УСРЕДНЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИЙ И ОБЩЕЕ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВЯЗИ В СЕТЯХ СТАНДАРТА GSM ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЖИМА СО СКАЧУЩЕЙ ЧАСТОТОЙ НЕСУЩЕЙ

Автор: Орленко А.Н.
Источник: Сбоник студенческих научных работ кафедры автоматики и телекоммуникаций. – Донецк : ДонНТУ, 2007

На ранних этапах развития сотовой связи стандарта GSM в Украине главным для операторов было обеспечить покрытием как можно более широкую площадь. В это время услуги сотовой связи были достаточно дорогими и немногие в Украине могли себе позволить пользоваться ими, поэтому требования к емкости сети были не велики. В это время плотность базовых станций была небольшой, но использовались обычно большие мощности передатчиков, а антенны устанавливались на большой высоте.
Однако, рынок сотовой связи постепенно рос и вместе с ним повышались требования к емкости сети. Операторы активно принялись за строительство новых базовых станций, повышая их общую плотность, и расширение емкости существующих путем навешивания новых передатчиков. Как следствие, переиспользование частот росло, и все более актуальной становилась проблема интерференций, став сегодня одной из главных.
Это подтолкнуло операторов к активной оптимизации своих сетей с целью улучшения эксплуатационных характеристик и повышения качества обслуживания абонентов. Основными путями уменьшения интерференций являются:

Данная статья посвящена хоппингу и его влиянию на качество обслуживания абонентов.
Стандарт GSM предусматривает использование так называемого медленного хоппинга, когда каждый новый TDMA кадр передается на новой частоте и общая скорость, таким образом, составляет 217 скачков в секунду. Выделяют два вида хоппинга: циклический и псевдослучайный [2].
Два параметра определяет частоту, используемую при передаче каждого кадра: так называемый Mobile Allocation Index Offset (MAIO) и номер хоппинговой последовательности (HSN). Параметр MAIO может принимать столько значений, сколько частот в хоппинговом листе и используется для индикации сдвига внутри хоппингового листа, используемого для определения частоты. Хоппинговый лист – это список частот, используемых для хоппинга на данном сайте или в данной соте. Параметр HSN может принимать значения от 0 до 63. Если HSN=0, то используется режим циклического хоппинга, в любом другом случае – псевдослучайный. На основе заданных параметров алгоритм определения индекса абсолютного номера радиоканала представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Алгоритм определения индекса абсолютного номера радиоканала в хоппинговой последовательности.

Здесь FN – номер кадра в цикле, N – число частот в хоппинговом листе, S определяется по известному HSN, временным параметрам, числу частот в хоппинговом листе и наперед заданной специальной таблице.
Таким образом, две последовательности с одинаковым HSN, но разным MAIO никогда не пересекутся, то есть хоппинговые последовательности являются ортогональными. Два канала с различными HSN, но одинаковым листом хоппинговых частот будут интерферировать в пределе в 1/m временных интервалах, где m – число частот в хоппинговой последовательности. Именно это может быть использовано для усреднения и распределения интерференций по сети.
Усреднение интерференций связано с постоянным изменением локации источника интерференции, что позволяет распределить общесетевую интерференцию между всеми мобильными терминалами. На рисунке 2 показана типичная ситуация. Слева показан режим без использования хоппинга: в этом случае один телефон испытывает очень высокий уровень интерференций, в то время как два других находятся практически в идеальных условиях. Справа же показан режим с использованием псевдослучайного хоппинга. Штриховой линией показан уровень интерференции на протяжении определенного интервала времени. Качество приема двух последних станций с лучшими условиями деградирует не так сильно как улучшится качество приема первой.
Существует два типа хоппинга: хоппинг по базовому диапазону и синтезированный хоппинг. В первом случае число хоппинговых частот, используемых в соте, определяется числом передатчиков, обслуживающих данную соту. Каждый передатчик работает на фиксированной частоте. То есть при установленном соединении каждая новая информационная посылка коммутируется на новый передатчик. В режиме же синтезированного хоппинга звонок обслуживается одним передатчиком, но его частота постоянно меняется. Число хоппинговых частот в отдельной соте может быть ограничено лишь числом имеющихся у оператора частот за вычетом тех, которые используются для широковещательных сигнальных каналов. То есть этот тип хоппинга является значительно более гибким и предъявляет меньшие требования к качеству радиопланирования.

Рисунок 2 - Усреднение интерференций за счет использования псевдослучайного хоппинга

Очень важным фактором при развертывании сети с псевдослучайным хоппингом, влияющим на эксплуатационные характеристики сети и качество обслуживания абонентов, является фактор переиспользования частот. Обычно он обозначается как x/y, где x – фактор переиспользования сайтов, y – фактор переиспользования секторов. Типичные примеры переиспользования для трехсекторных кластеров представлены на рисунке 3 – это частотные планы 3/9, 1/3, 1/1.
Естественно, чем более плотным становится переиспользование частот – тем хуже становится распределение интерференций по сети, но, с другой стороны, тем больших выигрышей позволяет добиться использование частотного хоппинга. Это демонстрируют графики, представленные на рисунках 4 и 5.

Рисунок 3 - Типичные схемы переиспользования частот в сетях с псевдослучайным хоппингом.

Оба эти графика получены в условиях реальной сети оператора Optus/Brisbane [3].

Рисунок 4 - Уровень битовых ошибок при различных схемах переиспольхования хоппинговых частот

Однако, более инновационными и перспективными являются схемы переиспользования частот вида n/n. Некоторые примеры таких схем представлены на рисунке 6.
Схема 3/3 должны позволить обеспечить распределение интерференций близкое к 3/9, но в тоже время добиться выигрыша от хоппинга такого как в схеме 1/1. Однако здесь все зависит от числа имеющихся хоппинговых частот, а также существующей конфигурации передатчиков, в частности их среднего числа на сектор.

Рисунок 5 - Уровень кадров с неисправимыми ошибками при различных схемах переиспользования хоппинговых частот.

Рисунок 6 - Схемы переиспользования частот вида n/n

Для того, чтобы избежать внутрисайтовых интерференций можно контролировать частоту работы каждого передатчика, задавая для каждого из них свой MAIO. Здесь определяющим является отношение числа хоппинговых частот на сайт к среднему числу передатчиков на сектор. Если это отношение больше либо равно 6, то можно задать такие значения MAIO, что интерференции как по соседнему каналу, так и по совпадающему каналу внутри сайта будут отсутствовать. Если же это отношение лежит в пределах о 3 до 6, то межсекторные интерференции по соседнему каналу неизбежны. Если от 1 до 3, то неизбежными становятся межсекторные интерференции по соседнему и совпадающему каналу, а также внутрисекторные интерференции по соседнему каналу. Все вышесказанное относительно интерференций по соседнему каналу относится к наихудшему случаю, когда хоппинговые частоты идут подряд в сплошном диапазоне.
Выводы: В данной статье был рассмотрен режим хоппинга в сетях подвижной связи стандарта GSM. Показано, что хоппинг позволяет усреднить интерференции, которые испытывают отдельные подвижные станции и улучшить среднее качество обслуживания абонентов. Было предложено использование частотных планов вида n/n, которые должны позволить добиться .большего выигрыша от использования хоппинга, чем традиционные схемы вида n/m.

Перечень ссылок
1. Карташевский В.Г. Семенов С.Н. Фирстова Т.В. Сети подвижной связи – М: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.
2. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network. Radio Subsystem Link Control (Release 7). - 3GPP. 2006.
3. Jorg Eberspacher, Hans-Jorg Vogel and Christian Bettstetter. GSM Switching, Services and Protocols: Second Edition. – Chichester: John Willey & Sons, Ltd, 2001.