Факультет: комп'ютерних інформаційних технологій та автоматики (КІТА)
Кафедра: автоматики і телекомунікацій (АТ)
Спеціальність: телекомунікаційні системи і мережі (ТКС)
Тема кваліфікаційної магистрської роботи:
Дослідження особливостей і розробка методики побудови мереж нового покоління для операторів мобільного зв'язку
Науковий керівник: к.т.н., доцент кафедри АТ Воропаєва Вікторія Яківна

АВТОРЕФЕРАТ

кваліфікаційної роботи магістра
«Дослідження особливостей і розробка методики побудови мереж нового покоління
для операторів мобільного зв'язку»
 

Зміст

Вступ

1. Актуальність теми
2. Мета та задачі розробки

2.1 Мета розробки
2.2 Основні задачі розробки

3. Передбачувана наукова новизна отриманих результатів
4. Огляд розробок і досліджень за темою
5. Опис отриманих і запланованих результатів роботи

5.1 Аналіз ресурсу upstream каналу та визначення площі зони обслуговування
5.2 Коефіцієнт навантаження в upstream каналі
5.3 Коефіцієнт навантаження у downstream каналі
5.4 Аналіз зони обслуговування у downstream каналі

Висновки
Список використаної літератури
Примітка

Вступ

Високі вимоги до інформатизації всіх сфер життєдіяльності людства привели до необхідності отримання доступу до інформаційних ресурсів не лише вдома і в офісі, але і в громадських місцях. Як наслідок, почалася конкуренція між традиційними телефонними послугами (телефонним зв'язком) і послугами передачі даних. Цей революційний перехід від розмовного трафіку до трафіку даних складає основу ідеології NGN (Next Generation Network), що корінним чином вплинув на організацію мереж нового покоління[1].

Під поняттям «мережа NGN» сьогодні розуміють гетерогенну мультисервісну мережу, що забезпечує передачу всіх видів медіатрафіку і розподілено надає необмежений спектр телекомунікаційних послуг з можливістю їх додавання, редагування, розподіленої тарифікації. Мережа підтримує передачу трафіку з різними вимогами до якості обслуговування і забезпечує підтримку вказаних вимог.

Таким чином, розгортання мережі NGN задовольнить інтереси як абонентів-споживачів послуг, так і операторів. Перші отримають новий широкий набір сервісів, що задовольняє за змістом і якістю, а інші – широкі можливості по модернізації мережі і, як наслідок, нові козирі для розширення абонентської бази. Особливо важливо не упустити момент переходу операторам мобільних мереж, адже вимоги користувачів до «мобільності» зростають з кожним днем.

1. Актуальність теми

Основна проблема при впровадженні нових послуг для мобільних операторів полягає в тому, що існуючі GSM мережі будувалися на технологіях з канальною комутацією і сьогодні нездатні забезпечити широкий спектр послуг для задоволення споживчого попиту. Впровадження і використання технологій GPRS / EDGE не є вирішенням проблеми, оскільки не дозволяє для більшості сучасних послуг забезпечити необхідні параметри якості.

Рішенням може бути модернізація мереж і впровадження нових технологій, зокрема перехід до мереж третього покоління (3G) мобільного зв'язку.

Мобільні мережі покоління 3G стали результатом реалізації концепції міжнародного мобільного зв'язку IMT-2000. У її основу покладена ідея створення нового покоління сімейства систем рухомого зв'язку, що охоплює технології бездротового доступу, наземного стільникового і супутникового зв'язку [2]. Робота по стандартизації інтерфейсів сімейства систем IMT-2000 в даний час завершена і включає в свій склад 5 радіоінтерфейсів: IMT-DS (базова технологія WCDMA), IMT-МС (cdma2000), IMT-TC (TD-SCDMA), IMT-SC (UWC-136), IMT-FT (DECT EP).

В Європі ідея IMT-2000 реалізована у вигляді концепції універсальної системи мобільного зв'язку UMTS. Діапазон можливостей і сфер застосування даної системи надзвичайно широкий: у ній пропонується широкий спектр послуг з високоякісної передачі мови, даних, мультимедійних сервісів. При цьому UMTS дозволяє організувати повну взаємодію з системами GSM.

У системі UMTS використовується кодове розділення каналів в радіоінтерфейсі цифрового широкосмугового стандарту, що охоплює інтернет, мультимедіа і інші високоємні послуги WCDMA. (Wideband Code Division Multiple Access).

2. Мета та задачі розробки

2.1 Мета розробки

Метою роботи є збереження і розширення абонентської бази оператора мобільного зв'язку за рахунок надання нових послуг шляхом впровадження мережі зв'язку нового покоління.

Об'єктом розробки є телекомунікаційна мережа оператора мобільного зв'язку.

Предмет розробки - методика побудови мережі нового покоління операторами мобільного зв'язку.

2.2 Основні задачі розробки

У процесі написання роботи повинні бути вирішені завдання модернізації мережі мобільного зв'язку покоління 2,5 G на рівнях управління, транспорту і доступу для забезпечення можливості надання сучасних послуг мобільного зв'язку з дотриманням вимог до їх якості.

3. Передбачувана наукова новизна отриманих результатів

Наукова новизна результатів магістерської роботи полягає в запропонованій методиці переходу операторами мобільного зв'язку до мереж нового покоління. Методика представляє собою алгоритм модернізації мобільної мережі покоління 2,5 G, в рамках якого розглядається також процедура оптимізації мережі радіодоступу.

4. Огляд розробок і досліджень за темою

Дослідження та розробки з даної теми були розпочаті ще наприкінці 90-х років. Першими кроками у даній області стали розробки стандартів для мереж мобільного зв'язку третього покоління [3]. З 1998 року дані дослідження зосередилися в рамках партнерського проекту 3GPP при ETSI [4].

Дослідження питань побудови мережі стандарту UMTS активно проводилися науковими групами розробників телекомунікаційного обладнання, таких як Alcatel, Nokia, Siemens і ін.

На просторах СНД дослідженнями мобільних мереж нового покоління займався цілий ряд вчених. Велика частка їхніх робіт присвячена проектуванню й оптимізації радіо підмереж доступу. Тут варто згадати роботи Смоловика «Методи планування та оптимізації параметрів радіопідсистеми мережі UMTS», Аксьонова «Дослідження впливу процедури хендовера на якість послуг у мережах UMTS», Бабіна «Проектування оптимальної підсистеми радіодоступу мережі 3G/UMTS/WCDMA на основі теорії монотонних систем», Ведути «Оптимізація систем цифрового зв'язку з з кодовими каналами» та ін.

5. Опис отриманих і запланованих результатів роботи

В ході проробленої роботи були досліджені параметри upstream і downstream каналів радіо мережі UMTS, їх вплив на пропускну здатність сайтів і площу зони обслуговування. Оскільки розглянута мережа може працювати в асинхронному режимі, то параметри каналів розглядалися незалежно один від одного.

5.1 Аналіз ресурсу upstream каналу та
визначення площі зони обслуговування

Аналіз ресурсу upstream каналу дозволяє отримати значення втрат (у дБ), що допускаються на радіо трасі від мобільного терміналу абонента до базової станції. Окрім парметрів, що традиційно враховуються при цьому, необхідно врахувати кілька спеціальних. До таких відносяться запас перешкодозахищеності, запас на швидкі завмирання, виграш при м'якому хендовере [5].

Визначені значення втрат на трасі можуть бути використані для розрахунку зони обслуговування. Ефективна зона обслуговування WCDMA визначається за середньою площею сайту (ділянки) на вузол в км²/сайт для заздалегідь визначеного стандартного середовища поширення трафіку.

Відстань до кордонів сайту R можна обчислити за допомогою відомої моделі поширення. Наприклад, модель Окумура-Хата описує усереднений варіант поширення сигналів у вказаному середовищі. Вона дозволяє перетворити максимальні допустимі втрати на трасі в дБ в максимальну дальність до кордонів сайту в кілометрах, враховуючи значення несучої частоти сигналу, а також висоту антен BS і MS.

Рівняння Окумура-Хата має вигляд:

(5.1)

де Lp — втрати, що допускаються, на трасі, дБ;

ƒ — частота несучої, МГц;

h_b и h_m — висота антени BS і MS, м;

a(ƒ, h_m) — функція посилення антени MS від висоти її положення і несучої частоти;

R — відстань від MS до BS, км.

Параметри А і В мають різні значення для різного діапазону частот. Так для діапазону 150 - 1000 МГц А = 69,5; B = 26,16; для діапазону 1500 - 2000 МГц А = 46,3; B = 33,9.

Параметр a(ƒ, h_m) визначається різним чином залежно від типа населеного пункту.

Для середніх і малих міст:

(5.2)

Для великих міст:

(5.3)

Спираючись на проведений вище аналіз ресурсу радіолінії upstream каналу і розглянуту модель поширення, можна визначити відстань до кордонів сайту в кілометрах R. Прийнявши висоту антени BS 30 м, висоту антени MS 1,5 м і частоту несучої 1950 МГц, отримаємо:

(5.4)

Визначивши з наведеного вираження R, можна отримати площу ділянки (сайту), яка також є функцією конфігурації розбиття на сектори

(5.5)

Значення К залежать від числа секторів в сайті і представлені в табл. 5.1
 

Таблиця 5.1 – Залежність коефіцієнта К від кількості секторів

Кількість секторів	1	2	3	6
Значення К	2,6	1,3	1,95	2,6

 

Після визначення площі, що покривається одним сайтом, необхідно оцінити величину трафіку, який підтримується на цій ділянці. Коли повторне використання частоти системи WCDMA дорівнює 1, система, як правило, обмежується по перешкодах повітряним інтерфейсом, і, таким чином, необхідно встановити залежність між величиною перешкод і ємністю сайту.

5.2 Коефіцієнт навантаження в upstream каналі

Коефіцієнт навантаження в upstream каналі розраховується як

(5.6)

і дозволяє прогнозувати величину перевищення перешкодами теплового шуму:

(5.7)

Запас на перешкоди в ресурсі лінії має дорівнювати максимальному прийнятому перевищенню перешкод.

У табл. 5.2 представлені роз'яснення позначень і їх параметри, що рекомендуються.
 

Таблиця 5.2 – Значення основних параметрів upstream каналу

	Визначення	Значення, що рекомендуються
N	Число користувачів на сайт
υj	Коефіцієнт активності користувача на фізичному рівні	0,67 для мови 1 для передачі даних
(Eb/N0)j	Енергія сигналу на біт, поділена на спектральну щільність шуму, яка повинна відповідати заданій якості обслуговування. Шум включає і тепловий шум, і перешкоди	Залежить від обслуговування, бітової швидкості, каналу з багатопроменевим завмиранням, рознесенням антен при прийомі, швидкості MS тощо
W	Швидкість передачі чіпов WCDMA	3,84 Мчіп/с
Rj	Бітова швидкість j користувача	Залежить від обслуговування
i	Відношення рівнів радіоперешкод від іншого сайту до перешкод у власному сайті, визначене приймачем BS	Макросайт з не напрямленою антеною: 55%

На рис. 5.1 показана залежність пропускної спроможності від рівня шуму в upstream каналі. При розрахунку приймалися допущення (E_b/N₀)_j = 1,5 дБ і i = 0,65. Замість числа користувачів відображена повна пропускна спроможність сайту для всіх абонентів, що одночасно обслуговуються.

Рисунок 5.1 - Залежність пропускної спроможності сайту від рівня шуму

5.3 Коефіцієнт навантаження у downstream каналі

Коефіцієнт навантаження у downstream каналі можна визначити, ґрунтуючись на аналогічні принципи, як і для upstream каналі, хоча параметри будуть дещо відрізнятися

(5.8)

В порівнянні з коефіцієнтом навантаження в upstream каналі найбільш істотним новим параметром коефіцієнт ортогональності. WCDMA використовує ортогональні коди у downstream каналі для розділення користувачів. Ортогональність, рівна 1, відповідає ідеальним ортогональним користувачам. Зазвичай, значення цього показника в багатопроменевих каналах складає від 0,4 до 0,9.

Вплив рознесення антен при передачі має бути включений в необхідне відношення (E_b/N₀). Коефіцієнт навантаження у downstream каналі дуже схожий на коефіцієнт навантаження в upstream каналі в тому сенсі, що при наближенні до 1 система досягає своєї повної пропускної спроможност [6]і.

Для завдання розмірів у downstream каналі важливо оцінити повну необхідну величину потужності передачі BS. Вона має спиратися на усереднену потужність передачі для користувача, а не на максимальну потужність передачі на краю ділянки, показаній в ресурсі радіолінії.

Мінімальна необхідна потужність передачі для кожного користувача визначається середнім загасанням між передавачем і мобільним приймачем і чутливістю приймача MS в умовах відсутності радіоперешкод при множинному доступі (усередині або між сайтами). Тоді вплив збільшення перешкод, обумовлений радіоперешкодами, додається до цієї мінімальної потужності, і повна потужність є потужністю передачі, необхідною для користувача при "середньому" розташуванні у сайті. Математично повна потужність передачі може бути представлена наступним рівнянням:

(5.9)

де N_rf – спектральна щільність шуму у вхідному каскаді приймача MS. Значення цього параметра можна набути з

(5.10)

де NF – коефіцієнт шуму приймача MS при типових значеннях 5 - 9 дБ.

Коефіцієнт навантаження можна апроксимувати його середнім значенням:

(5.11)

На рис. 5.2 представлена залежність пропускної спроможності downstream каналу (Кбіт/с) від максимально допустимих втрат на трасі (дБ) при різних потужностях передавача BS (10 і 20 Вт). Як видно з рисунка, збільшення потужності на 100% дає дуже маленький виграш в пропускній спроможності, а значить, є неефективним. Правильнішим є розділення потужності у downstream каналі між несучими, але такий спосіб вимагає, аби розподіл частот оператором дозволяв використовувати дві несучі на BS [7].

Рисунок 5.2 - Дослідження пропускної спроможності downstream каналу

5.4 Аналіз зони обслуговування у downstream каналі

У downstream каналі зона обслуговування залежить від навантаження більше, ніж у upstream каналі. Це пояснюється тим, що у downstream каналі максимальна потужність передачі залишається однаковою - ті ж 10 Вт незалежно від числа користувачів використовуються спільно, тоді як в upstream каналі кожен додатковий користувач має свій власний підсилювач потужності. Тому навіть при низькому навантаженні у downstream каналі зона обслуговування зменшується при збільшенні числа користувачів (рис.5.3).

Рисунок 3 – Зменшення зони обслуговування при збільшенні числа абонентів
Анімація складається з 7 кадрів із затримкою 500 мс між кадрами;
затримка до повторного відтворення складає 1 с; кількість циклів відтворення обмежено 7-ю

Для дослідження залежності між пропускною спроможністю downstream каналу і радіусом сайту були прийняті значення (E_b/N₀) = 2 дБ, рівень перешкод від інших сайтів 0,65, ортогональність 0,6. Дослідження проводилося при двох значеннях потужності передавача BS – 10 Вт і 20 Вт. Результат дослідження відображує на рис. 5.4
 

Рисунок 5.4 – Залежність радіусу сайту від пропускної здатності downstream каналу

Варто відзначити, що значення (E_b/N₀) сістотно впливає на максимальну пропускну спроможність downstream каналу. Для високих швидкостей передачі потрібне відношення (E_b/N₀), має тенденцію до зниження. Так (E_b/N₀) = 5,5 дБ при ортогональності 0,6 дозволяє отримати повну пропускну спроможність порядка 800 Кбіт/с/сайт. А при зменшенні (E_b/N₀) до 2дБ, можливо отримати пропускну спроможність порядка 1800 Кбіт/с/сайт.

Ще одна важлива особливість полягає в тому, що чим нижче вимога до (E_b/N₀), тим менша потужність потрібна для забезпечення тих же робочих характеристик і тим більше може бути радіус сайту.

Висновки

За результатами виконаної роботи можна сформулювати наступні висновки:

• зона обслуговування може бути визначена за допомогою моделі поширення радіохвиль, наприклад, Окумура-Хата, на основі даних ресурсу каналу;
• в макросайтах зона обслуговування визначається дальністю дії по upstream каналу, тому що потужність передавача MS набагато менша за потужність передавача BS;
• для прогнозування ємності сайту може бути використаний коефіцієнт навантаження. Оскільки в мережі UMTS пропускна здатність upstream та downstream каналів може відрізнятися одна від одної, то коефіцієнт навантаження розраховується окремо для каналів кожного виду;
• пропускна спроможність downstream каналу може обмежувати зону обслуговування. Якщо потрібно забезпечити надійну роботу сервісів, які вимагають високі швидкості передачі, необхідно зменшити розміри сайтів і тим самим збільшити їх пропускну спроможність.

Список використаної літератури

1. Бакланов И.Г. NGN. Принципы построения и организации ⁄ И.Г. Бакланов, под ред. Ю.Н. Чернышова. – М.: Эко-Трендз, 2008. – 400 с.
2. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения ⁄ Л.М. Невдяев, под ред. Ю.М. Горностаева. – М.: Международный центр научной и технической информации, ООО «Мобильные коммуникации», 2000 – 208 с.
3. Ипатов В.П. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов ⁄ В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М. Самойлов, В.Н. Смирнов, под. ред. В.П. Ипатова. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003 – 272 с.
4. Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие в 3 томах. Том 3. Мультисервисные сети ⁄ В.В. Величко, Е.А. Субботин, В.П. Шувалов, А.Ф. Ярославцев; под ред. профессора В.П. Шувалова. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005 – 592 с.
5. Кааранен Х. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы ⁄ Х. Кааранен, А. Ахтиайнен, Л. Лаитинен, С. Найян, В. Ниеми. - М.: Техносфера, 2008 – 468 с.
6. Дансмор Б. Справочник по телекоммуникационным технологиям ⁄ Б. Дансмор, Т. Скандьер. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 640 с.
7. Тихвинский В.О. Управление и качество услуг в сетях GPRS/UMTS ⁄ В.О. Тихвинский, С.В. Терентьев – М.: Эко-Трендз, 2007. – 400с.
8. Laiho J. Radio network planning and optimization for UMTS ⁄ Jaana Laiho, Achim Wacker, Tomas Novosad – John Wiley & Sons LTD, England, 2006 – 630 p.
9. Chevallier C. WCDMA (UMTS) Deployment Handbook. Planning and optimization ⁄ Christophe Chevallier – John Wiley & Sons LTD, England, 2006 – 390 p.
10. Семенов Ю.В. Проектирование сетей связи следующего поколения ⁄ Ю.В. Семнов - СПб.: Наука и техника, 2005 - 240 с.
11. Технология WCDMA | Сайт о WCDMA [електронний ресурс] - http://wcdma3g.ru/

Примітка

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2010р. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.