RUS UKR ENG   портал магистров ДонНТУ
Магистр ДонНТУ Охрименко Михаил Федорович

Охрименко Михаил Федорович

Факультет: компьютерных информационных технологий и автоматики (ФКИТА)
Кафедра: автоматики и телекоммуникаций (АТ)
Специальность: телекоммуникационные системы и сети (ТКС)
Тема квалификационной магистрской работы:
Исследование особенностей и разработка методики построения сетей нового поколения
для операторов мобильной связи
Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры АТ Воропаева Виктория Яковлевна

АВТОРЕФЕРАТ

квалификационной работы магистра
«Исследование особенностей и разработка методики построения сетей нового поколения
для операторов мобильной связи»
 

Содержание

Введение
1. Актуальность темы
2. Цель и задачи разработки
2.1 Цель разработки
2.2 Основные задачи разработки
3. Предполагаемая научная новизна полученных результатов
4. Обзор разработок и исследований по теме
5. Описание полученных и планируемых результатов работы
5.1 Анализ ресурса восходящего канала и определение площади зоны обслуживания
5.2 Коэффициент нагрузки в восходящем канале
5.3 Коэффициент нагрузки в нисходящем канале
5.4 Анализ зоны обслуживания в нисходящем канале
Выводы
Список использованной литературы
Примечание

Введение

Высокие требования к информатизации всех сфер жизнедеятельности человечества привели к необходимости получения доступа к информационным ресурсам не только дома и в офисе, но и в общественных местах. Как следствие, началась конкуренция между традиционными телефонными услугами (телефонной связью) и услугами передачи данных. Этот революционный переход от речевого трафика к трафику данных составляет основу идеологии NGN (Next Generation Network), коренным образом повлиявший на организацию сетей нового поколения[1].

Под понятием «сеть NGN» сегодня понимают гетерогенную мультисервисную сеть, обеспечивающую передачу всех видов медиатрафика и распределенное предоставление неограниченного спектра телекоммуникационных услуг с возможностью их добавления, редактирования, распределенной тарификации. Сеть поддерживает передачу трафика с различными требованиями к качеству обслуживания и обеспечивает поддержку указанных требований.

Таким образом, развертывание сети NGN удовлетворит интересы как абонентов-потребителей услуг, так и операторов. Первые получат новый широкий набор услуг, удовлетворяющий по содержанию и качеству, а вторые – широкие возможности по модернизации сети и, как следствие, новые козыри для расширения абонентской базы. Особенно важно не упустить момент перехода операторам мобильных сетей, ведь требования пользователей к «мобильности» растут с каждым днем.

1. Актуальность темы

Основная проблема при внедрении новых услуг для мобильных операторов заключается в том, что существующие GSM сети строились на технологиях с канальной коммутацией и сегодня неспособны обеспечить широкий спектр услуг для удовлетворения потребительского спроса. Внедрение и использование технологий GPRS/EDGE не является решением проблемы, поскольку не позволяет для большинства современных услуг обеспечить необходимые параметры качества.

Решением может быть модернизация сетей и внедрение новых технологий, в частности переход к сетям третьего поколения (3G) мобильной связи.

Мобильные сети поколения 3G стали результатом реализации концепции международной мобильной связи (International Mobile Telecommunications-2000, IMT-2000). В ее основу положена идея создания нового поколения семейства систем подвижной связи, охватывающего технологии беспроводного доступа, наземной сотовой и спутниковой связи [2]. Работа по стандартизации интерфейсов семейства систем IMT-2000 в настоящее время завершена и включает в свой состав 5 радиоинтерфейсов: IMT-DS (базовая технология WCDMA), IMT-MC (cdma2000), IMT-TC (TD-SCDMA), IMT-SC (UWC-136), IMT-FT (DECT EP).

В Европе идея IMT-2000 реализована в виде концепции универсальной системы мобильной связи (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS). Диапазон возможностей и областей применения данной системы необычайно широк: в ней предлагается широкий спектр услуг по высококачественной передаче речи, данных, мультимедийных сервисов. При этом UMTS позволяет организовать полное взаимодействие с системами GSM.

В системе UMTS используется кодовое разделение каналов в радиоинтерфейсе цифрового широкополосного стандарта, охватывающего интернет, мультимедиа и прочие высокоемкие приложения (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA).

2. Цель и задачи разработки

2.1 Цель разработки

Целью работы является сохранение и расширение абонентской базы оператора мобильной связи за счет предоставления новых услуг путем внедрения сети связи следующего поколения.

Объектом разработки является телекоммуникационная сеть оператора мобильной связи.

Предмет разработки – методика построения сети нового поколения операторами мобильной связи.

2.2 Задачи разработки

В процессе написания работы должны быть решены задачи модернизации сети мобильной связи поколения 2,5G на уровнях управления, транспорта и доступа для обеспечения возможности предоставления современных услуг мобильной связи с соблюдением требований к их качеству.

3. Предполагаемая научная новизна полученных результатов

Научная новизна результатов магистерской работы заключается в предлагаемой методике перехода операторами мобильной связи к сетям нового поколения. Методика представляет собой алгоритм модернизации мобильной сети поколения 2,5G, в рамках которого рассматривается также процедура оптимизации сети радиодоступа.

4. Обзор разработок и исследований по теме

Исследования и разработки по данной теме были начаты еще в конце 90-х годов. Первыми шагами в данной области стали разработки стандартов для сетей мобильной связи третьего поколения [3]. С 1998 года данные исследования сосредоточились в рамках партнерского проекта 3GPP при ETSI [4].

Исследования вопросов построения сети стандарта UMTS активно проводились научными группами разработчиков телекоммуникационного оборудования, таких как Alcatel, Nokia, Siemens и др.

На просторах СНГ исследованиями мобильных сетей нового поколения занимался целый ряд ученых. Большая доля их работ посвящена проектированию и оптимизации радио подсетей доступа. Здесь стоит вспомнить работы С.Н. Смоловика «Методы планирования и оптимизации параметров радиоподсистемы сети UMTS», С.М. Аксенова «Исследование влияния процедуры хэндовера на качество услуг в сетях UMTS», А.И. Бабина «Проектирование оптимальной подсистемы радиодоступа сети 3G/UMTS/WCDMA на основе теории монотонных систем», В.А. Ведуты «Оптимизация систем цифровой связи с с кодовыми каналами» и др.

5. Описание полученных и планируемых результатов работы

В ходе проделанной работы были исследованы параметры восходящего и нисходящего каналов радио сети UMTS, их влияние на пропускную способность ячеек и площадь зоны обслуживания. Поскольку рассматриваемая сеть может работать в асинхронном режиме, то параметры каналов рассматривались независимо друг от друга.

Анализ ресурса восходящего канала позволяет получить значение допускаемых потерь (в дБ) на радио трассе от мобильного терминала абонента к базовой станции. Кроме традиционно учитываемых при этом параметров, необходимо учесть несколько специальных. К ним относятся запас помехозащищенности, запас на быстрые замирания, выигрыш при мягком хэндовере [5].

Полученные значения потерь на трассе могут быть использованы для определения зоны обслуживания. Эффективная зона обслуживания WCDMA определяется по средней площади (участка) сайта на узел в км2/сайт для заранее определенных стандартной среды распространения и поддерживаемой плотности трафика.

Расстояние до границ ячейки R можно вычислить по известной модели распространения. Например, модели Окумура-Хата, которая описывает усредненный вариант распространения сигналов и позволяет преобразовать максимальные допустимые потери при распространении в дБ в максимальную дальность до границ ячейки в километрах, учитывая значения несущей частоты сигнала, а также высоту антенн BS и MS.

Уравнение Окумура-Хата имеет вид:

Формула (5.1) (5.1)
где Lp — допускаемые потери на трассе, дБ;

ƒ — частота несущей, Мгц;

hb и hm — высота антенны BS и MS, м;

a(ƒ, hm) — функция усиления антенны MS от высоты ее положения и частоты несущей;

R — расстояние от MS до BS, км.

Параметры А и В имеют различные значения для разного диапазона частот. Так для диапазона 150 – 1000 МГц А = 69,5; В = 26,16; для диапазона 1500 – 2000 Мгц А = 46,3; В = 33,9.

Параметр a(ƒ, hm) определяется различным образом в зависимости от типа населенного пункта.

Для средних и малых городов:

Формула (5.2) (5.2)
Для крупных городов:
Формула (5.3) (5.3)

Исходя из выше проведенного анализа ресурса радиолинии связи и рассмотренной модели распространения, возможно определить расстояние до границ ячейки в километрах R. Приняв высоту антенны BS 30 м, высоту антенны MS 1,5 м и частоту несущей 1950 МГц, получим:

Формула (5.4) (5.4)
Определив из приведенного выражения R, можно получить площадь участка (сайта), которая также являются функцией конфигурации разбиения на секторы:
Формула (5.5) (5.5)
Значения К зависят от числа секторов, на которые разбита ячейка и представлены в табл. 5.1
 

Таблица 5.1 – Зависимость коэффициента К от количества секторов

Число секторов в ячейке 1 2 3 6
Значение К 2,6 1,3 1,95 2,6
 

После определения площади, покрываемой одним сайтом, необходимо оценить величину трафика, поддерживаемого на этом участке. Когда повторное использование частоты системы WCDMA равно 1, система, как правило, ограничивается по помехам воздушным интерфейсом, и, таким образом, необходимо вычислить величину помех и емкость ячейки.

Коэффициент нагрузки восходящего канала определяется как

Формула (5.6) (5.6)
и позволяет прогнозировать величину превышения помехами теплового шума:
Формула (5.7) (5.7)

Запас на помехи в ресурсе линии должен быть равен максимальному принятому превышению помех.

В табл. 5.2 представлены разъяснения обозначений и их рекомендуемые параметры.
 

Таблица 5.2 – Значения основных параметров восходящего канала


На рис. 5.1 показана зависимость пропускной способности от уровня шума в восходящем канале. При расчете принимались допущения (Eb/N0)j = 1,5 дБ и i = 0,65. Вместо числа пользователей отображена полная пропускная способность ячейки для всех одновременно обслуживаемых абонентов.

Зависимость пропускной способности ячейки от уровня шума
Рисунок 5.1 - Зависимость пропускной способности ячейки от уровня шума

Коэффициент нагрузки в нисходящем канале можно определить, основываясь на аналогичном принципе, как и для восходящего канала, хотя параметры будут несколько различными:

Формула (5.8) (5.8)

По сравнению с уравнением нагрузки в восходящем канале наиболее существенным новым параметром является α, который представляет собой коэффициент ортогональности в нисходящем канале. WCDMA использует ортогональные коды в нисходящем канале для разделения пользователей. Ортогональность, равная 1, соответствует идеальным ортогональным пользователям. Обычно, ортогональность в многолучевых каналах составляет от 0,4 до 0,9.

Влияние разнесения антенн при передаче должно быть включено в требуемое отношение (Eb/N0). Коэффициент нагрузки в нисходящем канале очень похож на коэффициент нагрузки в восходящем канале в том смысле, что при приближении к 1 система достигает своей полной пропускной способности [6].

Для задания размеров в нисходящем канале важно оценить полную требуемую величину мощности передачи BS. Она должна быть основана на усредненной мощности передачи для пользователя, а не на максимальной мощности передачи на краю ячейки, показанной в ресурсе радиолинии.

Минимальная требуемая мощность передачи для каждого пользователя определяется средним затуханием между передатчиком и мобильным приемником и чувствительностью приемника MS в условиях отсутствия радиопомех при множественном доступе (внутри или между ячейками). Тогда влияние увеличения помех, обусловленное радиопомехами, добавляется к этой минимальной мощности, и полная мощность представляет собой мощность передачи, необходимую для пользователя при "среднем" расположении в ячейке. Математически полная мощность передачи может быть представлена следующим уравнением:

Формула (5.9) (5.9)
где Nrf – спектральная плотность шума во входном каскаде приемника MS. Значение этого параметра можно получить из
Формула (5.10) (5.10)
где NF – коэффициент шума приемника MS при типичных значениях 5 - 9 дБ.

Коэффициент нагрузки можно аппроксимировать его средним значением:

Формула (5.11) (5.11)
На рис. 5.2 представлена зависимость пропускной способности нисходящего канала (Кбит/с) от максимально допустимых потерь на трассе (дБ) при различных мощностях передатчика BS (10 и 20 Вт). Как видно из рисунка, увеличение мощности на 100% дает очень маленький выигрыш в пропускной способности, а значит, является неэффективным. Более правильным является разделение мощности в нисходящем канале между двумя несущими, но такой способ требует, чтобы распределение частот оператором позволяло использовать две несущих на BS [7].
Исследование пропускной способности нисходящего канала
Рисунок 5.2 - Исследование пропускной способности нисходящего канала

5.4 Анализ зоны обслуживания в нисходящем канале

В нисходящем канале зона обслуживания зависит от нагрузки больше, чем в восходящем канале. Это происходит, потому что в нисходящем канале максимальная мощность передачи остается одинаковой – те же 10 Вт независимо от числа пользователей используются совместно, тогда как в восходящем канале каждый дополнительный пользователь имеет свой собственный усилитель мощности. Поэтому даже при низкой нагрузке в нисходящем канале зона обслуживания уменьшается с увеличением числа пользователей (рис.5.3).

Уменьшение зоны обслуживания при увеличении числа абонентов
Рисунок 5.3 – Уменьшение зоны обслуживания при увеличении числа абонентов
Анимация состоит из 7 кадров с задержкой 500 мс между кадрами;
задержка до повторного воспроизведения составляет 1 с; количество циклов воспроизведения ограничено 7-ю

Для исследования зависимости между пропускной способностью нисходящего канала и радиусом сайта были приняты значения (Eb/N0) = 2 дБ, уровень помех от других ячеек 0,65, ортогональность 0,6. Исследование проводилось при двух значениях мощности передатчика BS 10 Вт и 20 Вт. Результат исследования отображен на рисунке 5.4
 

Зависимость радиуса сайта от пропускной способности ячейки
Рисунок 5.4 – Зависимость радиуса сайта от пропускной способности ячейки

Стоит отметить, что значение (Eb/N0) существенно влияет на максимальную пропускную способность нисходящего канала. Для высоких скоростей передачи требующееся отношение (Eb/N0), имеет тенденцию к снижению. Так (Eb/N0) = 5,5 дБ при ортогональности 0,6 позволяет получить полную пропускную способность порядка 800 Кбит/с/ячейка. А при уменьшении (Eb/N0) до 2дБ, возможно получить пропускную способность порядка 1800 Кбит/с/ячейка.

Еще одна важная особенность заключается в том, что чем ниже требование к (Eb/N0), тем меньшая мощность требуется для обеспечения тех же рабочих характеристик и тем больше может быть радиус ячейки.

Выводы

По результатам проделанной работы можно сформулировать следующие выводы:

  • зона обслуживания может быть определена с помощью модели распространения радиоволн, например, Окумура-Хата, на основе данных ресурса канала;
  • в макросайтах зона обслуживания определяется дальностью действия восходящего канала, поскольку мощность передатчика мобильной станции много меньше мощности передатчика базовой станции
  • для прогнозирования емкости ячейки может быть использован коэффициент нагрузки. Поскольку в сети UMTS пропускная способность восходящего и нисходящего каналов могут отличаться друг от друга, то коэффициент нагрузки рассчитывается отдельно для каждого канала;
  • пропускная способность нисходящего канала может ограничивать зону обслуживания. Если необходимо обеспечить надежную работу сервисов, требующих высокие скорости передачи, необходимо уменьщить размеры ячеек и тем самым увеличить их пропускную способность.

Список использованной литературы

  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 [электронный ресурс] - http://wcdma3g.ru/

Примечание

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.