШНо)^ = - ЯШКо)).

где 5ШК - уровень отношения сигнал/(шум+помеха) с учетом логнормальных замираний; к - порог, определяющий требуемое качество связи для рассматриваемого сервиса; 5/Л№0 - отношение сигнал/(шум+помеха), вычисленное в соответствии с принятой моделью потерь и не учитывающее наличие логнормальных замираний; Ф(х~) - интеграл вероятности. Если рассчитанное значение вероятности оказывается выше порога вероятности отказа для рассматриваемого сервиса, то текущий элемент анализа считается находящимся в зоне гарантированного предоставления сервиса.

Вторая глава также содержит описание метода корректировки параметров модели затухания сигнала на основе результатов экспериментальных измерений, полученных с помощью мобильной лаборатории представляющей собой подвижный программно-технический комплекс мониторинга покрытия сетей четвертого поколения. Одним из основных параметров, измеряемых мобильной лабораторией, является уровень принятого сигнала РК, с помощью которого осуществляется расчет затухания сигнала в точке измерения:

Ро " ^вз(ввм,авм) • Ом$(0мв,амв) • СВ5 • См$

Произведя соответствующие вычисления и определив расстояние до обслуживающей БС для каждой точки измерения, получим совокупность пар значений расстояния и затухания Обозначим вектор полученных пар как Л = [¿1(^1,^1), Аг (^.{г)» где N - объем экспериментальной выборки.

Для снижения влияния существенных выбросов значений затухания при дальнейших расчетах производится медианная фильтрация выборки Л.

В общем случае, зависимость затухания сигнала от расстояния имеет вид ¿,(<0 = а + Ь\оё10(с1).

Используя экспериментальную выборку, оценим для этой модели значения коэффициентов а и Ь, при которых она бы имела наименьшее расхождение с экспериментальной выборкой, т.е. найдем минимум следующей функции:

N

= а -Ыо810№)]2,

¡=1

где и содержимое [ —го отсчета выборки Л'. Решив методом Гаусса систему линейных уравнений, составленную из частных производных функции 65{а, Ь), получим значения а0 и Ь0, соответствующие минимуму функции

б5(а,Ь). Для определения оптимальных значений параметров выбранной модели используется функция невязки рассматриваемой модели с упрощенной моделью

N ¿=1

где Цуд{Яі,р) - выбранная модель затухания с набором параметров р.

Для поиска минимума функции ХмІР) предполагается использование численного метода координатного спуска.

Третья глава содержит описание алгоритмов разрабатываемого метода расчета радиопокрытия и описание разработанного программного комплекса. Была представлена модульная структура (рис. 3) разрабатываемого программного комплекса.

Рис. 3. Структура программного комплекса моделирования радиопокрытия

В третьей главе приведена обобщенная блок-схема расчета характеристик радиопкрытия в соответствии с разработанным методом (рис. 4). Также представлены блок-схемы алгоритмов расчета зоны обслуживания сети, зон покрытия в прямом и обратном канале и алгоритма определения области гарантированного предоставления сервисов с заданным качеством.

Рис. 4. Блок-схема расчета характеристик радиопокрытия

Определены требования к языку программирования, на котором возможна наиболее эффективная реализация разработанного метода. Осуществлен обзор наиболее распространенных языков программирования и определен наиболее оптимальный язык (С++) для разработки проблемно-ориентированного программного комплекса анализа радиопокрытия, основанного на разработанном методе. Поскольку при разработке комплекса широко применялись принципы объектно-ориентированного программирования, то в третьей главе приведены иерархия и спецификация реализованных классов в краткой нотации Буча с описанием характеристик каждого класса.

Четвертая глава посвящена обсуждению результатов моделирования радиопокрытия сети четвертого поколения, полученных с помощью разработанного программного комплекса. В качестве анализируемой сети был выбран опытный район системы IEEE 802.1 бе «AstraMAX» в г. Воронеже.

В ходе проведения моделирования радиопокрытия сети «AstraMAX» был осуществлен расчет зоны обслуживания, в т.ч. представлен профиль мощности принимаемого сигнала БС. Кроме того, была проведена верификация рассчитанного уровня принимаемого сигнала по многочисленным результатам экспериментальных измерений, по итогам которой было установлено, что величина

среднеквадратического отклонения составляет 8,43 дБм, что является приемлемой величиной, сопоставимой с погрешностью применяемых статистических моделей.

Проведенное моделирование радиопокрытия включает в себя определение зон покрытия каждой БС в прямом канале по уровню отношения мощности принимаемого сигнала к мощности шума и помех. Граница между соседними зонами покрытия разных БС представляет собой участки зоны покрытия всей сети, на которых происходит эстафетная передача абонентов. Произведена верификация рассчитанных зон покрытия, по результатам которой было установлено, что среднеквадратичное отклонение положения границ зон покрытия от точек смены обслуживающей БС составляет 76,208 м, что является весьма удовлетворительным результатом.

Четвертая глава также содержит результаты расчета зоны покрытия опытного района в обратном канале, в том числе профиль мощности излучения АТ, характерной особенностью которого является множественное изменение уровня назначаемой мощности от более высокой к более низкой и обратно, наблюдаемое при удалении от БС и обусловленное совместной работой алгоритмов регулировки мощности и адаптивных схем модуляции и кодирования.

Также для прямого и обратного каналов был произведен расчет зон гарантированного предоставления сервисов с заданным качеством. В качестве сервисов, относящихся к различным классам параметров качества обслуживания (ОоБ), рассматривались голосовая связь, передача видеопотока и предоставления широкополосного доступа. Ожидаемо, что в результате проведенного расчета, сервисы с наименьшими требованиями параметров качества характеризуются наибольшей зоной гарантированного предоставления услуг, что подтверждает адекватность разработанного алгоритма.

В четвертой главе были представлены промежуточные результаты итеративного алгоритма расчета зон покрытия как в прямом, так и в обратном канале, представляющих собой профили спектральной эффективности применяемых схем кодирования и модуляции во всей зоне покрытия сети. Отличительными особенностями полученных профилей являются характерное уменьшение спектральной эффективности применяемых схем с удалением от обслуживающей БС, обусловленное уменьшением уровня полезного сигнала, и применение более помехоустойчивых схем кодирования и модуляции в зонах с высоким уровнем внутрисистемных помех.

По полученным профилям спектральной эффективности также была осуществлена оценка эффективности разработанного метода. В качестве одного из критериев эффективности была рассмотрена скорость сходимости итеративных алгоритмов, предусмотренных разработанным методом. Для оценки скорости сходимости была рассмотрена зависимость отношения площади зоны покрытия в прямом канале к общей площади зоны обслуживания от номера итерации (рис. 5).

Номер итерации

Рис. 5. Зависимость рассчитываемой площади покрытия от номера итерации

Из рис. 5 видно, что зависимость отношения площади покрытия в прямом канале к общей площади обслуживания от числа итераций имеет затухающий колебательный асимптотический характер, доказывающий сходимость разработанного алгоритма. Итеративный алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале имеет схожие характеристики сходимости.

Также в четвертой главе была произведена оценка оптимальности выдаваемых результатов моделирования радиопокрытия сетей четвертого поколения. Поскольку в системах WiMAX и LTE используются схемы многоуровневой модуляции и кодирования с различной скоростью, обладающие различной спектральной эффективностью (от 0,5 до 4,5 бит/с/Гц), то в качестве критерия оптимальности было принято считать среднее значение спектральной эффективности применяемых схем кодирования и модуляции во всей зоне покрытия. Рассчитанное значение средней спектральной эффективности составило 2,37 бит/с/Гц, что превышает значение спектральной эффективности модуляции 16-QAM со скоростью кодирования 1/2, это в свою очередь является достаточно высоким показателем и свидетельствует о высокой эффективности использования частотно-временного ресурса.

В заключении обобщены основные теоретические и практические результаты диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационного исследования были решены поставленные задачи и получены следующие результаты:

1. Произведен анализ и обзор методов радиопланирования и математических моделей распространения сигнала в условиях городской застройки.

2. Разработан метод анализа радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, обеспечивающий требуемую точность расчета характеристик радиопокрытия при использовании статистических моделей и учитывающий адаптивные механизмы изменения параметров сигнала.

3. Разработаны численные алгоритмы расчета отдельных характеристик радиопокрытия сотовых сетей связи с учетом адаптивной подстройки параметров передачи мультисервисного трафика.

4. Предложен алгоритм коррекции параметров математических моделей распространения сигнала с использованием результатов экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия.

5. Разработан программный комплекс моделирования радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, реализующий алгоритмы расчета радиопокрытия и коррекции статистических моделей, а также произведены анализ и верификация полученных результатов моделирования.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованном ВАК РФ

1. Савинков А.Ю. Моделирование и анализ области покрытия системы WiMAX / А.Ю. Савинков, Ю.Н. Прибытков, М.А. Кириченко // Системы управления и информационные технологии: науч.-техн. журнал. -2010. №4 (42). -С.93-98.

2. Лавлинский A.A. Реализация координированного доступа к среде передачи в сетях WiFi / A.A. Лавлинский, А.Ю. Савинков, М.А. Кириченко // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. журнал. -2011. №4. -С.87-97.

3. Кириченко М.А. Обеспечение прозрачного взаимодействия узлов гетерогенной сети через беспроводной сегмент / М.А. Кириченко, С.А. Рязанов // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. журнал. -2011. №4. -С.102-108.

Патенты на гвобретение

4. Пат. 2405254 Российская Федерация МПК Н04В 7/00. Способ оценки канала с решающей обратной связью в системе беспроводной связи (варианты) / Гармонов A.B., Филатов А.Г., Моисеев С.Н., Кириченко М.А.; - №2008139579/09; заявл. 07.10.2008; опубл. 27.11.2010, Бюл.№33.-2с.: ил.

Свидетельства о регистрации программы ЭВМ

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610043 РФ. Комплекс радиопланирования и оптимизации сотовых сетей связи (КРОСС) / А.Ю. Савинков, Ю.Н. Прибытков, М.А. Кириченко. Опубл. 20.06.2011,Бюл. №2 (75).

Статьи и материалы конференций

6. Савинков А.Ю. Итеративный алгоритм расчета радиопокрытия системы WiMAX в прямом канале / А.Ю. Савинков, М.А. Кириченко // Информационные технологии моделирования и управления: науч.-техн. журнал. -2010. №6 (65) -С.822-829.

7. Прибытков Ю.Н. Обзор моделей распространения сигнала в беспроводных сетях связи 4-го поколения / Ю.Н. Прибытков, М.А. Кириченко, С.А. Рязанов // Информационные технологии моделирования и управления: науч.-техн журнал. -2011. №6 (71). -€.674-682.

8. Кириченко М.А. Верификация результатов моделирования радиопокрытия системы 4-го поколения / М.А. Кириченко II Информационные технологии моделирования и управления: науч.-техн. журнал. -2011. №5 (70). -С.528-534.

9. Моделирование и анализ области покрытия прямого канала системы связи WiMAX / А.Ю. Савинков, Ю.Н. Прибытков, М.А. Кириченко, A.A. Лавлин-ский // Радиолокация, навигация, связь: материалы XVI междунар. науч-техн конф. - Воронеж, 2010. -Т. 1. -С. 1132-1141.

10. Модолирование и анализ области покрытия обратного канала системы связи WiMAX / А.Ю. Савинков, Ю.Н. Прибытков, М.А. Кириченко, A.A. Лавлин-ский // Радиолокация, навигация, связь: материалы XVI междунар. науч-техн конф. - Воронеж, 2010. -Т. 1. -С. 1126-1132.

11. Кириченко М.А. Определение параметров модели затухания сигнала в городских условиях в диапазоне частот 2,5 ГТц / М.А. Кириченко // Радиолокация,

навигация, связь: материалы XVII междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж ">011 -

Т.2.-С.1102-1109.

12. Савинков А.Ю. Программно-технический комплекс мониторинга и верификации покрытая сетей широкополосного беспроводного доступа/ А.Ю. Савинков, Ю.Н. Прибытков, М.А. Кириченко // Связь и телекоммуникации - инновационное развитие регионов: тез. науч.-практ. конф. - Воронеж, 2011. - С. 17-18.

Подписано в печать 06.03.2012 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

61 12-5/2224

Международный институт компьютерных технологий

И

(\/ На правах рукописи

Кириченко Михаил Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА РАДИОПОКРЫТИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Савинков А.Ю.

Воронеж - 2012

Содержание

Содержание................................................................................................................ 2

Введение.....................................................................................................................4

1 Обзор беспроводных систем связи и комплексов радиопланирования........11

1.1 Развитие беспроводных подвижных сетей связи................................11

1.2 Развитие комплексов частотно-территориального планирования...............................................................................................14

1.3 Основные принципы частотно-территориального планирования...............................................................................................17

1.4 Обзор моделей распространения сигналов..........................................26

2 Метод анализа радиопокрытия бкспроводных мультисервисных сетей связи......................................................................................................................36

2.1 Определение параметров покрытия и процессов функционирования телекоммуникационной сети...................................36

2.2 Алгоритм расчета зоны обслуживания.................................................40

2.3 Итеративный алгоритм расчета зоны покрытия в прямом канале...........................................................................................................41

2.4 Итеративный алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале...........................................................................................................48

2.5 Определение зон гарантированного предоставления сервисов......... 51

2.6 Коррекция параметров модели затухания сигнала.............................53

3 Разработка программного комплекса моделирования и визуализации радиопокрытия .................................................................................................... 58

3.1 Алгоритмическое обеспечение разработанного метода анализа радиопокрытия............................................................................................58

3.2 Обоснование и выбор языка программирования................................. 74

3.3 Структура программного комплекса моделирования и визуализация радиопокрытия....................................................................81

2

3.4 Иерархия и спецификация классов программного комплекса

моделирования радиопокрытия.................................................................93

4 Результаты моделирования радиопокрытия телекоммуникационной

сети связи.............................................................................................................98

4.1 Условия моделирования радиопокрытия мультисераисной сети связи..............................................................................................................98

4.2 Результаты моделирования зоны обслуживания...............................102

4.3 Результаты моделирования зоны покрытия в прямом канале.........108

4.4 Результаты моделирования зоны покрытия в обратном канале......119

4.5 Оценка эффективности разработанного метода анализа радиопокрытия..........................................................................................131

Заключение............................................................................................................136

Список использованных источников..................................................................137

Приложение А Копии актов о внедрении результатов диссертационной

работы.................................................................................................................147

Приложение Б Копия свидетельства о регистрации программы.....................149

Приложение В Копия описания изобретения к патенту...................................150

Введение

Актуальность темы. Ускоренное развитие широкополосного доступа, в том числе систем беспроводного доступа WiMAX и LTE, необходимо для развития экономики, медицины, образования, повышения качества жизни населения, решения задач национальной безопасности. Для достижения контрольных значений, установленных Стратегией развития информационного общества в Российской Федерации, утвержденной Президентом Российской Феде рации 7 февраля 2008 г. (Пр-212), необходимо до 2015 года развернуть значительное число сетей беспроводного широкополосного доступа.

Мультисервисные сотовые сети способны предоставить пользователям широкий набор услуг, в том числе мобильный широкополосный доступ в Интернет и видеозвонки, но при этом предъявляют высокие требования к качеству канала связи и размещению базовых станций. Кроме того, высокая плотность пользователей особенно в городских условиях и значительный объем данных реального времени делают критичным вопрос эффективности использования частотно-временного ресурса сети. При этом высокая стоимость обслуживающего оборудования беспроводных телекоммуникационных систем широкополосного доступа делает актуальным вопрос оптимизации размещения базовых станций при минимально возможном их числе.

Развертывание сетей беспроводного широкополосного доступа значительно упрощается при использовании компьютерных инструментов радиопланирования, которые позволяют еще на этапе проектирования сети осуществить расчет и анализ отдельных характеристик радиопокрытия и определить оптимальную топологию разворачиваемой сети.

На сегодняшний день существующие методы радиопланирования разделяют по типу применяемых в них моделях и алгоритмов на детерминированные, квазидетерминированные и статистические. Использование детерминированных и квазидетерминированных методов радиопланирования обеспечивает высокую точность и полноту анализа характеристик радиопокрытия, но при

4

этом требует значительного количества времени проведения расчетов даже при применении высокопроизводительных вычислительных средств. Проведение радиопланирования с использованием статистических методов требует гораздо меньшего времени, что обусловливает возможность их широкого применения, но при этом статистические методы не обеспечивают достаточную точность и полноту расчета харакетристик радиопокрытия, что затрудняет их применение для радиопланирования перспективных сотовых сетей, в том числе четвертого поколения.

Для повышения полноты производимого радиопланирования беспроводных телекоммуникационных сетей при использовании статистических математических моделей затухания сигнала в диссертации предлагается метод анализа радиопокрытия, включающий в себя алгоритмы расчета характеристик покрытия, учитывающие адаптивную регулировку мощности излучения абонентских терминалов и применение в современных телекоммуникационных сетях многоуровневых схем кодирования и модуляции. Кроме того, предлагаемый метод включает в себя алгоритм коррекции параметров статистических моделей затухания на основе данных экспериментальных измерений уровня сигнала в сотовых сетях связи, позволяющий повысить точность расчета характеристик радиопокрытия при использовании статистического подхода без значительного увеличения вычислительных затрат.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловливается повышенным интересом, как к самим мультисервисным сотовым сетям связи, в т.ч. как к средству информатизации общества и различных отраслей экономики, так и к средствам радиопланирования мультисервисных сотовых систем и способам оптимизации применяемых в них методов с целью обеспечения наибольшей полноты и точности радиопокрытия при приемлемых вычислительных затратах.

Работа выполнена в Международном институте компьютерных технологий в рамках одного из основных научных направлений «Интеллектуальные

технологии и информационные системы».

5

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка метода анализа радиопокрытия мультисервисных телекоммуникационных систем связи, основанного на статистическом подходе и учитывающего типовые процессы и характеристики мультисервисной сотовой системы связи.

Для достижения поставленной цели предполагается осуществить решение следующего ряда задач:

1. Произвести анализ и обзор методов радиопланирования и математических моделей распространения сигнала в условиях городской застройки.

2. Разработать метод анализа радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, обеспечивающий требуемую точность расчета характеристик покрытия при использовании статистических моделей и учитывающий адаптивные механизмы изменения параметров сигнала.

3. Разработать численные алгоритмы расчета отдельных характеристик покрытия сотовых сетей связи с учетом адаптивной подстройки параметров передачи мультисервисного трафика.

4. Разработать алгоритм коррекции параметров статистических моделей распространения сигнала с использованием результатов экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия.

5. Разработать программный комплекс моделирования радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей связи, реализующий алгоритмы расчета радиопокрытия и произвести анализ и верификацию полученных результатов моделирования.

Объект и предмет исследования. Объектом диссертационного исследования являются мультисервисные сотовые системы связи. Предмет исследования - методы расчета радиопокрытия, а также функциональные процессы и характеристики мультисервисных сотовых сетей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы аппарат вычислительной математики, методы математического моделирования и принципы объектно-ориентированного проектирования и программирования на языке С++.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

разработан метод анализа радиопокрытия беспроводных мультисервис-ных сетей, обеспечивающий требуемую точность расчета характеристик покрытия при применении статистических моделей распространения сигнала и отличающийся возможностью учета механизмов динамической подстройки параметров передачи мультисервисного трафика;

разработан алгоритм расчета зоны покрытия в прямом канале мультисер-висной сотовой системы связи, отличающийся учетом адаптивной регулировки параметров многоуровневой модуляции и кодирования;

разработан алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале мульти-сервисной сотовой системы связи, отличающийся возможностью учета адаптивного изменения параметров модуляции и кодирования, а также уровня мощности излучения абонентских терминалов;

впервые предложен алгоритм коррекции параметров статистической модели распространения сигнала с использованием данных экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия сети, получаемых от подвижной лаборатории, оборудованной системой позиционирования и временной синхронизации на основе ГЛОНАСС.

Практическая значимость и реализация результатов работы. В работе предложен метод расчета характеристик радиопокрытия мультисервисных сотовых систем, использующий статистические модели и позволяющий учитывать мультисервисный характер сети, неравномерную загруженность частотно-временного ресурса, а также адаптивный выбор используемых многоуровневых схем модуляции и кодирования и уровня мощности передатчика абонентских терминалов.

На основе предложенного метода был разработан программный комплекс моделирования радиопокрытия беспроводных мультисервисных сетей, зарегистрированный в Реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам - свидетельство №

7

2011610043. С помощью данного комплекса был проведен расчет радиопокрытия опытного района системы 1ЕЕЕ802.16е, по итогам которого была определена возможность использования как метода, так и комплекса для расчета радиопокрытия мультисервисных сотовых сетей.

Кроме того, в ходе выполнения диссертационной работы был разработан способ оценки канала с решающей обратной связью в системе беспроводной связи, позволяющий за счет использования при оценке канала не только пилотных сигналов, но и информационных данных значительно улучшить качество оценки канала. Способ защищен патентом РФ № 2405254.

Степень обоснованности и достоверности результатов. Достоверность исследования основана на использовании методов математического моделирования, аппарата вычислительной математики, методов системного анализа.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждена проведенной верификацией результатов расчета с экспериментальными измерениями характеристик радиопокрытия.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международной научно-технической конференции «Радилокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011), научно-практической конференции «Связь и телекоммуникации - инновационное развитие регионов» (Воронеж, 2011), а также были представлены на международной выставке «Связь-Экспокомм» (Москва, 2010).

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод анализа радиопокрытия сотовых телекоммуникационных сетей связи, обеспечивающий заданную точность расчетов характеристик покрытия при использовании статистических моделей распространения сигнала и учитывающий динамические характеристики параметров передачи мультисер-висного трафика.

2. Алгоритм расчета зоны покрытия в прямом канале сотовой сети связи, позволяющий учесть механизм адаптивного выбора применяемой схемы

канального кодирования и модуляции.

8

3. Алгоритм расчета зоны покрытия в обратном канале сотовой сети связи, осуществляющий учет влияния на покрытие адаптивной регулировки уровня мощности излучения абонентских терминалов и параметров кодирования и модуляции.

4. Алгоритм коррекции параметров математических моделей распространения сигнала в городских условиях с использованием результатов экспериментальных измерений характеристик радиопокрытия.

5. Программный комплекс моделирования и визуализации радиопокрытия телекоммуникационных сетей связи четвертого поколения, основанный на разработанных алгоритмах и осуществляющий графическое отображение результатов расчета различных характеристик радиопокрытия.

6. Результаты моделирования и анализа различных характеристик радиопокрытия, полученных с помощью разработанного программного комплекса и скорректированной модели распространения сигнала в условиях городской застройки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение и 1 свидетельство об официальной регистрации программы, выданное Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,9,10] - метод расчета радиопокрытия систем связи, учитывающий адаптивные процессы функционирования мульти-сервисных сетей; [2,3] - практическая реализация рассматриваемых алгоритмов; [6] - оценка эффективности разработанного метода расчета радиопокрытия; [7] - обзор моделей распространения сигнала, и обоснование выбора оптимальной модели для применения при расчете радиопокрытия систем связи четвертого поколения; [12] - алгоритм оптимизации параметров модели затухания сигнала. При разработке программы [5] личный вклад автора состоит в реализации разработанных алгоритмов в коде и отладке программы. При написании

патента [4] лично автором было произведено моделирование существующих и

9

разработанного методов оценки канала.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 120 наименований. Основная часть работы изложена на 150 страницах, содержит 2 таблицы и 43 рисунка.

1 Обзор беспроводных систем связи и комплексов радиопланирования

Частотно-территориальное планирование беспроводных мобильных сетей связи представляет собой решение комплекса задач по определению оптимальных структурно-топологических и технических характеристик разворачиваемой сети. Развитие комплексов частотно-территориального покрытия (ЧТП) непрерывно связано с эволюцией систем мобильной связи, поэтому для лучшего понимания проблем ЧТП приведем краткий обзор развития сетей беспроводной мобильной связи.

1.1 Развитие беспроводных подвижных сетей связи

В настоящее время в промышленно-развитых странах мира наблюдается возрастающая зависимость всех отраслей экономики, государственного управления, служб национальной и общественной безопасности от доступности источников информации [1], что выводит телекоммуникационные системы в рамки стратегически важных отраслей науки и техники.

Сотовые системы связи развиваются уже более 30 лет. В настоящее время принята условная классификация систем связи по поколениям эволюции, проиллюстрированная на рис. 1. В качестве пояснения к каждому поколению телекоммуникационной системы приведены наиболее известные технологии связи (стандарты), пр�