<<назад «Повышение эффективности сотовых сетей CDMA путем оптимизации покрытия отдельных ячеек», автор Хализов А. В. Первоисточник: http://www.ebiblioteka.lt/resursai/Uzsienio%20leidiniai/MFTI/2006/240.pdf    Критерий эффективности сотовой сети    Когда говорят об эффективности какой-либо системы, подразумевают то, в какой мере система выполняет возложенные на нее функции, при этом так или иначе учитывая, какой ценой это достигнуто. Повышение эффективности, таким образом, может быть достигнуто как увеличе- нием возможностей системы, так и уменьшением тех ресурсов, посредством которым эти возможности получены. Процесс повышения эффективности носит название оптимизация.    Для сети сотовой связи также можно ввести понятие эффективности. Причем, как и для любого сложного образования, критериев эффективности может быть несколько. В научно-технической среде основное внимание сосредоточено на технических параметрах системы. С этой точки зрения система сотовой связи есть некое средство, призванное обеспечивать связью заданного качества заданное количество абонентов.    Основными техническими параметрами сотовой системы как единого целого явля- ются так называемая емкость, т.е. то число абонентов, которое система может обслужи- вать одновременно, и зона покрытия. Зона покрытия определяется как географическая область, в которой услуги сети могут быть приняты с надлежащим качеством.    Чем больше емкость и зона покрытия сети, тем выше возможности сети как систе- мы обслуживания, однако, если говорить об эффективности, то здесь необходимо учиты- вать, какими средствами достигнуты эти возможности: в данном случае, сколько базовых станций использовалось для получения такой емкости и зоны.    В результате, мы предлагаем следующее выражение для эффективности сети сотовой связи: где EFFNET – эффективность, N? – общее число каналов трафика, S? – площадь зоны обслуживания, M – общее число секторов в сети (например, если в системе используются десять трехсекторных базовых станций, M = 10 ? 3 = 30 ), K – коэффициент, отражающий все другие, или некоторые выборочные параметры, характерные для сотовой сети данного типа (например, K может соответствовать ширине полосы частот, в которой работает система – если необходимо сравнить эффективность двух систем, использующих не равные полосы; или стоимости одной базовой станции, если необходимо сравнить эффективность систем, учитывая экономический аспект).    Приведенное выражение (1), очевидно, носит чисто пользовательский, относитель- ный характер. Именно такую эффективность часто подразумевают, когда говорят: "Этот стандарт лучше того-то: здесь, чтобы покрыть весь город, достаточно всего лишь столько- то базовых станций". Несмотря на это, подобное соотношение может быть использовано в нашем случае для сравнения состояния сети до и после оптимизации.    Рассмотрим пределы изменения эффективности сети.    Иерархия классической сотовой системы представлена на рисунке 1.    Рисунок 1. Структура сети сотовой связи    Поскольку сотовая сеть состоит из однотипных базовых станций (или ячеек), а ба- зовые станции, в свою очередь, из отдельных секторов, эффективность системы в целом в первом приближении будет определяться эффективностью отдельно взятого сектора.    Такую эффективность имеет идеальная сотовая сеть, однако в реальности общесис- темная эффективность всегда хуже эффективности отдельно взятой ячейки. Причины этого, очевидно, кроятся в несоответствии реального числа каналов и общей емкости сети простой сумме соответствующих характеристик отдельных секторов.    Несоответствие эффективностей ячейки/отдельного сектора и всей сети характерно для всех без исключения стандартов сотовой связи. В то же время, в большинстве случаев основным фактором снижения эффективности является некачественное покрытие, т.е.    Особенности систем CDMA    Базисные принципы метода широкополосной передачи данных в одной полосе с разделением сигналов по форме были предложены нижегородским ученым Д.В. Агеевым еще в 1935 году в статье "Основы теории линейной селекции". Кодовое разделение (се- лекция) является основой второй по распространенности на сегодняшний день технологии сотовой связи – технологии CDMA.    На базе CDMA (code division multiple access – множественный доступ с кодовым разделением), в свою очередь, разработаны такие стандарты, как cdmaOne (IS-95) [1] и cdma2000 (IS-2000), общее число абонентов которых в мире превышает 280 млн. (2005 г.). Cdma2000 имеет несколько модификаций, которые обеспечивают плавный переход от IS-95, представляющего второе поколение систем сотовой связи, к более совершенному третьему поколению. Между тем, значительную часть существующих систем CDMA, около 20%, а это более 64 млн. абонентов (на начало 2005 г.), составляют именно системы IS-95, что обеспечивает актуальность всех вопросов, касающихся этого стандарта. Системы сотовой связи cdmaOne обладают рядом преимуществ по сравнению с другими представителями 2G, реализованными на технологии временного разделения сигналов – TDMA, а именно: - имеют большую потенциальную емкость и больший радиус обслуживания базовой станции; - являются экологичными: средняя мощность излучения более чем на порядок ниже, чем в GSM; - им изначально присуща скрытность и защищенность передачи, так как вся информация передается в широкой полосе частот в виде кодов.    В то же время, практика показывает, что в реальных сетях cdmaOne существует проблема несоответствия реальной емкости сети с ее потенциальными возможностями.    Рассмотрим ячейку базовой станции стандарта IS-95.    Для разделения каналов в направлении "вниз" (от базовой станции до абонентов) в стандарте IS-95 используются 64-х битные коды Уолша. Соответственно, базовая станция может организовать 64 независимых канала связи. Учитывая то, что обычно три из них (пилот-канал, канал синхронизации и один канал вызова) используются для служебных целей, получается, что потенциальная емкость одной ячейки CDMA равна 61.    В результате, например, сеть, состоящая из 10 трехсекторных базовых станций, будет иметь суммарную емкость N ? = 10*3 * 61 = 1830 каналов и теоретически сможет обслуживать около 30 тысяч абонентов. Такое количество – очень хорошая цифра для CDMA-оператора, работающего на крупный город с пригородами (принимая во внимание настоящее положение дел в доле абонентской базы CDMA сетей в России).    В то же время, опыт практической эксплуатации говорит о гораздо более скромных характеристиках. Для рассматриваемой гипотетической сети реальная суммарная емкость Можно выделить две причины столь значительного снижения реальной емкости.    Рассмотрим первую причину, ключевое понятие в которой – "мощность".    Известно, что емкость прямой линии cdmaOne, помимо собственно числа кодовых последовательностей, ограничена мощностью, которую ячейка базовой станции может выделить обслуживаемым абонентам. Особенностью CDMA является наличие гибкой системы регулирования мощности, которая для каждого из каналов трафика поддерживает уровень сигнала, необходимый и достаточный для поддержания заданного качества этого канала. В результате, емкость ячейки является зависимой от картины распространения сигнала и от распределения плотности трафика в зоне обслуживания ячейки: чем более значительное затухание испытывает сигнал на трассе, тем большую часть мощности сис- тема вынуждена затрачивать на каждый отдельный канал связи, и тем меньше, в конечном итоге, реальная канальная емкость. Обычно, для крупного города число каналов варьиру- ется от 18-25 для мобильных абонентов до 30-45 для стационарных. Обязанность системы регулирования мощности в CDMA – поддерживать необхо- димое качество канала связи. Качество связи в CDMA, выражается в частоте ошибочных кадров – FER, которая, в свою очередь, напрямую зависит от соотношения сигнал/шум Ec Io . То есть, естественным образом, на емкость сектора влияет помеховая обстановка в этом секторе, определяющая знаменатель дроби.    Здесь необходимо ввести в рассмотрение такое важное и специфическое явление системы CDMA, как мягкий хэндоф (soft handoff) [2]. Как известно, мягкий хэндоф (в отличие от "обычного" – жесткого хэндофа, имеющего место в сетях TDMA, например, в GSM) означает возможность коммуникации мобильного терминала CDMA сразу с несколькими ячейками сети. Это могут быть как ячейки различных базовых станций, так и соседние сектора одной БС – в этом случае го- ворят об "очень мягком" хэндофе.    Вполне естественно, что число каналов приема ограничено. Традиционная идеоло- гия построения сети, давшая название всей технологии, предполагает расположение базо- вых станций в узлах треугольной решетки и типовую направленность антенн, в результате чего границы отдельных ячеек становятся похожими на соты (см. рис.2).    Рисунок 2. Сотовая структура покрытия сети    Такая конфигурация обеспечивает оптимальное перекрытие ячеек и не содержит областей с присутствием сигнала более трех ячеек (см. рис.3).    Рисунок 3. Зоны хэндофа для 3-х базовых станций    Этот факт лег в основу того, что рейк-приемник абонентского терминала сети IS-95 содержит три линейки, соответственно, имея возможность обрабатывать только три сиг- нала.    Между тем, это могут быть не обязательно сигналы различных ячеек, но также и переотраженные копии сигнала одной ячейки, поступающие в приемник с задержкой. Шум в системе CDMA, в отличие от узкополосных систем, определяется не только и не столько естественным внешним фоном. Поскольку все сектора работают в одной по- лосе частот, внутри системы, на не очень большом удалении от базовых станций, шум в основном состоит из сигналов соседних ячеек. Мощность полезного сигнала, в свою оче- редь, определяется уровнями и количеством сигналов, которые в этот момент обрабатыва- ет рейк-приемник. Вследствие этого, поскольку число каналов приема ограничено тремя, в ситуации, когда в точке приема присутствуют более чем три сигнала с сопоставимыми уровнями (повторим, это могут быть не только сигналы различных секторов, но и переот- раженные сигналы), результирующее отношение сигнал шум не будет высоким, даже если отдельные компоненты достаточно мощны. В таком случае система будет вынуждена поднимать мощность каналов активного набора, тем самым, снижая реальную емкость соответствующих ячеек.    Мы рассмотрели первую причину снижения емкости системы cdmaOne. И если в ней мягкий хэндоф играл лишь одну, не главную из ролей, то вторая причина целиком и полностью является следствием работы системы в этом режиме. Мягкий хэндоф в CDMA является положительным свойством сети для абонентов, поскольку не только позволяет осуществить безразрывную передачу обслуживания от од- ной станции к другой (т.е. собственно хэндоф), но и обеспечивает более эффективный ре- жим работы мобильного терминала даже в отсутствии перемещения (в хэндофе могут ра- ботать и стационарные аппараты), однако для оператора означает неизбежное снижение общей емкости сети, поскольку в зонах хэндофа для организации одного разговора задействуются ресурсы нескольких секторов. В CDMA-связи существует понятие хэндоф-фактора (handoff factor, handoff over- head factor) [3]. Эта статистическая величина отражает деградацию емкости, обусловлен- ную занятием некоторой доли каналов трафика под нужды хэндофа. В численном виде хэндоф-фактор находится как отношение числа использованных радиоканалов к общему числу разговоров за определенное время. Эта величина может быть определена как для отдельных ячеек, так и для всей системы. Хэндоф-фактор отдельных ячеек представляет интерес при оптимизации сети, общесистемный хэндоф-фактор является важной характе- ристикой всей сети. Для действующих CDMA-сетей нормальным является значение об- щесистемного хэндоф-фактора около 1,6…1,8. Таким образом, наличие мягкого хэндофа дополнительно снижает емкость системы почти на 40%!    Перечислим все рассмотренные факторы, влияющие на емкость cdmaOne: - зависимость бюджета мощности от распределений потерь и трафика по тер- ритории – не только снижает "среднюю" емкость ячейки, но и создает не- равномерность в емкости отдельных секторов; - плюс к этому, дополнительный вклад в ухудшение помеховой ситуации в некоторых областях сети, а, следовательно, редукцию емкости соответст- вующих секторов вносит чрезмерное количество сигналов соседних ячеек; - существенное уменьшение общей емкости вызвано наличием зон мягкого хэндофа. Если выделить общее в перечисленных факторах, то можно сделать вывод, что на емкость CDMA-сети существенным образом влияет правильное распределение мощности отдельных секторов по территории обслуживания. И неравномерность емкости, и хэндоф- фактор могут быть улучшены путем оптимизации взаимного перекрытия ячеек.    Изменение покрытия отдельных ячеек – средство влияние на емкость сети    При планировании сети, предполагая распределение трафика и по возможности точно рассчитывая потери сигнала при распространении для каждого сектора, можно до- биться приемлемой картины путем грамотной расстановки базовых станций [3]. Однако, во-первых, оптимальное расположение станций не всегда технически возможно, во- вторых, теоретические данные, использующиеся при расчете сети, могут иметь довольно большие расхождения с действительностью. Кроме того, большинство сетей cdmaOne уже развернуты, а перемещение базовых станций в пределах города, где, собственно, подобная оптимизация и необходима, является неоправданной задачей.    С учетом этого, практический интерес представляет задача оптимизации дейст- вующих сетей cdmaOne. Нам представляется, что такая оптимизация возможна, если отойти от традиционной концепции построения сети сотовой связи, при которой все сек- тора имеют идентичные диаграммы направленности, и использовать на базовых станциях антенны с диаграммами направленности, рассчитанными индивидуально.    Традиционное построение сотовой сети не является оптимальным в условиях ре- ального города: неравномерная застройка с переменной этажностью и различным мате- риалом зданий, локальные особенности рельефа, особенности землепользования, наличие крупных цехов, линий электропередачи, водных поверхностей, парков приводит к тому, что при прохождении различных участков территории обслуживания сигнал может испы- тывать затухания, различающиеся на несколько порядков. В случае, когда все сектора имеют одинаковые характеристики, т.е. на них стоят одинаковые антенны, направленные по типовым направлениям, это ведет к двум следствиям. Во-первых, различные секто- ра/базовые станции могут иметь значительно отличающиеся по площади зоны обслужи- вания, во-вторых, зоны обслуживания отдельных секторов могут иметь заметные азиму- тальные неравномерности.    В этом случае границы зон будут неровными, в некоторых местах зоны хэндофа будут избыточными, а в некоторых – недостаточными (см. рисунок 4).    Рисунок 4. Реальные области обслуживания секторов системы из трех БС    Все вышесказанное позволяет сделать вывод, что к планированию покрытия в се- тях CDMA необходим более тонкий подход. В конечном итоге, нам представляется необ- ходимым отойти от традиционной идеологии построения сети, при которой все сектора имеют идентичные диаграммы направленности и использовать для покрытия сектора ан- тенны с диаграммой направленности, оптимизированной для обслуживания данного кон- кретного углового сектора с учетом зон покрытия всех других секторов.    Возможны различные варианты реализации подобных антенн. Примитивным спо- собом регулирования зоны покрытия является использование обычных секторных антенн в сочетании с боковыми отражателями. Регулируя размеры и угол установки отражателей, можно в некоторых пределах изменять ширину главного лепестка диаграммы направлен- ности, регулируя наклон антенны – устанавливать максимальный радиус обслуживания.    В некоторых случаях, например, в случае, если рассчитанные оптимальные зоны покрытия могут быть реализованы с помощью диаграмм направленности с коэффициен- том усиления, слабо изменяющимся в пределах сектора, или в том случае, если необходи- ма узкая диаграмма направленности (менее 45 градусов) использование указанного спосо- ба оправдано. Кроме того, такой способ экономически наиболее привлекателен, поскольку позволяет полностью сохранить существующее антенное оборудование.    Тем не менее, изменение только ширины, направления и наклона диаграммы на- правленности в общем случае не позволит получить зону покрытия, с достаточной точно- стью приближенную к необходимой. Очевидно, для решения поставленной задачи необ- ходимы антенны с возможностью изменения коэффициента усиления в пределах сектора обслуживания.    Предлагается следующая структура антенной системы, позволяющая производить регулировку коэффициента усиления в секторе обслуживания в нескольких направлениях.    Принцип действия такой антенны состоит в том, что весь сектор обслуживания (например, 120°), разбивается на некоторое число "субсекторов" (в общем случае они мо- гут быть не равными друг другу). На каждый из субсекторов работает своя антенна с ши- риной диаграммы направленности, равной этому сектору. Сигналы всех субсекторов син- фазно складываются/разделяются в распределителе (сплиттере) с коэффициентами пере- дачи, рассчитанными индивидуально для каждого субсектора. На рисунке 5 проиллюст- рирована ситуация, когда все субсектора имеют одинаковую ширину.    Рисунок 5. Лепестки диаграмм направенности отдельных субсекторов    В результате совокупная диаграмма направленности может в определенных преде- лах менять свою форму (см. рис. 6), что предоставляет большие возможности для оптими- зации сети.    Рисунок 6. Общая диаграмма направленности субсекторизированного сектора    В данном случае оптимизация заключается в выравнивании (эквалайзинге) зон по- крытия отдельных секторов путем выбора необходимых ширин и направлений отдельных субсекторов и правильной настройке коэффициентов передачи сплиттера. Полученные зоны покрытия должны составлять систему, максимально удовлетворяющую следующим требованиям: - ширины зон перекрытия следует минимизировать до необходимых для обеспечения устойчивого хэндофа; - необходимо минимизировать зоны с присутствием сходных по мощности сигналов более чем двух секторов; - необходимо минимизировать внутренние зоны с недостаточным для под- держания уверенной связи уровнем сигнала.    Вариантом реализации предложенной антенной системы может стать система, со- стоящая из стандартных секторных антенн с узкими диаграммами направленности, распо- ложенных на одной мачте и направленных каждая в своем направлении в пределах секто- ра обслуживания. В таком случае необходимая диаграмма реализуется уже не одной сложной специализированной антенной, а несколькими типовыми узконаправленными антеннами. В настоящее время в ассортименте ряда производителей оборудования для со- товой связи (например, немецкой фирмы Kathrein [4]) имеются антенны с шириной луча до 30 градусов, что позволяет разбивать стандартный 120-градусный сектор на четыре субсектора. Большее разбиение не оправдано, поскольку, с одной стороны, такая точность неадекватна решаемой практической задаче, а с другой стороны, антенны подобного клас- са с ДН меньше 30 градусов труднореализуемы.    Число субсекторов в секторе (т.е. 2, 3 или 4) зависит от радиообстановки в данном конкретном секторе, а также от ширины этого сектора (кроме того, использование того или иного количества субсекторов ограничено реалиями места установки). В некоторых случаях оптимальным будет разбиение сектора на неравные доли (например, 30° и 90°). Может иметь место ситуация, когда вообще не требуется разбиение сектора, достаточно лишь изменить его направление, наклон и, возможно, применить антенну с другой шири- ной диаграммы направленности. Все эти решения принимаются в ходе итеративного оп- тимизационного процесса, который проводится на базе специально написанного для этой цели программного обеспечения Cdma Optimizer [6] в режиме диалога "человек-машина".    Программа Cdma Optimizer позволяет моделировать CDMA-сеть, использующую субсектора, рассчитывать основные характеристики сети в зависимости от выбранной конфигурации субсекторов, строить карту покрытия сети и т.д. В качестве исходных дан- ных для расчета покрытия используется информация натурных исследований сети – драйв-тестов [3]. Результатом работы программы является конфигурация субсекто- ров/секторов, соответствующая компромиссу между максимумом емкости сети и хоро- шим покрытием.    Предложенный метод не требует разработки нового оборудования: оператор может применять стандартные секторные антенны, разделение сигналов может быть осуществ- лено с использованием регулируемых делителей мощности, которые выпускают многие производителей ВЧ-устройств. В конечном итоге, это снижает расходы оператора. Кроме всего прочего, процесс оптимизации сети с использованием субсекторов более прост и нагляден по сравнению со случаем антенн со сложной ДН, его можно производить вруч- ную.    К недостаткам решения следует отнести некоторую громоздкость антенно- фидерного оборудования, поскольку число антенн возрастает в число субсекторов, а рас- полагать антенны, с целью снижения негативных явлений ближний зоны, необходимо на возможно большем удалении друг от друга (также желательно использовать экранирую- щие возможности места установки). Этот недостаток менее выражен в CDMA-системах, работающих в диапазоне 1800 МГц.    Литература 1. TIA/EIA/IS-95-A 2. Yang Samuel C. CDMA RF system engineering – Artech House, Inc, 1998 3. Robert Aki, Manju Hegde, Alex Chandra CCAP: CDMA Capacity Allocation and Planning – Washington University, Missouri, USA, 1998 4. www.kathrein.com 5. www.cdma-optimizer.narod.ru   ДонНТУ> Портал магистров