Управление ресурсами радиосети в системах мобильной связи 3-го поколения

Вальков, Илья Николаевич

Системы, сети и устройства телекоммуникаций

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Управление ресурсами радиосети в системах мобильной связи 3-го поколения

кандидата технических наук: Вальков, Илья Николаевич
город: Санкт-Петербург
год: 2006
специальность ВАК РФ: 05.12.13

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Управление ресурсами радиосети в системах мобильной связи 3-го поколения»

Автореферат диссертации по теме "Управление ресурсами радиосети в системах мобильной связи 3-го поколения"

На правах рукописи

Вальков Илья Николаевич

УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСАМИ РАДИОСЕТИ В СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 3-ГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный заслуженный деятель науки РФ,

руководитель доктор технических наук, профессор В.Ю. Бабков

пЖт1ЫЯП. м, .„ доктор технических наук, профессор Официальные вп Постюшкое

оппонент . кандидат технических наук, доцент М.А. Кузнецов

Ведущее фгуп <<ЛОНИИР»

предприятие

Защита состоится « •/£ » ¿¿/ЗР^Ль^- 2006 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета К 219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61, ауд. 413.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «. <3 .» Лёь&ЛгЛ/ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Для осуществления эффективной работы в условиях современного динамично развивающегося рынка, системы мобильной связи 3-го поколения (ЗС) должны обеспечивать предоставление широкого спектра услуг, удовлетворяющих различным требованиям к качеству обслуживания, которое становится одним из важнейших факторов, определяющих успех оператора на рынке услуг подвижной радиосвязи. При этом эволюция требований к предоставляемым услугам предполагает эволюцию архитектуры систем управления ресурсами сетей и качеством обслуживания (<Зо5), а также переход к гибким динамическим процессам согласования характеристик каналов передачи.

Решение задач повышения качества управления ресурсами сетей и эффективности процесса управления возможно лишь за счет создания новых методов и алгоритмов адаптивного управления, позволяющих в условиях ограниченных системных и сетевых ресурсов, обеспечивать предоставление пользователям услуг требуемого качества при поддержании высокой пропускной способности сети, а также за счет проведения соответствующих исследований и разработки необходимой методической и нормативной базы.

Таким образом, вопросы управления ресурсами сети приобретают первостепенное значение как для производителей оборудования сетей связи, так и для операторов, что говорит о безусловной актуальности тематики данной работы, которая подкреплена реальными рыночными потребностями.

Объектом исследования является гетерогенная и мультисервисная система мобильной связи ЗС.

Предметом исследования является процесс управления ресурсами радиосети.

Цель работы состоит в повышении качества и эффективности процесса управления ресурсами радиосетей в составе систем мобильной связи ЗС, в условиях изменяющихся целей и задач управления, а также внешних и внутренних воздействий на сети связи.

Научная задача заключается в разработке методов и алгоритмов управления, позволяющих в условиях ограниченных системных и сетевых ресурсов, обеспечивать предоставление пользователям услуг требуемого качества при поддержании высокой пропускной способности сети.

Методы исследований. В ходе исследования использовались методы математической статистики, математического и имитационного моделирования, математический аппарат теории распространения радиоволн. Экспериментальные исследования проведены с использованием пакета статистического и имитационного моделирования МАТЬАВ 6.5 и программных средств МаЛсаё 2000.

Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью постановок решаемых задач, вводимых допущений и ограничений, формулировок выводов; адекватностью применяемых моделей радиоканала физическим явлениям в канале связи с подвижными объектами; адекватностью выбранных методов исследования особенностям решаемых задач; непротиворечивостью

полученных результатов расчетам и известным частным результатам предшествующих исследований; результатами экспериментов.

Научные результаты, выносимые на защиту. К основным научным результатам, которые получены лично автором, включены в диссертацию и выносятся на защиту, относятся:

1. Концептуальная модель управления ресурсами радиосети системы UMTS, отражающая принципы и методологию адаптивного управления ресурсами радиосетей в составе гетерогенных и мультисервисных сетей связи 3G;

2. Алгоритм адаптивного управления доступом к сетевым услугам с различными качественными характеристиками, использующий усовершенствованный метод управления доступом на основе пропускной способности с учетом коэффициента снижения нагрузки;

3. Математическая модель системы управления мощностью в канале «вверх» и результаты экспериментальных исследований влияния различных факторов на процесс управления мощностью;

4. Метод адаптивного управления мощностью передатчика мобильной станции в канале «вверх» и результаты имитационного моделирования, отражающие эффективность адаптивного метода на примере сравнения с известными методами управления мощностью передатчиков.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

1. Обобщено и структурировано описание основных составляющих процесса управления ресурсами радиосети (RRM), выделены ключевые аспекты и проблематика. Данные вопросы не были прежде широко представлены в известной отечественной литературе и являются востребованными по причине предполагаемого развертывания сетей UMTS в России в обозримом будущем;

2. Разработана математическая модель для экспериментального исследования пропускной способности каналов «вверх» и «вниз» при предоставлении различных типов услуг. При помощи программной реализации данной модели получены важные результаты, которые могут быть учтены при разработке систем RRM, а также при планировании и оптимизации сетевых параметров, исходя из конкретных условий работы сети и требований оператора, а также позволяют обосновать проблему «ближней — дальней зон» и необходимость управления ресурсами радиосети. Известные модели для получения аналогичных результатов требуют больше вычислительных затрат;

3. Предложен новый метод усовершенствования управления доступом на основе пропускной способности за счет использования коэффициента снижения нагрузки, резервируемой для пользователей, находящихся в режиме мягкого хэндовера. В ходе имитационного моделирования подтверждено, что данный метод позволяет повысить точность оценивания нагрузки, при осуществлении процедур по приему запросов на предоставление услуг от пользователей, и повысить пропускную способность сети;

4. Разработан новый комплексный алгоритм управления доступом пользователей к сетевым услугам с различными качественными характеристиками, осуществляющий совместную динамическую адаптацию комплекса параметров управления состоянием канала (bearer) и сети. Применение нового метода

уточнения оцениваемой нагрузки, дало возможность увеличить гибкость алгоритма и адаптируемость к различным условиям. В результате стало возможным решение комплексной задачи распределения сетевых ресурсов, что было невозможно ранее при использовании отдельных существующих подходов;

5. Разработана программная модель системы управления мощностью передатчика UE по замкнутому контуру в канале «вверх», при помощи которой, на примере стандарта UTRA FDD, получены важные результаты о влиянии скорости перемещения, шага управления мощностью и задержки в цепи ОС на работу системы управления мощностью. Результаты экспериментальных исследований позволили определить оптимальные значения шага управления мощностью для рассмотренных скоростей перемещения UE, а также направления развития и оптимизации существующих механизмов управления мощностью. В дополнение произведены обоснования целесообразности использования алгоритма управления мощностью с фиксированным шагом, и адаптивного алгоритма с предсказанием состояния канала, позволяющего снизить влияние задержки в цепи ОС, согласующиеся с результатами других работ. Разработанная модель для стандарта UTRA FDD не имеет известных аналогов;

6. Разработан метод адаптивного управления мощностью с предсказанием состояния канала, позволяющий снизить задержку в цепи ОС и повысить точность и эффективность управления мощностью по замкнутому контуру, и реализована его программная модель. Для оценки эффективности предложенного метода произведено сравнение адаптивного метода с методами управления с фиксированным, переменным и идеальным шагом при помощи имитационного моделирования. Результаты моделирования показали высокую эффективность нового метода при рассмотренных скоростях перемещения UE. Приведены предложения по практической реализации адаптивного метода в рамках существующей инфраструктуры сети UTRA FDD, а также предложения по дальнейшему развитию данного направления. В известных работах сделаны попытки вычисления коэффициентов предсказания состояния канала «вверх» при помощи автокорреляционной функции канала «вниз» за счет использования вычислительных средств UE, что нежелательно. Разработанный метод, обладает существенными преимуществами по сравнению с данным методом, поскольку не требует использования функциональных возможностей UE.

Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в создании комплекса адаптивных методов и алгоритмов, позволяющих повысить эффективность процесса управления ресурсами радиосети в системах мобильной связи 3G, и оптимизации существующих методов управления.

Рассмотренные в работе вопросы актуальны для практических приложений при проектировании новых систем управления ресурсами радиосети в составе систем 3G и модернизации действующих, а также в части выработки соответствующей нормативно-технической основы для дальнейших исследований. Выполненные исследования позволили выработать практические рекомендации по реализации метода адаптивного управления мощностью с учетом существующей инфраструктуры сети стандарта UTRA FDD и состава протоколов.

Результаты проведенного исследования могут быть использованы в образовательном процессе высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий, при разработке перспективных систем радиосвязи.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты работы докладывались на 57 НТК Профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ; 58, 60 НТК Студентов аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ; V Международном научном семинаре «Информационные сети, системы и технологии» и получили положительную оценку.

Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы опубликованы в материалах научно-технических конференций, научных семинаров и отраслевых журналах - всего в б работах.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены Учебно-методическим центром при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича и используются в научных разработках пакетов учебных программ и постановке лабораторно-практических курсов, что подтверждено соответствующим актом внедрения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 68 наименований и приложения. Работа содержит 185 стр. машинописного текста, 52 рисунка, 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, приведена общая структура работы.

В первой главе рассмотрен процесс эволюции систем мобильной связи. Приведено описание технологий, связанных с эволюционным переходом от системы GSM к системам 3G, среди которых широко используемые в настоящее время технологии: HSCSD, GPRS и EDGE. Представлен анализ концепций перехода от стандартов 2G к 3G, их основных достоинств и недостатков.

Проанализированы характеристики пяти принятых стандартов для использования в рамках систем 3G, среди которых: IMT-DS, IMT-TC, IMT-FT, IMT-МС и IMT-SC, рассмотрены вопросы распределения частот. Проанализирована ситуация с перспективами появления систем 3G на российском рынке.

Рассмотрены характеристики и преимущества системы радиодоступа UTRA FDD (WCDMA), на примере которой в данной работе производится решение ряда поставленных задач. Данный стандарт принят ITU в рамках программы IMT2000 под названием IMT-DS, тогда как по классификации ETSI он имеет название UTRA FDD и реализуется в рамках глобальной системы UMTS. Решение проблем RRM представляется целесообразным применительно к стандарту UTRA FDD, поскольку именно он рассматривается для использования в качестве основной технологи радиодоступа в системе UMTS, которая, будет развернута в России в перспективе, а также в связи с тем, что на сегодняшний день он наиболее широко используется в мире при развертывании сетей 3G.

Приведено описание структуры сети UMTS, основных составляющих элементов, технологии кодового разделения каналов, а также основных сетевых протоколов и каналов. Произведена постановка задач исследования.

Во второй главе разработана концептуальная модель управления ресурсами сети UMTS, позволяющая понять основные принципы и средства достижения устойчивой работы сети в случаях перегрузки ее отдельных фрагментов, методом декомпозиции процессов управления. Данный подход позволяет понять основные принципы, используемые в сетях различных стандартов 3G. Обобщены основополагающие аспекты, необходимые для понимания процессов управления ресурсами сети в целом.

Необходимость комплексного подхода к управлению ресурсами радиосетей в составе систем мобильной связи 3G обусловлена опытом ряда зарубежных операторов, выявившим недостатки систем управления ресурсами и невозможность достижения теоретически полученной пропускной способности радиосети, непрерывно расширяющимся спектром предоставляемых услуг, ужесточающимися требованиями к использованию частотного ресурса, наличием концепции «сквозного» обеспечения требуемого уровня QoS и др.

Показано, что процесс адаптивного управления ресурсами сети представляет собой циклический процесс, осуществляющий адаптацию управляющих воздействий в соответствии с текущими условиями предоставления услуг (рис.

Канальный . Уровень сетевого Уровень уровень I мониторинга управления

Рис. 1. Обобщенная концептуальная модель управления ресурсами сети 1). По принципам функционирования и характеру воздействия, процессы управления ресурсами сети разделены на следующие группы: стратегические (планомерное развитие инфраструктуры сети с учетом распределения нагрузки, типов предоставляемых услуг, изменения морфоструктуры, топологии сети и пр.), оперативные (коррекционное воздействие, выполняемое службой управления и обслуживания, при выходе из строя отдельных элементов, подготовке к массовым мероприятиям и пр.), автономные (непрерывно функционирующие процессы, обслуживающие каждое соединение).

Классифицированы процессы управления ресурсами для подсетей (рис. 2).

Показано, что помимо пла-

Управление ресурсами сети

Управление ресурсами ядра сети (CN)

- Управление конфигурацией

- Управление уровнями ОоЯ

- Устранение неисправностей

- Управление нагрузкой элементов сети

- Управление функциями безопасности

Управление ресурсами радиосети (BAN)

- Управление мощностью

- Управление нагрузкой

- Управление хэндоверами

- Управление доступом

- Управление кодовыми последовательностями

- Распределение пакетного трафика

Рис. 2. Распределение процессов управления

номерных мероприятии, позволяющих оперативно осуществлять перераспределение и прогнозирование нагрузки сети на основании данных сетевого мониторинга,' для эффективной работы систем CDMA необходимы автоматизированные механизмы управления ресурсами

сети, среди которых: управление уровнем мощности, управление доступом абонентов и управление эстафетными передачами, позволяющие устранять нестабильность работы, в случаях перегрузки отдельных фрагментов сети, и увеличивать пропускную. В данной работе основной акцент делается на автономные процессы управления в радиосети (ДКМ), непосредственно влияющие на пропускную способность радиоинтерфейса (рис. 3).

Обобщено и структурировано описание основных составляющих

ЦЕ |с=: ВЭ С=5

_Управление —Управление

иУпршпенксмощностью, ^уууг среди которых: эстафетные мощностью мощностью, нагрузкой, эстафетными 1 г х

нагрузкой передачами, доступом, передачи управления, управление кадГ^и^"14'™' мощностью, управление доступом и последовательностями управление нагрузкой. Приведен Рис, 3. Распределение функций ШШ математический аппарат, исполь-

зуемый при измерении нагрузки в каналах «вверх» и «вниз», а также при управлении доступом пользователей к сетевым ресурсам. Выделены ключевые аспекты и проблематика, связанные с ИКМ.

Сделаны выводы о ключевых вопросах, требующих рассмотрения в следующих разделах, среди которых: изучение влияния различных факторов на нагрузку радиоинтерфейса для оптимизации существующих механизмов 1ШМ и создание новых адаптивных методов управления ресурсами.

В третьей главе рассмотрены вопросы анализа пропускной способности, усовершенствования используемых методов управления доступом пользователей к сетевым ресурсам, а также синтеза новых адаптивных алгоритмов.

Произведен анализ пропускной способности канала «вверх» с применением имитационного моделирования, с целью определения влияния различных факторов на требуемый уровень мощности на входе приемника ВБ:

-тг-И&Ш-

где IV— чиповая скорость, Л/ — битовая скорость р, — мощность сигнала от 1-го терминала, принимаемая ВБ, Е//Ыо — требуемое значение отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума, Ы— тепловой шум приемника, и; - среднее значение коэффициента речевой активности, /щ — отношение интерференции от смежных сот к интерференции в рассматриваемой соте.

В результате проведенного анализа математически обоснована проблема «ближней — дальней зон» (также известная как проблема «дыхания сот»), связанная с тем, что минимально-допустимый уровень сигнала на входе приемника В Б возрастает с увеличением числа пользователей, а также с увеличением Еь/Ат0 или /и, в результате чего зона обслуживания соты уменьшается, т.к. ЧЕ на границах соты испытывают нехватку ресурса мощности передатчика (рис. 4). Данный эффект должен бьггь учтен на этапе планирования сети, исходя из максимального числа обслуживаемых пользователей или объема трафика.

Произведен анализ пропускной способности канала «вниз» с применением имитационного моделирования при условиях, аналогичных использованным

для канала «вверх». Полная передаваемая мощность, необходимая на BS для обслуживания одновременно к каналов, по которым передается информация со скоростью R, с определенными требованиями к Et/No, определена в виде:

jr^lWyiEJN^N + P, р =_È!-t

где fou — отношение интерференции от смежных сот к интерференции в рассматриваемой соте для канала «вниз», а, — среднее значение коэффициента ортогональности, Рс, — постоянная мощность для всех общих каналов.

Коэффициент ортогональности изменяется при изменении трассы распространения, что препятствует его точной оценке. При увеличении числа путей распространения радиоволн, ортогональность каналов снижается, снижая, тем самым, емкость канала «вниз». На рис. 5 представлена зависимость требуемой мощности на выходе передатчика BS от числа пользователей при различных значениях cl Нетрудно видеть, что при большом количестве путей распространения радиоволн (а = 0,2), емкость ниже, чем при более низкой многолучево-сти, a также то, что требуемый уровень мощности на выходе передатчика BS увеличивается при увеличении числа пользователей, что подтверждает необходимость обеспечения энергетического баланса.

—• Ь/№=4дБ, («.=0,3 h-- БЛЬМдК. «.«0.6

Число пользователей (144 кбит/с)

Число пользователей (144 кбит/с]

Рис. 4. Требуемая мощность на входе приемника ВБ Рис. 5. Требуема* мощность на выходе передатчика ВЭ

Предложен способ улучшения качества работы системы управления доступом, производящей оценку нагрузки на основе пропускной способности, основанный на уточнении нагрузки для тех пользователей, которые, находясь в состоянии мягкого хэндовера, имеют более одной соты в активном списке (АБ):

ч^-о+л-!-1 1

'AS;

-+1

где А$1 — коэффициент снижения нагрузки для пользователя /.

Использование коэффициента снижения нагрузки, который должен быть пропорционален количеству сот в активном списке, позволит устранить ошибку, в результате которой, со статистической точки зрения, пользователи, нахо-

дягциеся в состоянии мягкого хэндовера, оцениваются дважды и повысить пропускную способность для каждой из сот.

Разработан алгоритм адаптивного управления доступом пользователей к сетевым ресурсам, осуществляющий совместную динамическую адаптацию комплекса параметров управления состоянием канала (bearer) сети, а также математический аппарат оценивания возможности выделения запрашиваемого ресурса, позволяющие оптимизировать использование емкости сети за счет минимизации количества отказов при запросе услуг без ухудшения при этом качества соединений обслуживаемых пользователей.

Алгоритм удовлетворяет всем выдвинутым функциональным требованиям, в числе которых: поддержка дифференцируемых уровней QoS для различных видов мультимедийного трафика; гибкость в части возможности использования дополнительных специфичных критериев, определяемых оператором и зависящих от типов предоставляемых услуг; минимизация отказов при запросах предоставления услуг (согласование конфигурации канала (bearer); использование возможности принудительной передачи управления смежным BS; возможность заимствования канальных ресурсов, выделенных для пользователей, находящихся в состоянии мягкой эстафетной передачи; минимизация возможного влияния нового соединения на качественные характеристики установленных соединений.

При приеме заявки £-го пользователя производится оценка обеспечения требуемого к-м пользователем QoS, путем решения следующего неравенства:

_Рк 'SFt_¿1 — 1 к = 1 К

KUx + a.[PK-Pk] ...... ' (1)

где Рк — мощность сигнала к-го пользователя на входе приемника BS, SFk - коэффициент расширения спектра для £-го пользователя, X— уровень помех, создаваемый внутри соты от соседних сот, Тс — длительность чипа, PR — полная мощность на входе приемника BS.

Так как Pr положительная величина, необходимо выполнение условия: * а

,?, SF, (2)

----ь а

(Еь/N0)ltSFt

Уровень мощности на входе приемника BS, определяется в виде:

Р*

(хт 1 .Л* 1 Л £ а I Тс J"1

яр, - • (3)

--+ а / --+ а

/ (Еь/Но)

С другой стороны, уровень мощности ограничен максимально допустимой мощностью передатчика ЦЕ, Рт.ты (21, 24,27 или 33 дБм).

Так для абонента, находящегося на расстоянии с1у от ВБ, с учетом условий распространения, максимальный уровень сигнала на входе приемника ВБ:

Г-Рт,т» ^ N0 + X + a-PR

(4)

где Lp(dk) — затухание на трассе для к-го пользователя, Г - константа, учитывающая усиление антенн приемника и передатчика.

Функциональное назначение блоков, входящих в состав алгоритма (рис. 6):

1. Терминал находится в состоянии ожидания, анализируя и храня в памяти параметры BS, уровень сигнала пилот-канала которых максимален;

2. При отправке запроса на установление соединения UE выбирает BS из списка Active set (AS) по критерию максимума сигнала пилот-канала;

3. 4. При отсутствии подтверждения от BS о приеме заявки, UE, через определенное число кадров, отправляет повторные запросы до достижения счетчиком запросов максимального значения. При каждой последующей попытке UE увеличивает уровень мощности по сравнению с предыдущим запросом;

5,6. После достижения счетчиком запросов максимального значения, UE, в зависимости от текущего состояния списка AS, либо прекращает попытки доступа, выдавая пользователю уведомление о невозможности доступа, либо предпринимает попытки доступа к прочим BS из списка AS, в порядке приоритета;

7, 13. При получении подтверждения от BS, UE запускает таймер ожидания доступа, до истечения которого будет ожидаться ответ от данной BS;

8, 9. BS прогнозирует влияние нового соединения на существующие по критерию увеличения полной принимаемой мощности на входе приемника BS (4, 5). Исходя из требований по Et/No определяется значение BER (FER);

15,16. В случае если прогнозируемое влияние нового соединения на существующие недопустимо велико, RNC производит попытку реконфигурации канала с целью снижения скорости при обеспечении запрашиваемого QoS;

17, 18. При невозможности реконфигурации канала, RNC производит попытку заимствования канальных ресурсов, выделенных для пользователей, находящихся в состоянии мягкой эстафетной передачи, либо осуществляет принудительную передачу управления смежным BS;

19. При невозможности реализации имеющихся в распоряжении средств высвобождения необходимых ресурсов, новое соединение отклоняется. Пользователь получает уведомление о невозможности доступа к сети;

11. При выполнения условия (9), BS анализирует уровень мощности UE. Поскольку мощность передатчика UE ограничена и UE может находиться на границе соты при выполнении запроса, мощности передатчика может оказаться недостаточно для поддержания требуемого QoS в процессе соединения;

12, 14. При успешном выполнении всех предыдущих условий для установления соединения, RNC оценивает возможность выделения запрашиваемого ресурса с учетом дополнительных критериев, среди которых: текущее число ус-таповлепных соединений (Ncoed), число зарезервированных каналов (Npe,) и др. В случае выполнения необходимых условий и ненулевом значении таймера ожидания, UE выделяется канальный ресурс. Перед началом передачи данных UE принимает пробную информацию для проверки качества соединения.

Рис. 6. Алгоритм распределения сетевых ресурсов для канала «вверх»

В четвертой главе обобщены основные характеристики радиоканала, рассмотрены основные факторы, имеющие место в процессе распространения радиоволн, оказывающие влияние на флуктуации принимаемого сигнала и управление мощностью, и требующие их учета при моделировании управления мощностью. Также рассмотрен механизм управления мощностью по замкнутому контуру, используемый в сетях ЗО (рис. 7), основные проблемы, связанные с управлением мощностью по замкнутому контуру в реальных условиях.

Проанализированы ограничения, накладываемые системными параметрами на точность управления мощностью, среди которых: точность оценивания отношения сигнал/помеха, скорость Рис. 7. Типы управления мощностью управления мощно-

стью, шаг управления, задержка в цепи обратной связи, ошибки при передаче команд управления, влияние глубоких замираний и др.

Разработана модель канала с релеевскими замираниями с использованием метода Джейкса, представляющего канал с замираниями в виде сложного гаус-совского процесса, в котором принимаемый сигнал является совокупностью большого числа принятых лучей (сдвинутых во времени копий сигнала):

_ _]_ ^^у^М/о^^-Гл) + ] + ^(/¿-/Л) + е-Я"Ш-/л)} _

41 Ы1

Данная модель позволяет имитировать быстрые замирания в радиоканале для оценки эффективности работы различных методов управления мощностью и используется в ходе исследований. Выполнено имитационное моделирование и рассмотрены случаи перемещения ЦБ со скоростями 10, 30 и 60 км/ч, при/с = 1,8 МГц, Я = 64 кбит/с (Т,= 15,625 мкс, 12800 бит за 200 мс) и проанализировано влияние скорости перемещения ПЕ на характер замираний (рис. 8—11).

2аоо «ш босо кхю мхгао гаоо Т (200 мс)

Рис. 8. V = 10 км/ч./ц - 16,7 Гц. Т.- 15,625 мкс

«яо шл еаио нмсо 12000 Т (200 мс)

Рис. 9. V = 30 км/ч,/о - 50 Гц, Т,— 15,625 мкс

2000 4000

Т (200 MC)

Рис. 10. и =60 км/ч,fo= 100Гц, Т,= 15,625 мкс

Расстояние,м

Расстояние, м

Рис. 11. Пространственное представление замираний

Разработана программная модель системы управления мощностью передатчика UE по замкнутому контуру в канале «вверх» (рис. 12), при помощи которой, на примере UTRA FDD, проанализировано влияние ряда факторов на процесс управления. Значение SIR для каждого пользователя yei, оценивается BS для /-го интервала управления, после чего полученное значение 7„,(0 сравнивается с требуемым значением у, для формирования сигнала ошибки e(t). Сигнал ошибки в двоичной форме передается UE в виде команд, для которых

не используются избыточное кодирование и перемежение для экономии ресурсов и устранения задержек.

При управлении мощностью с фиксированным шагом, широко используемом в современных системах по причине минимальных требований к канальным ресурсам, команды могут увеличивать либо уменьшать мощность

Рис. 12. Модель системы управления мощностью с ОС

РСС = sign[SIRt -SIR3ad] =

передатчика на каждом интервале управления на определенную величину:

Г-1, SIRt < SIR^ [+1, SIRkZSIR,a;

Для рассматриваемого канала с замираниями, SIR для к-то пользователя, вычисляется на протяжении периода одного символа:

14-Pi001*

-¿Г ХМ -ß/rOf+o»2 м 1*к

где &(*) — коэффициент канала с замираниями, ак - девиация шума, М— количество чипов расширяющей последовательности на символ (коэффициент расширения), Ак — масштабирующий коэффициент амплитуды символов.

Для канала с релеевскими замираниями BER для модуляции (^РБК:

Pt=leJ 5Ю.

2 IV'oJ Ч "\\ + ЕьПа)

Используемые в ходе моделирования параметры обобщены в табл. 1. Представим процесс управления мощностью в виде SIR, изменяющегося на входе приемника BS, и уровня мощности на выходе передатчика UE (рис. 13). __Таблица 1

Параметр Значение

Количество пользователей К" 10

Частота несущей fcm 1.8 ГГц

Скорость перемещения пользователей 10*А км/ч, для А — 1,2...10

Доплеровский сдвиг /о- 1.67* vtГц

Коэффициент расширения 64

Чиповая скорость Re = 3.84 Мчип/с

Интервал управления мощностью Та = 0.667 мс (2560 чипов - 40 символов)

Скорость передачи информации Rt - 120 кбит/с (60 кбит/с)

Требуемое отношение СЛЦ ЕЛ-7 дБ

Шаг управления мощностью Ар 1 дБ. 2 дБ

of'

Ш Ю « 7

0? *

.....I.......И-4-

У17Д До) дд^ цщ ¡цд ддц дд

Т, сек

1 i 1 { ! i t

Т. сек

uno of

-i.....Hi.......г

во I ia j аю ш aot вл ляг ша cij а»

а aoi aa Qp^ fttf ДШ (LB7 n m pji^ ^ Т. сек |

! № -1- fv j i I М|

О Ml OA ошаышк&яаогиаивря Т, сек 1

.4 "У Й _ i Ь

1 •f......1" [•'! ""

ш ш (цд gni цок цщ (цц f[ д Щ Т. С8* j

i !..!„ . i......!L

v ......г /Г

•U Ш <ш си м в« ол ш шя ai^ ai T,ce< j

¿¡я хр .....1 ■ 4— .......(-4..... гит:. ......i......

! I AW

"1.......i.......Г..............'.....

Ut (в U)

И» 10

of'

О «» вв I

М UI М W

Т, сак

ш am ы

jit

Т.свк

Т. сек

те ал ia ю Li

Т. сек

Рис. 13. Результаты моделирования (3/2/1 дБ): а -10 км/ч, 6-30 км/ч, в - 60 км/ч

Для скорости 10 км/ч оптимальным является шаг управления мощностью 1 дБ, обеспечивающий наименьший уровень флуктуации значение SIR на входе

приемника BS. Это объясняется тем, что при помощи малого шага управления, изменения сигнала в канале отслеживаются более точно, тогда как при использовании довольно большого шага управления, остаточная' флуктуация SIR (погрешность регулирования) приводит к увеличению уровня ошибок при приеме.

Для скорости 30 км/ч наименьшие девиации SIR обеспечивает шаг 2 дБ, поскольку при увеличении скорости UE, малый шаг управления не способен быстро компенсировать изменения уровня сигнала в канале. Для скорости 60 км/ч оптимальный шаг — 3 дБ, т.к. только достаточно большой шаг управления способен своевременно компенсировать быстрые изменения уровня сигнала.

Проанализировано влияние шага управления мощностью на BER (рис. 14).

t - j

i 1 *

—е—&ЫАРМ ——ШаМдБ JA6 —»—Б«} зш.

ffi«r

,4 .

i \ -»-Бе» АРМ —Шаг »дБ —Шаг 3 дБ —с«} ЗШ.

EAäd

а)

елдв б)

Рис. 14. Влияние шага управления мощностью: а - 10 км/ч, б - 30 км/ч, в - 60 км/ч

Анализ графиков на рис. 14 показывает, что для скорости 10 км/ч наилучшие показатели дает шаг 1 дБ, Для скорости 30 км/ч результаты, полученные для шагов 2 и 3 дБ довольно близки, а для скорости 60 км/ч наилучшим из рассматриваемых является шаг 3 дБ, чтр подтверждает сделанные ранее выводы.

Рассмотрен характер изменения BER на входе приемника BS при различных скоростях перемещения UE и величинах задержки в цепи ОС.

На рис. 15 показано, что задержка в один дополнительный интервал управления приводит к увеличению уровня ошибок с увеличением скорости перемещения UE, причем, для низких скоростей (10, 30 км/ч), при фиксированном значении BER, ухудшение, выраженное в Et/No, составляет 1 - 2 дБ, тогда как для скорости 60 км/ч оно превышает 5 дБ.

На основе анализа известных методов, разработан метод адаптивного управления мощностью, содержание которого состоит в предсказании состояния канала, за счет чего достигается адаптируемость к различным условиям ведения связи.

Данный метод использует механизм линейно квадратичного управления LQG (Linear Quadratic Gaussian) с минимизацией по норме, а также алгоритм рекурсивного оценивания Калмана, обеспечивающий непрерывную корректи-

Ш-

БеэАРМ 10 шЧ 2 Т, 10 iu.4 31", —а—30 ШЛ, 2Г, —ЭОшНЗГ, —р—60 шЧ2Т, —А— бОшЧЭТ, —f— Без зам.

Рис. 15. Влияние задержки в цепи ОС

ровку ранее сделанной оценки параметров сигнала. Полная система управления является комбинацией матрицы коэффициентов переменных состояния и алгоритма Калмана, используемого для измерения вектора переменных состояния. Алгоритм Калмана в рассматриваемом контексте представляет собой адаптивную систему, анализирующую поведение уровня сигнала на текущем временном отрезке, корректирующую свою формулу на каждом последующем интервале управления и дающую априорную оценку (прогноз) для каждого последующего интервала управления.

Мощность сигнала на входе приемника BS от каждого UE определяется в соответствии с (1). Управление мощностью осуществляется в пошаговом режиме посредством управляющего воздействия

где Г(/) - неизвестно и должно быть определено (состояние канала), х— определяется на основании удельного веса минимизации гс.

Управляющее воздействие формируется по критерию минимальности

£[||р(О-Р-[2+гс||М(ОГ} 1=0 L J Для оценки канала используется уравнение наблюдения

Г(0 Г(*-1)

cù(0 = C'

+ Р +Г+и(/),

где С = [1 -%

T(t-L)

~ЗС'О-Х) —Х'О-Х)1 '], nk{t) - ошибка измерений и не-1,

точности при управлении, ^ -Ю-log (1 + —).

Канал Г(Г) моделируется в виде процесса

) = -й,Г(/ -1) - h£(t -2)-...-hLr(t-L)+e(t), где hj известно, a e(t) является белым шумом. Предсказанное значение

Г,+1|, — АН,, ■

где

А =

~К ~h2 1 0

получается на основании

где X') = — Р* — А2 подлежит измерению, М — матрица коэффициентов обратных связей (получается из алгебраического матричного уравнения Риккати).

С учетом возможности предсказания значения Г,|,_,, закон управления:

иДО^-Х-ЕРЮ+Г^-Р*!

Произведен анализ эффективности нового метода (рис. 16).

Состояние канала

Предск. сост. канала

Состояние канала

I о

Я-»,

Предск. сост. канала

Мощность передатчика Мощность передатчика

Отношение сигнал/помеха

Номер итерации

а)

В ходе моделирования оценивались скорость реакции на замирания в канале и флуктуации отношения сигнал/помеха на приемной стороне. В результате анализа полученных результатов было наглядно показано, что адаптивный метод управления обладает рядом преимуществ по сравнению с методами управления с фиксированным, переменным и идеальным шагом (неограниченное управляющее воздействие). Приведены предложения по практической реализации адаптивного метода в рамках существующей инфраструктуры сети UTRA FDD.

Houep итерации

Состояние канала

Номер итерации

Предск. сост. канала

Я-»

Мощность передатчика

Отношение сигнал/помеха

■а

5 7

Номер итерации

В)

Рис. 16. Результаты моделирования: а - идеальный шаг, б — фиксированный шаг, в — переменный шаг

В заключении перечисляются основные результаты диссертационной работы и формулируются необходимые выводы.

В приложении представлен акт внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана концептуальная модель управления ресурсами сети UMTS. Обобщены и структурированы основные составляющие процедур управления ресурсами радиосети, выделены ключевые аспекты и проблематика;

2. Разработана математическая модель для экспериментального исследования пропускной способности каналов «вверх» и «вниз» при предоставлении различных типов услуг;

6. Разработан метод адаптивного управления мощностью передатчика UE с предсказанием состояния канала, позволяющий снизить задержку в цепи ОС и повысить точность и эффективность управления мощностью по замкнутому контуру, и реализована его программная модель.

7. Результаты работы внедрены в инженерную практику, а также в учебный процесс.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вальков И.Н. Исследование механизмов распределения радиоресурсов и управления доступом абонентов в сетях UTRA-FDD // V МНС «Информационные сети, системы и технологии»: материалы / МАИ. М., 2004. С.87-90.

2. Вальков И.Н. Качество обслуживания как важнейшая характеристика системы UMTS // V МНС «Информационные сети, системы и технологии»: материалы / МАИ. М„ 2004. С.160-165.

3. Вальков И.Н., Бабков В.Ю. Комплексная оценка уровня обслуживания при предоставлении услуг различных классов качества // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2005. № 172. С.30-38.

4. Вальков И.Н., Бабков В.Ю. Управление доступом пользователей в сетях мобильной связи 3-го поколения с учетом эстафетных передач // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2006. № 174. С.72-81.

5. Вальков И.Н., Бабков В.Ю. Адаптивное управление мощностью в сетях подвижной радиосвязи 3-го поколения // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2006. № 175. С.36-49.

6. Вальков И.Н., Бабков В.Ю. Концептуальная модель управления ресурсами сети UMTS // Мобильные телекоммуникации. 2006. № 9. С.8-10.

Подписано к печати -/¿7 . -// .2006 Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Зак. 42

Тип. СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Вальков, Илья Николаевич

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 3-ГО ПОКОЛЕНИЯ.

1.1 Современное состояние систем мобильной связи.

1.2 Общая характеристика системы UMTS.

1.3. Основные характеристики системы радио доступа UTRA FDD.

1.4. Постановка задач исследования.

Глава 2. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСАМИ СЕТИ UMTS.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Принципы управления ресурсами сети UMTS.

2.3 Управление мощностью передатчиков BS и UE.t.

2.4 Эстафетные передачи управления.

2.5 Измерение нагрузки радиоинтерфейса.

2.6 Управление доступом к сетевым ресурсам.

2.7 Регулирование нагрузки радиосети.

Выводы.

Глава 3. УПРАВЛЕНИЕ ДОСТУПОМ К СЕТЕВЫМ УСЛУГАМ С РАЗЛИЧНЫМИ КАЧЕСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Анализ пропускной способности канала «вверх».

3.3 Анализ пропускной способности канала «вниз».

3.4 Предложения по усовершенствованию метода управления доступом на основе пропускной способности.

3.5 Алгоритм адаптивного управления доступом к сетевым услугам с различными качественными характеристиками.

Выводы.

Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ МОЩ

НОСТЬЮ ПЕРЕДАТЧИКОВ UE.

4.1 Постановка задачи

4.2 Управление мощностью: ключевые аспекты, проблематика.

4.3 Эмулятор канала с релеевскими замираниями.

4.4 Модель системы управления мощностью в канале «вверх».

4.5 Адаптивное управление мощностью передатчиков UE.

Выводы.

Введение 2006 год, диссертация по радиотехнике и связи, Вальков, Илья Николаевич

Для осуществления эффективной работы в условиях современного динамично развивающегося рынка, системы мобильной связи 3-го поколения (3G) должны обеспечивать предоставление широкого спектра услуг, удовлетворяющих различным требованиям к качеству обслуживания, которое становится одним из важнейших факторов, определяющих успех оператора на рынке услуг подвижной радиосвязи. При этом эволюция требований к предоставляемым услугам предполагает эволюцию архитектуры систем управления ресурсами сетей, качеством обслуживания и переход к гибким динамическим процессам согласования характеристик каналов передачи.

Ввиду того, что в ряде нормативных документов ETSI/3GPP, содержащих зачастую лишь абстрактные положения, определены основные характеристики качества обслуживания (QoS) и критерии для проведения измерений и мониторинга, и отсутствует информация о способах их достижения, возникают определенные трудности при проектировании, настройке и эксплуатации сетей подвижной связи 3G, например, при расчете их пропускной способности, обосновании их топологической структуры, необходимых объемов оборудования, технико-экономических показателей и др.

В данной работе вопросы управления ресурсами рассматриваются главным образом на примере стандарта UTRA FDD, принятого Международным Союзом Электросвязи (ITU) в рамках программы IMT2000 под названием IMT-DS. В разработке данного стандарта непосредственное участие принимал Европейский Институт Стандартизации в области Телекоммуникаций (ETSI), по классификации которого стандарт имеет название UTRA FDD и реализуется в рамках глобальной системы UMTS. При этом наиболее часто используемое (коммерческое) название технологии - WCDMA, являющееся названием системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов с прямым расширением спектра. Рассмотрение вопросов управления ресурсами радиосети представляется целесообразным применительно к стандарту UTRA FDD, поскольку он предполагается для использования в качестве базовой технологии радиодоступа системы UMTS, которая будет развернута в России в обозримом будущем.

Теория систем управления, находящая применение в современных системах радиосвязи, активно развивается в различных направлениях, среди которых можно выделить: адаптивное управление дискретными системами, представленное работами: JI.A. Растригина, В.М. Кунцевича, Д.П. Деревицкого, A.JI. Фрадкова и др., эффективный прием сигналов, исследованный в работах: А.И. Фалько, М.А. Мухина, С.Н. Архипова, S.H. Marikar и др., обработка дискретных сигналов, включающая разработку мощных схем модуляции, кодирования и перемежения, где необходимо отметить работы: Д.Д. Кловского, JI.M. Финка, А.Г. Зюко, К. Феера, А.Д. Витерби, а также теорию адаптивной фильтрации, где следует отметить работы: А.В. Балакришнана, В.Н. Фомина, X. Квакернаака, П.М. Гранта, К.Ф. Коуэна и др. Важные научные результаты в области адаптивного управления мощностью передатчиков терминалов пользователей, получены в работе А.Н. Никитина, где рассматриваются механизмы адаптации на параметрическом уровне. При этом, несмотря на обилие работ, актуальным остается вопрос разработки универсальных методов и алгоритмов, позволяющих повысить точность и эффективность процесса управления при сравнительно небольших затратах вычислительных ресурсов.

Публикация работ, посвященных исследованию отдельных способов повышения эффективности управления ресурсами радиосети, свидетельствует о насущной необходимости обобщающего подхода в этом направлении. Несмотря на ценность полученных частных результатов, зачастую использовать результаты исследований напрямую в рамках существующих систем затруднительно в связи с необходимостью модификации имеющихся инфраструктуры сети и протоколов обмена. Указанные обстоятельства, а также отсутствие комплексного подхода к технической реализации системы управления ресурсами радиосети указывают на актуальность рассматриваемой задачи.

Целью исследований в данной работе является повышение качества и эффективности процесса управления ресурсами радиосетей в системах мобильной связи 3G в условиях изменяющихся задач управления, а также внешних и внутренних воздействий на сети связи.

Научная задача, которая решается в работе, заключается в разработке методов и алгоритмов управления, позволяющих в условиях ограниченных системных и сетевых ресурсов, обеспечивать предоставление пользователям услуг требуемого качества при поддержании высокой пропускной способности сети. Решение поставленной научной задачи достигается посредством:

1. Разработки концептуальной модели управления ресурсами радиосети системы мобильной связи 3-го поколения;

2. Исследования пропускной способности радиосети с учетом специфики систем радиодоступа и типов предоставляемых услуг;

3. Создания методов и алгоритмов, направленных на повышение эффективности управления ресурсами радиосети;

4. Проведения экспериментальных исследований.

При решении поставленных задач использовались различные методы исследований, в числе которых: методы математической статистики, математического и имитационного моделирования, математический аппарат теории распространения радиоволн.

К основным научным положениям, которые обоснованы в диссертации и выносятся на защиту, относятся:

Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в создании комплекса адаптивных методов и алгоритмов, позволяющих повысить эффективность процесса управления ресурсами радиосети в системах мобильной связи 3G, и оптимизации существующих методов управления.

Работоспособность предложенных алгоритмов и методов подтверждена результатами компьютерного моделирования с использованием программных средств MATLAB и MathCAD.

Основные результаты работы докладывались на 57 НТК Профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ; 58, 60 НТК Студентов аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ; V Международном научном семинаре «Информационные сети, системы и технологии».

Результаты работы внедрены Учебно-методическим центром при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича и используются в научных разработках пакетов учебных программ и постановке лабораторно-практических курсов, что подтверждено соответствующим актом внедрения.

Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, новизна, научная и практическая значимость работы, приведена общая структура работы.

В первой главе приведено описание технологий, связанных с эволюционным переходом к системам 3G, проанализирована ситуация с перспективами появления систем 3G на Российском рынке. Рассмотрены характеристики системы радио доступа UTRA FDD (WCDMA). Приведено описание структуры сети UMTS, основных составляющих элементов, технологии кодового разделения каналов, а также основных сетевых протоколов и каналов. Произведена постановка задач исследования.

Во второй главе методом декомпозиции процесса управления ресурсами получена концептуальная модель управления ресурсами сети UMTS. В структурированном виде приведено описание основных процедур управления ресурсами радиосети, в частности: эстафетных передач управления, управления мощностью передатчиков UE и BS, управления доступом пользователей к сетевым ресурсам и управления нагрузкой. Выделены ключевые аспекты и проблематика, связанные с управлением ресурсами радиосети.

В третьей главе рассмотрены вопросы управления доступом к сетевым услугам с различными качественными характеристиками. Приведены результаты моделирования нагрузки радиоинтерфейса UTRA FDD для каналов «вверх» и «вниз». Сформулирована и обоснована проблема «ближней - дальней зон». Представлено описание механизма усовершенствования метода управления доступом на основе пропускной способности за счет использования коэффициента снижения нагрузки резервируемой для пользователей, находящихся в режиме мягкого хэндовера. Разработан алгоритм адаптивного управления доступом пользователей к сетевым ресурсам, осуществляющий совместную динамическую адаптацию комплекса параметров управления состоянием канала (bearer) и сети.

В четвертой главе исследованы основные факторы, оказывающие влияние на флуктуации принимаемого сигнала и управление мощностью передатчиков UE и BS. Проанализирован механизм управления мощностью по замкнутому контуру, используемый в сетях 3G. Исследованы основные проблемы, связанные с управлением мощностью по замкнутому контуру в реальных условиях и ограничения, накладываемые системными параметрами на точность управления мощностью. Разработана программная модель канала с релеевскими замираниями с использованием метода Джейкса. Представлена программная модель системы управления мощностью передатчика UE по замкнутому контуру в канале «вверх» и результаты имитационного моделирования Разработан метод адаптивного управления мощностью с предсказанием состояния канала и реализована его программная модель. Приведены результаты имитационного моделирования, отражающие эффективность адаптивного метода на примере сравнения с известными методами управления мощностью передатчиков.

В заключении перечисляются основные результаты диссертационной работы и формулируются необходимые выводы.

В приложении представлен акт внедрения результатов работы.

Заключение диссертация на тему "Управление ресурсами радиосети в системах мобильной связи 3-го поколения"

7. Результаты работы внедрены в инженерную практику, а также в учебный процесс.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что диссертационная работа посвящена актуальной проблеме разработки адаптивных методов и алгоритмов для использования в рамках системы управления ресурсами сетей 3G. Работа содержит научно обоснованные технические решения как в части подготовки и проведения экспериментальных исследований процессов управления ресурсами, так и в части разработки моделей в целом.

181

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Системный подход к управлению ресурсами в сетях мобильной связи 3-го поколения (3G) позволяет повысить качество и эффективность процесса управления в условиях изменяющихся задач управления, а также внешних и внутренних воздействий на сети связи.

Специфика систем CDMA предполагает использование единой полосы частот во всех сотах, что обуславливает наличие энергетической зависимости между смежными сотами и необходимость динамического адаптивного управления ресурсами радиосети для поддержания требуемой пропускной способности и устойчивости работы сети. Подсистемы управления мощностью передатчиков UE и BS и управления доступом пользователей к ограниченным сетевым ресурсам играют ключевую роль в обеспечении энергетического баланса радиосети, в связи с чем им уделяется повышенное внимание в рамках работы. ■ф Анализ существующих методов управления ресурсами сетей 3G и, в частности, ресурсами радиосети, показал, что в настоящий момент испытывается недостаток в алгоритмах и методах управления, которые позволяли бы использовать их в составе всех стандартизованных платформ 3G. При этом перспективным является применение интеллектуальных алгоритмов управления доступом пользователей к ресурсам сети и управления мощностью передатчиков UE.

В работе обозначены основные проблемы, возникающие при управлении ресурсами радиосети системы подвижной связи 3G и условия, накладываемые спецификой сетей CDMA на функционирование подсистем управления. Обоснована актуальность применения современных методов интеллектуального моделирования для изучения систем управления с целью создания новых адаптивных алгоритмов. Выполнен системный анализ отечественных и зарубежных работ, посвященных управлению ресурсами радиосетей.

Выделены основные проблемы управления ресурсами радиосетей: повышение эффективности работы существующих механизмов управления в условиях непрерывно расширяющегося спектра предоставляемых услуг и создание новых адаптивных алгоритмов, нацеленных на увеличение пропускной способности сети при подержании требуемых уровней QoS.

Указанные проблемы успешно решены в диссертационной работе.

В рамках решения первой проблемы:

- разработана концептуальная модель адаптивного управления ресурсами сети UMTS, полученные на основе формального обобщения системы принципов, определяющих общую методологию адаптивного управления гетерогенными и мультисервисными сетями связи 3G, путем декомпозиции процесса управления на отдельные составляющие. Обобщено и структурировано описание основных составляющих RRM. Данные вопросы не были прежде широко представлены в известной отечественной литературе и являются востребованными по причине предполагаемого развертывания сетей UMTS в России в обозримом будущем;

- разработана математическая модель для экспериментального исследова-# ния пропускной способности в каналах «вверх» и «вниз» при предоставлении различных типов услуг. Произведено имитационное моделирование в среде MathCAD с целью исследования влияния числа обслуживаемых UE, при различных значениях коэффициента ортогональности, определяющего характеристики канала распространения, на требуемый уровень мощности на выходе передатчика BS для определенного типа услуг. Также были получены зависимости минимально-допустимого уровня сигнала на входе приемника BS от числа обслуживаемых UE при требуемом отношении сигнал/помеха и уровне нагрузки канала «вверх». Полученные результаты позволили обосновать проблему «ближней - дальней зон», проанализировать зависимость пропускной способности радиосети от условий распространения радиоволн, уровня помех, типов к предоставляемых услуг, требующих различные сетевые ресурсы, и прочих факторов. Также были созданы предпосылки для разработки адаптивных механизмов управления доступом и мощностью, необходимых для предотвращения дестабилизации энергетического баланса системы в случае перегрузки отдельных фрагментов сети;

- предложен механизм усовершенствования метода управления доступом на основе пропускной способности за счет использования коэффициента снижения нагрузки, резервируемой для пользователей, находящихся в режиме мягкого хэндовера. В ходе моделирования показано, что данный механизм позволяет повысить точность оценивания нагрузки, при осуществлении процедур по приему запроса на предоставление услуг от пользователей, и повысить пропускную способность сети при использовании в составе системы управления доступом на основе пропускной способности;

- исследован механизм управления мощностью по замкнутому контуру, используемый в сетях 3G, основные проблемы, связанные с управлением мощностью в реальных условиях, а также факторы, оказывающие влияние на флуктуации принимаемого сигнала и управление мощностью, требующие их учета при моделировании. Определены основные ограничения, накладываемые системными параметрами на точность управления мощностью, среди которых: точность оценивания отношения сигнал/помеха, скорость управления мощностью, шаг управления, задержка в цепи обратной связи, ошибки при передаче команд управления, влияние глубоких замираний и др.;

- разработана программная модель канала с релеевскими замираниями с использованием метода Джейкса, позволяющая представить канал с замираниями в виде сложного гауссовского процесса, в котором полный принимаемый сигнал является совокупностью большого числа принятых лучей (сдвинутых во времени копий сигнала), необходимая для оценки эффективности алгоритмов управления мощностью при моделировании;

- в среде MATLAB разработана программная модель системы управления мощностью передатчика UE по замкнутому контуру в канале «вверх», при поfc мощи которой, на примере стандарта UTRA FDD проанализировано влияние скорости перемещения и шага управления мощностью на отношение сигнал/помеха (SIR) при приеме сигнала, путем представления процесса управления мощностью в виде SIR, изменяющегося на входе приемника BS, и уровня мощности на выходе передатчика UE. Произведен анализ характера изменения вероятности ошибки на бит передаваемого сигнала на входе приемника BS, при различных скоростях перемещения UE и величинах шага управления мощностью. Произведен анализ влияния скорости перемещения UE на работу алгоритма управления мощностью и наглядно показано увеличение уровня ошибок при приеме с увеличением скорости перемещения UE при постоянном шаге управления мощностью. Произведен анализ влияния задержки в цепи обратной связи, являющейся неизбежным фактором, оказывающим негативное влияние на управление мощностью по замкнутому контуру. Определены оптимальные значения шага управления мощностью для рассмотренных скоростей перемещения UE. Полученные в ходе моделирования зависимости позволили определить направления развития и оптимизации существующих механизмов управления мощностью, среди которых: использование механизмов оценки допле-ровского сдвига в целях повышения эффективности алгоритмов управления мощностью с фиксированным шагом и использование алгоритмов с предсказанием состояния канала, позволяющих снизить задержку при передаче команд управления и повысить скорость реакции системы при быстрых замираниях. Также произведено обоснование целесообразности использования алгоритма управления мощностью с фиксированным шагом, согласующееся с результатами других работ.

Для решения второй проблемы:

- разработан новый комплексный алгоритм управления доступом пользователей к сетевым ресурсам, осуществляющий совместную динамическую адаптацию комплекса параметров управления состоянием канала (bearer) и сети. Данный алгоритм основан на оценке состояния уровня сигнала принимаемого BS и передаваемого UE и анализе влияния нового соединения на установленные ранее. Применение описанного ранее нового метода уточнения оцениваемой нагрузки, резервируемой для пользователей, находящихся в режиме мягкого хэндовера, дало возможность увеличить гибкость алгоритма и адаптируемость к различным условиям. В результате становится возможным решение комплексной задачи распределения сетевых ресурсов, что было невозможно ранее при использовании отдельных существующих подходов;

- разработан метод адаптивного управления мощностью с предсказанием состояния канала, позволяющий снизить задержку в цепи ОС и повысить точность и эффективность управления мощностью по замкнутому контуру, и реализована его программная модель с использованием разработанных ранее модели радиоканала и модели системы управления мощностью. Для оценки эффективности предложенного метода произведено сравнение адаптивного метода с методами управления с фиксированным, переменным и идеальным шагом при помощи имитационного моделирования в среде MATLAB. Результаты моделирования показали высокую эффективность метода при рассмотренных скоростях перемещения UE. Приведены предложения по практической реализации адаптивного алгоритма в рамках существующей инфраструктуры сети UTRA FDD, а также предложения по дальнейшему развитию данного направления. Перспективным направлением дальнейших исследований в рамках создания адаптивных алгоритмов с предсказанием является разработка комбинированных алгоритмов с адаптацией шага управления в соответствии со скоростью передачи и/или скоростью перемещения UE.

Т.о. полученные автором результаты позволяют существенно повысить эффективность управления доступом пользователей к сетевым ресурсам и управления мощностью по замкнутому контуру, а также представляют базу для дальнейшего моделирования и изучения работы систем управления ресурсами радиосетей CDMA. Полученные выводы о том, что увеличение эффективности алгоритмов управления мощностью с фиксированным шагом возможно за счет использования механизмов оценивания доплеровского сдвига для адаптации

I' шага и целесообразности использования алгоритмов с предсказанием состояния канала для снижения задержки в цепи ОС при передаче команд управления мощностью согласуется с данными других исследователей. Практическая ценность работы определяется созданием новых методик и алгоритмов, а также программных моделей на основе разработанных методов и алгоритмов.

Решена актуальная задача повышения эффективности работы системы управления ресурсами радиосети. Проанализированы существующие методы управления и выявлены их недостатки. Использование предложенных решений для системы управления ресурсами позволяет существенно улучшить качество ее функционирования в условиях ограниченных сетевых ресурсов и возрастающих требований к качеству предоставляемых услуг, а также определяет направления дальнейшего конструктивного совершенствования.

В ходе исследования использовались методы математической статистики, математического и имитационного моделирования, математический аппарат теории распространения радиоволн. Экспериментальные исследования проведены с использованием пакета статистического и имитационного моделирования MATLAB 6.5 и программных средств MathCAD 2000.

В работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана концептуальная модель адаптивного управления ресурсами сетей UMTS. Обобщено и структурировано описание основных составляющих управления ресурсами радиосети, выделены ключевые аспекты и проблематика. Данные вопросы не были прежде широко представлены в известной отечественной литературе и являются востребованными по причине предполагаемого развертывания сетей UMTS в России в обозримом будущем;

2. Разработана математическая модель для экспериментального исследования пропускной способности каналов «вверх» и «вниз» при предоставлении различных типов услуг. При помощи программной реализации данной модели получены важные результаты, которые могут быть учтены при разработке систем RRM, а также при планировании и оптимизации сетевых параметров, исходя из конкретных условий работы сети и требований оператора, а также позволяют обосновать проблему «ближней - дальней зон» и необходимость управления ресурсами радиосети. Известные модели для получения аналогичных результатов требуют больше вычислительных затрат;

3. Предложен новый метод усовершенствования управления доступом на основе пропускной способности за счет использования коэффициента снижения нагрузки, резервируемой для пользователей, находящихся в режиме мягкого хэндовера. В ходе имитационного моделирования подтверждено, что данный метод позволяет повысить точность оценивания нагрузки, при осуществлении процедур по приему запроса на предоставление услуг от пользователей и повысить пропускную способность сети при использовании в составе системы управления доступом;

4. Разработан новый комплексный алгоритм управления доступом пользователей к сетевым услугам с различными качественными характеристиками, с учетом всех выдвинутых к его функциональности требований, осуществляющий совместную динамическую адаптацию комплекса параметров управления состоянием канала (bearer) и сети. Для данного алгоритма представлен математический аппарат процесса оценивания уровня мощности на входе приемника BS, влияния на установленные соединения, и уровня мощности на выходе передатчика UE. Применение предложенного нового метода уточнения оцени

Ш ваемой нагрузки, резервируемой для пользователей, находящихся в режиме мягкого хэндовера, дало возможность увеличить гибкость алгоритма и адаптируемость к различным условиям. В результате становится возможным решение комплексной задачи распределения сетевых ресурсов, что было невозможно ранее при использовании отдельных существующих подходов;

5. Разработана программная модель системы управления мощностью передатчика UE по замкнутому контуру в канале «вверх», при помощи которой, на примере стандарта UTRA FDD, получены важные результаты о влиянии скорости перемещения, шага управления мощностью и задержки в цепи ОС на работу системы управления мощностью. Результаты экспериментальных исследований позволили определить оптимальные значения шага управления мощноt стью для рассмотренных скоростей перемещения UE, а также направления развития и оптимизации существующих механизмов управления мощностью. В дополнение произведены обоснования целесообразности использования алгоритма управления мощностью с фиксированным шагом, и адаптивного алгоритма с предсказанием состояния канала, позволяющего снизить влияние задержки в цепи ОС, согласующиеся с результатами других работ. Разработанная модель для стандарта UTRA FDD не имеет известных аналогов;

6. Разработан метод адаптивного управления мощностью с предсказанием состояния канала, позволяющий снизить задержку в цепи ОС и повысить точность и эффективность управления мощностью по замкнутому контуру, и реализована его программная модель. Для оценки эффективности предложенного метода произведено сравнение адаптивного метода с методами управления с фиксированным, переменным и идеальным шагом при помощи имитационного моделирования в среде MATLAB. Результаты моделирования показали высокую эффективность нового метода при рассмотренных скоростях перемещения UE. Приведены предложения по практической реализации адаптивного метода в рамках существующей инфраструктуры сети UTRA FDD, а также предложения по дальнейшему развитию данного направления. Перспективным направлением дальнейших исследований в рамках создания адаптивных алгоритмов с

4 предсказанием является разработка комбинированных алгоритмов с адаптацией шага управления в соответствии со скоростью передачи и/или скоростью перемещения UE. В известных работах сделаны попытки вычисления коэффициентов предсказания состояния канала «вверх» при помощи автокорреляционной функции канала «вниз» за счет использования вычислительных средств UE, что нежелательно. Разработанный метод, обладает существенными преимуществами по сравнению с данным методом, поскольку не требует использования функциональных возможностей UE.

Библиография Вальков, Илья Николаевич, диссертация по теме Системы, сети и устройства телекоммуникаций

1. Невдяев J1.M. Сравнительные характеристики схем кодирования для GPRS, EDGE и IS-136 HS // Мобильные телекоммуникации MCI/RE, № 1, 2000. -52 е.;

2. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина. М.: Радио и связь, 2000.-211 е.;

3. Афанасьев В.В., Горностаев Ю.М. Эволюция мобильных сетей. .- М: МЦНТИ, 2000. 140 е.;

4. Николаев В.П. Мобильные системы 3-го поколения // Специальная техника, № 1,2001.-48 е.;

5. Развитие мобильной связи в мире. Отчет МСЭ. Мобильные телекоммуникации, MCI/RE, № 1, 2000. 54 е.;

6. Кий Н.А. 3G как зеркало эволюции технологий, бизнеса, общества // Ин-формКурьерСвязь, №1, 2003. 49 е.;

7. Гуркин В.Ф., Николаев И.В. Развитие подвижной связи в России. М.: Радио и связь, 2000. - 156 е.;

8. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 2000.-230 е.;

9. Андрианов В.Н., Соколов В.В. Средства мобильной связи. СПб: BHV, 1998. -165 е.;

10. Кузнецов М.А. Рыжков А.Е. Современные технологии и стандарты подвижной связи. СПб.: Линк, 2006. - 126 е.;

11. Характеристики стандарта UTRA FDD, материалы ресурса: http://www.UMTSWorld.com;12. 3GPP. Technical Specification Group RAN. Radio Resource Management Strategies. TR 25.922, V 4.2.0. France, 2002.;

12. Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS. N.Y.: John Wiley & Sons Ltd., 2000. pp. 45-60;

13. Shapira J. Microcell Engineering in CDMA Cellular Networks // IEEE Transactions on Vehicular Technology: proc. 1994. Vol. 4, pp. 817-825.;

14. Вальков И.Н., Бабков В.Ю. Управление доступом пользователей в сетях мобильной связи 3-го поколения с учетом эстафетных передач // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2006. № 174. С. 72-81.;

15. Heiska К. Narrowband and WCDMA System Operation in Adjacent Frequency Bands, Radio Network Planning and Optimization for UMTS, John Wiley & Sons, 2002. pp. 232-258.;20

Похожие работы

Радиотехника и связь
05.12.00