Бордунова Ольга Володимирівна

Науковий керівник: Бессараб Володимир Іванович

Реферат з теми випускної роботи

Розробка та дослідження методів оптимізації в мережах CDMA

Бездротові системи зв'язку в сучасному суспільстві призвели до змін, які неможливо було б раніше передбачити. На сьогоднішній день мобільний зв'язок є невід'ємним атрибутом у житті кожної людини. Складно навіть уявити, що буде, якщо забути вдома мобільний телефон.

Мобільний зв'язок розвивається стрімкими темпами, збільшуючи обсяг і якість сервісів, які надаються. Реалізація нововведень здійснюється як за рахунок створення нових технічних рішень, так і шляхом оптимізації існуючих мереж.

На сьогоднішній день в Україні вже існують мережі CDMA (оператор CDMA Ukraine, Інтертелеком, Велком-Телеком, а також PeopleNet і МТС, які надають доступ в інтернет в стандарті CDMA), тому доцільніше буде проводити оптимізацію мереж, а не їх будівництво [1] .

Забезпечення ефективної роботи мережі, яка обслуговує велику кількість користувачів, є серйозною технічною проблемою. Може статися ситуація, коли в ході планування мережі, отримані характеристики сильно відрізняються реальних, в результаті чого мережа буде функціонувати неефективно. Тому актуальним питанням є розробка методів оптимізації мереж CDMA для поліпшення їх функціонування.

Метою даної роботи є дослідження і розробка методів оптимізації радіопокриття мереж CDMA. Це здійснюється для забезпечення цілісного радіопокриття заданої території, а відповідно і для надання якісного зв'язку абонентам.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити ряд задач:

1. Дослідити методи оптимізації радіопокриття в мережах CDMA;

2. Встановити критерії, за якими буде проводитися оптимізація;

3. Розробити математичний алгоритм оптимізації радіопокриття;

4. Провести моделювання системи.

Об'єктом дослідження є сегмент мережі CDMA і його характеристики покриття.

Методи дослідження. У роботі використовувався математичний апарат теорії розповсюдження радіохвиль.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Кваліфікаційна робота магістра виконана протягом 2010-2011 рр.. згідно з науковими напрямками кафедри «Автоматика і телекомунікації» Донецького національного технічного університету.

Передбачувана наукова новизна отриманих результатів. Новизна магістерської роботи полягає у підвищенні ефективності функціонування існуючих мереж CDMA за рахунок розробки алгоритму оптимізації радіопокриття.

Огляд розробок і досліджень з теми.

На локальному рівні, тобто на кафедрі АТ, дослідження в сфері мереж CDMA проводили Італьянська В.С., Іржанській В.Є.

На національному рівні розробками і дослідженнями, що стосуються стандарту CDMA займалися: Климаш М.М., Вакула Ю.Я., Самер Аввад «Моделювання та дослідження впливу умов поширення радіосігналів на якість зв'язку в мобільніх системах стандарту CDMA», Волков С.Л. «Використання технології CDMA при побудові мереж зв'язку».

На глобальному рівні, тобто в світі, проводиться досить велика кількість розробок і досліджень CDMA мереж. Зокрема, групою CDG (CDMA Development Group), асоціація з розвитку технології CDMA, що включає близько 90 компаній, які розташовані в основному в США [2]. А також організаціями Qualcomm (компанія з розробки і дослідження бездротових засобів зв'язку), Huawei, Lucent, Motorola, Nortel. У Росії теж проводять дослідження, розробки, конференції та семінари, які стосуються мереж CDMA.

Поняття оптимізації. Методи оптимізації

Оптимізація - це сукупність заходів, спрямована на забезпечення максимальної ефективності використання існуючих апаратних і програмних засобів, для мінімізації вартості розгортання мережі. При здійсненні оптимізації використовуються математична модель, цільова функція і оптимізаційний алгоритм. Дана схема представлена на рисунку 1 [3].

При проектуванні мережі важливим етапом є її планування, у ході якого моделюється зона покриття заданої території. Ці результати застосовуються для попередньої оцінки зони обслуговування. Комплекс заходів щодо оптимізації мережі, спрямований на досягнення високої якості зв'язку, максимальної пропускної здатності, збільшення зони обслуговування.

Оптимізація в мережах CDMA має більше значення, ніж у мережах NMT, AMPS, GSM, тому що сусідні базові станції (БС) в таких мережах працюють на різних частотах і рівень внутрішньосистемних завад при цьому значно нижче. У разі нестачі частотного ресурсу збільшення пропускної здатності мережі CDMA досягається збільшенням щільності розташування базових станцій, що ще більшою мірою ускладнює проблему внутрішньосистемних завад і підвищує залежність досягнення цільових параметрів від ефективності проведення процесу оптимізації даної та оточуючих базових станцій [4].

Коротко розглянемо 4 основних методу оптимізації:

1) Параметрична оптимізація. При використанні цієї оптимізації відбувається зміна параметрів радіомережі для підвищення і керування пропускною здатністю БС, а також для вдосконалення якості зв'язку. Дана оптимізація пов'язана і проводиться спільно зі структурною і антеною оптимізацією. Цей метод включає статичну і динамічну параметричну оптимізацію.

Прикладами динамічної оптимізації може бути зміна завантаження секторів базової станції в різний час доби за рахунок перерозподілу зони обслуговування між секторами сусідніх базових станцій або тимчасового перекидання за допомогою оптичного ретранслятора ємності (зони обслуговування) недовантаженого сектора віддаленої базової станції в зону переобтяженого сектора іншої базової станції [4 ]. Даний метод найбільш оперативний.

2) Антена оптимізація. При використанні цього методу відбувається зміна висот підняття антени, кутів нахилу, азимутів, антених структур, типів антен, форми діаграми спрямованості. Антену оптимізацію застосовують у випадках необхідності перерозподілу зони обслуговування, абонентського навантаження, для підвищення якості зв'язку, зменшення внутрішньосистемної інтерференції і боротьби з завадами. Розрізняють статичну і динамічну антену оптимізацію.

Під динамічної антеною оптимізацією розуміється автоматична дистанційна зміна кута нахилу секторних антен і в загальному випадку управління формою діаграми спрямованості для досягнення нуля у напрямку періодично виникаючої завади. Динамічна зміна параметрів антени може бути використана для оперативного перерозподілу навантаження, захисту від завади [4].

3) Структурна оптимізація. Цей метод включає: синтез багатосекторних гібридних структур прийомопередавачів та антенних систем, а також синтез ретрансляторних систем.

4) Індивідуальна оптимізація. Застосування даного методу спрямовано на виявлення та усунення причин скарг абонентів.

Опис отриманих і запланованих результатів роботи

Процес дослідження розпочався з вивчення технології CDMA. У ході наукової роботи було виявлено ряд переваг даного стандарту. Наведемо деякі з них: хороша якість передачі мови, відмінна стійкість, мінімальна випромінювана потужність, м'який хендовер, широке охоплення місцевості, безпека і секретність інформації [5].

У CDMA системах кожен голосовий потік відзначений своїм унікальним кодом і передається на одному каналі одночасно з багатьма іншими кодованими інформаційними потоками. Приймаюча сторона використовує той самий код для виділення сигналу із шуму. Єдина відмінність між множинними інформаційними потоками це унікальний код. Канал, як правило, дуже широкий. Ця система використовує набори каналів шириною 1.25 МГц. У системах CDMA можуть встановлюватися дуже міцні і захищені з'єднання, незважаючи на екстремально низьку величину потужності сигналу [6].

У магістерській роботі буде проводитися антена оптимізація радіопокриття, тобто будуть змінюватися висоти підняття антен і вугли нахилу. При оцінці зони покриття доцільно провести дослідження за допомогою моделі розповсюдження сигналу в просторі.

Широке поширення при розрахунку середніх втрат потужності на трасі отримав метод Окумура-Хати. Даний метод заснований на аналітичній апроксимації результатів практичних вимірювань. Набір емпіричних формул і поправочних коефіцієнтів, отриманий в результаті такої апроксимації, дозволяє розрахувати середні втрати для різних типів місцевості [7].

Середній рівень втрат на радіотрассі, згідно з моделі, визначається таким чином:

Для міст із щільною забудовою розраховується за формулою:

Для середніх і малих міст:

Виходячи з розглянутої моделі розповсюдження радіохвиль, можна визначити відстань до кордонів комірки r, км. Прийнявши, для розрахунків, hb = 30 м, hm = 1,5 м і частоту несучої f = 450 МГц, отримаємо:

Для раціональної розстановки БС скористаємося комп'ютерними засобами, а саме програмним пакетом RPS-2 (Radio Planning System). Якість результату, який отримуємо залежить від того, наскільки точно в процесі планування враховані особливості місцевості, параметри апаратури, джерела можливих завад і безліч інших факторів, врахувати які без використання автоматизованих комп'ютерних інструментів у сучасних умовах неможливо [9]. Дана програма, використовує цифрові карти місцевості та характеристики мережі як вихідні дані. Вона дозволяє створити проект нової мережі або розширити вже розгорнуту мережу, оцінити її переваги та недоліки.

Проведемо моделювання за допомогою програми RPS-2 і представимо отримані результати. Для створення проекту необхідно ввести вихідні дані - частоти передачі, смугу каналу, частотне рознесення, відношення сигнал / завада, швидкість передачі. Мережу спроектуємо в діапазоні 462.5-467.475 МГц. За допомогою gif-анімації проілюструємо послідовне покриття території від 8 базових станцій. У чорному прямокутнику зображена область, яку будемо досліджувати.

При розрахунку покриття використовувалася модель Хата з урахуванням щільної забудови, висота підняття антени прийнята 30 м, а висота абонентської антени 1,5 м. При цьому потужність передавача склала 28 дБм. Зауважимо, що абоненти які знаходяться в безпосередній близькості до БС, мають більший рівень потужності, ніж віддалені від неї користувачі.

За допомогою програми подивимося зони наявності / відсутності зв'язку рисунок 3.

Відзначимо, що в отриманій області є зони обслуговування в обох напрямках (зелений колір), а є тільки зворотне обслуговування (червоний колір), а є такі зони, в яких взагалі відсутній зв'язок (сірий колір). Мережу необхідно покращити таким чином, щоб обслуговувалися всі абоненти в двох напрямках.

За допомогою даної програми також можна оцінити зони перекриття декількох базових станцій, нижче вказано позначення кольорів, що відповідають певному перекриттю секторів або комірок БС. А також видно зони відсутності зв'язку, які в подальшому будуть оптимізовані.

Використовуючи програму RPS-2, проведемо дослідження. Змінюючи висоту підняття антени в проміжку 30 - 50м, з урахуванням різних типів місцевості (щільна забудова, передмістя, село) простежимо зміну радіусу покриття, а відповідно потужность сигналу.

Зауважимо, що найбільший радіус комірки отриманий для розрахунку покриття в сільській місцевості, а найменший - в умовах щільної забудови, тому що у сільській місцевості сигнал зустрічає менше завад і не так слабшає як в місті, зустрічаючи на своєму шляху висотні будинки.

Враховуючи, що в роботі проводиться антенна оптимізація, зробимо ще 1 експеримент. Змінюючи кути нахилу антен у діапазоні 0-15°, простежимо зміну радіусу покриття.

Виходячи з результатів експерименту, можна відзначити, що із збільшенням кута нахилу антени, радіус покриття соти зменшувався. Для сільської місцевості, як і в попередньому випробуванні, отримані більші значення радіусу в порівнянні з щільною міською забудовою.

Проведемо оптимізацію вищенаведеної схеми шляхом зміни висот підняття антени з 30 м до 50 м. Зауважимо що, там де раніше був відсутній зв'язок, тепер він є, причому як в напрямку БС -> абонент, так і абонент -> БС.

Зони перекриття забезпечують безперервність зв'язку при переході з комірки в комірку (так званий хендовер). Естафетна передача дозволяє переключити розмову на вільний канал іншої базової станції, у зоні дії якої опинився в цей час абонент. У системах CDMA організований м'який хендовер, який відбувається без втрати якості зв'язку. Він здійснюється між різними секторами антени базової станції в межах комірки (робота на одній несучій частоті) [10].

Таким чином, на даний момент виконання роботи обґрунтована необхідність оптимізації радіопокриття в мережах CDMA. Досліджені залежності радіусу покриття від висоти підняття антени і кута її нахилу. Розглянуто модель розповсюдження радіохвиль Окумура-Хати. Можна зробити висновок що, з допомогою програми RPS-2 процедура вибору місця розташування базової станції дозволить прийняти більш обґрунтовані рішення при оптимізації мережі та підвищити ефективність функціонування системи.

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра була не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 15 грудня 2011 року. Повний текст і матеріали по темі можуть бути отримані в автора та його наукового керівника після зазначеної дати.