Бордунова Ольга Владимировна

Научный руководитель: Бессараб Владимир Иванович

Реферат по теме выпускной работы

Разработка и исследование методов оптимизации в сетях CDMA

Беспроводные системы связи в современном обществе привели к изменениям, которые невозможно было ранее предугадать. На сегодняшний день мобильная связь является неотъемлемым атрибутом в жизни каждого человека. Сложно даже представить, что будет если забыть дома мобильный телефон.

Мобильная связь развивается стремительными темпами, увеличивая объем и качество предоставляемых сервисов. Реализация нововведений осуществляется как за счет создания новых технических решений, так и путем оптимизации существующих сетей.

На сегодняшний день в Украине уже существуют сети CDMA (оператор CDMA Ukraine, Интертелеком, Велком-Телеком, а также PeopleNet и МТС, которые предоставляют доступ в интернет в стандарте CDMA), поэтому целесообразнее будет проводить оптимизацию сетей, а не их строительство [1].

Обеспечение эффективной работы сети, которая обслуживает большое количество пользователей, является серьезной технической проблемой. Может произойти ситуация, когда в ходе планирования полученные характеристики сильно отличаются реальных, в результате чего сеть будет функционировать неэффективно. Поэтому актуальным вопросом является разработка методов оптимизации сетей CDMA для улучшения их функционирования.

Целью данной работы является исследование и разработка методов оптимизации радиопокрытия сетей CDMA. Это производится для обеспечения целостного радиопокрытия заданной территории, а соответственно и для предоставления качественной связи абонентам.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Исследовать методы оптимизации радиопокрытия в сетях CDMA;

2. Установить критерии, по которым будет проводиться оптимизация;

3. Разработать математический алгоритм оптимизации радиопокрытия;

4. Провести моделирование системы.

Объектом исследования является сегмент сети CDMA и его характеристики покрытия.

Методы исследования. В работе использовался математический аппарат теории распространения радиоволн.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Квалификационная работа магистра выполнена на протяжении 2010-2011 гг. согласно научным направлениям кафедры «Автоматики и телекоммуникации» Донецкого национального технического университета.

Предполагаемая научная новизна полученных результатов. Новизна магистерской работы заключается в повышении эффективности функционирования существующих сетей CDMA за счет разработки алгоритма оптимизации радиопокрытия.

Обзор разработок и исследований по теме.

На локальном уровне, т.е. на кафедре АТ, исследования в сфере сетей CDMA проводили Итальянская В.С., Иржанский В.Е.

На национальном уровне разработками и исследованиями касающимися стандарта CDMA занимались: Климаш М.М., Вакула Ю.Я., Самер Аввад «Моделювання та дослідження впливу умов поширення радіосигналів на якість зв'язку в мобільних системах стандарту CDMA», Волков С.Л. «Використання технології CDMA при побудові мереж зв’язку».

На глобальном уровне, т.е. в мире, проводится достаточно большое количество разработок и исследований CDMA сетей. В частности, группой CDG (CDMA Development Group), ассоциация по развитию технологии CDMA, включающая около 90 компаний, которые расположены в основном в США [2]. А также организациями Qualcomm (компания по разработке и исследованию беспроводных средств связи), Huawei, Lucent, Motorola, Nortel. В России тоже проводят исследования, разработки, конференции и семинары, которые касаются сетей CDMA.

Понятие оптимизации. Методы оптимизации

Тема: «Методы оптимизации в сетях CDMA» достаточно широка, ее необходимо проводить поэтапно. В данной работе будем проводить оптимизацию радиопокрытия сети.

Оптимизация – это совокупность мер, направленная на обеспечение максимальной эффективности использования существующих аппаратных и программных средств, для минимизации стоимости развертывания сети. При осуществлении оптимизации используются математическая модель, целевая функция и оптимизационный алгоритм. Данная схема представлена на рисунке 1 [3].

При проектировании сотовой сети важным этапом является ее планирование, в ходе которого моделируется зона покрытия заданной территории. Эти результаты применяются для предварительной оценки зоны обслуживания. Комплекс мер по оптимизации сети направлен на достижение высокого и надежного качества связи, максимальной пропускной способности, увеличение зоны обслуживания.

Оптимизация в сетях CDMA имеет большее значение, чем в сетях NMT, AMPS, GSM, т.к. соседние базовые станции (БС) в таких сетях работают на разных частотах и уровень внутрисистемных помех при этом значительно ниже. В случае недостатка частотного ресурса увеличение пропускной способности сети CDMA достигается увеличением плотности расположения базовых станций, что еще в большей степени осложняет проблему внутрисистемных помех и повышает зависимость достижения целевых параметров от эффективности проведения процесса оптимизации данной и окружающих базовых станций [4].

Кратко рассмотрим 4 основных метода оптимизации:

1) Параметрическая оптимизация. При использовании данной оптимизации происходит изменение параметров радиосети для повышения и управления пропускной способностью БС сети, а также для совершенствования качества связи. Данная оптимизация связана и проводится совместно со структурной и антенной оптимизацией. Этот метод включает статическую и динамическую параметрическую оптимизацию.

Примерами динамической оптимизации может быть изменение загрузки секторов базовой станции в разное время суток за счет перераспределения зоны обслуживания между секторами соседних базовых станций или временной переброски с помощью оптического ретранслятора емкости (зоны обслуживания) недогруженного сектора удаленной базовой станции в зону перегруженного сектора другой базовой станции [4]. Данный метод самый оперативный.

2) Антенная оптимизация. При использовании данного метода происходит изменение высот поднятия антенны, углов наклона, азимутов, антенных структур, типов антенн, формы диаграммы направленности антенны. Антенную оптимизацию применяют в случаях необходимости перераспределения зоны обслуживания, абонентской нагрузки, для повышения качества связи, уменьшения внутрисистемной интерференции и борьбы с помехами. Различают статическую и динамическую антенную оптимизацию.

Под динамической антенной оптимизацией понимается автоматическое дистанционное изменение угла наклона секторных антенн и в общем случае управление формой диаграммы направленности для достижения нуля в направлении периодически возникающей помехи. Динамическое изменение параметров антенны может быть использовано для оперативного перераспределения нагрузки, защиты от помехи [4].

3) Структурная оптимизация. Этот метод включает: синтез многосекторных гибридных структур приемопередатчиков и антенных систем, а также синтез ретрансляторных систем.

4) Индивидуальная оптимизация. Применение данного метода направлено на обнаружение и устранение причин жалоб абонентов.

Описание полученных и планируемых результатов работы

Процесс исследования начался с изучения технологии CDMA. В ходе научной работы был выявлен ряд преимуществ данного стандарта. Приведем некоторые из них: хорошее качество передачи речи, отличная помехоустойчивость, минимальная излучаемая мощность, мягкий хэндовер, широкий охват местности, безопасность и секретность информации [5].

В CDMA системах каждый голосовой поток отмечен своим уникальным кодом и передается на одном канале одновременно со многими другими кодированными информационными потоками. Принимающая сторона использует тот же код для выделения сигнала из шума. Единственное отличие между множественными информационными потоками это уникальный код. Канал, как правило, очень широк. Эта система использует наборы каналов шириной 1.25 МГц. В системах CDMA могут устанавливаться очень прочные и защищенные соединения, несмотря на экстремально низкую величину мощности сигнала [6].

В магистерской работе будет проводиться антенная оптимизация радиопокрытия, т.е. будут изменяться высоты поднятия антенн и угла наклона. При оценке зоны покрытия целесообразно провести исследования с помощью модели распространения радиосигнала в пространстве.

Широкое распространение при расчете средних потерь мощности на трассе получил метод Окумура-Хаты. Данный метод основан на аналитической аппроксимации результатов практических измерений. Набор эмпирических формул и поправочных коэффициентов, полученный в результате такой аппроксимации, позволяет рассчитать средние потери для различных типов местности [7].

Средний уровень потерь на радиотрассе, следуя модели, определяется следующим образом:

Для городов с плотной застройкой рассчитывается по формуле:

Для средних и малых городов:

Исходя из рассмотренной модели распространения радиоволн, можно определить расстояние до границ ячейки r, км. Приняв, для расчетов, hb =30 м, hm =1,5 м и частоту несущей f=450 МГц, получим:

Для рациональной расстановки БС воспользуемся компьютерными средствами, а именно программным пакетом RPS-2 (Radio Planning System). Качество получаемого результата зависит от того, насколько точно в процессе планирования учтены особенности местности, параметры аппаратуры, источники возможных помех и множество других факторов, учесть которые без использования автоматизированных компьютерных инструментов в современных условиях невозможно [9]. Данная программа, использует цифровые карты местности и характеристики сотовой сети как исходные данные. Она позволяет создать проект новой сети или расширить уже развернутую сеть, оценить ее преимущества и недостатки.

Проведем моделирование с помощью программы RPS-2 и представим полученные результаты. Для создания проекта необходимо ввести исходные данные – частоты передачи, полосу канала, разнос частот, отношение сигнал/помеха, скорость передачи. Исходную сеть спроектируем в диапазоне 462.5—467.475 МГц. С помощью gif-анимации проиллюстрируем последовательное покрытие территории от 8 базовых станций. В черном прямоугольнике изображена исследуемая область.

При расчете покрытия использовалась модель Хата с учетом плотной застройки, высота поднятия антенны принята 30 м, а высота абонентской антенны 1,5 м. При этом мощность передатчика составила 28 дБм. Заметим, что абоненты находящиеся в непосредственной близости к БС, имеют больший уровень мощности, чем удаленные от нее пользователи.

С помощью программы посмотрим зоны наличия/отсутствия связи рисунок 3.

Отметим, что в полученной области есть зоны обслуживания в обоих направлениях (зеленый цвет), а есть только обратное обслуживание (красный цвет), а есть такие зоны, в которых вообще отсутствует связь (серый цвет). Сеть необходимо улучшить таким образом, чтобы обслуживались все абоненты в двух направлениях.

С помощью данной программы также можно оценить зоны перекрытия нескольких базовых станций, ниже указано обозначение цветов соответствующих определенному перекрытию секторов либо сот БС. А также видны зоны отсутствия связи, которые в дальнейшем будут оптимизированы.

Используя программу RPS-2, проведем исследования. Изменяя высоту поднятия антенны в промежутке 30 - 50м, с учетом различных типов местности (плотная застройка, пригород, село) проследим изменение радиуса покрытия, а соответственно мощности принимаемого сигнала.

Заметим, что наибольший радиус соты получен для расчета покрытия в сельской местности, а наименьший – в условия плотной застройки, т.к. в сельской местности сигнал встречает меньше преград и не так ослабевает как в городе, встречая на своем пути высотные дома.

Учитывая, что в работе проводится антенная оптимизация, сделаем еще 1 эксперимент. Изменяя углы наклона антенн в диапазоне 0 - 15°, проследим изменение радиуса покрытия.

Исходя из результатов эксперимента, можно отметить, что увеличением угла наклона антенны, радиус покрытия соты уменьшался. Для сельской местности, как и в предыдущем испытании, получены большие значения радиуса в сравнении с плотной городской застройкой.

Проведем оптимизацию вышеприведенной схемы путем изменения высот поднятия антенны с 30 м до 50 м. Заметим, что там, где ранее отсутствовала связь, теперь она имеется, причем и в направлении БС->абонент, так и абонент->БС.

Зоны перекрытия обеспечивают непрерывность связи при переходе из соты в соты (так называемый хэндовер). Эстафетная передача позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент. В системах CDMA организован мягкий хэндовер, который происходит без потери качества связи. Он осуществляется между различными секторами антенны базовой станции в пределах соты (работа на одной несущей частоте) [10].

Таким образом, на данный момент выполнения работы обоснована необходимость оптимизации радиопокрытия в сетях CDMA. Исследованы зависимости радиуса покрытия от высоты поднятия антенны и угла ее наклона. Рассмотрена модель распространения радиоволн Окумура-Хаты. Можно сделать вывод что, с помощью программы RPS-2 процедура выбора местоположения базовой станции позволит принять более обоснованные решения при оптимизации сети и повысить эффективность функционирования системы.

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра была не завершена. Дата окончательного завершения работы: 15 декабря 2011 года. Полный текст и материалы по теме могут быть получены у автора и его научного руководителя после указанной даты.