ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание


Введение

В последние годы пользователи мобильных сетей нуждаются в высоких скоростях передачи данных. Одной из причин такой тенденции является Internet. Число интернет-пользователей возрастает в геометрической прогрессии на протяжении последних лет и эта тенденция, вероятно, продолжится в ближайшие годы. В связи с высоким проникновением мобильных телефонов в повседневную жизнь многих людей стало очевидно, что они могут быть очень удобным инструментом для доступа в Internet. Чтобы сделать это возможным, скорости не только необходимо увеличить, но и обеспечить требуемое качество обслуживания (QoS) и в тоже время, сделать сотовую мобильную сеть конкурентоспособной по сравнению с другими мобильными технологиями. В результате этого был разработан стандарт мобильной связи 3-го поколения группой 3GPP, которая в Европе получила название универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS).

На ранних стадиях развития UMTS было принято, что трафик передачи данных будет следовать тенденции, вынесенной из опыта сетей фиксированной связи, в которых доля трафика IP становилась доминирующей [1].

Из-за потребности в больших скоростях и в спектральной эффективности некоторые технологии, такие как CDMA-2000 или WiMAX, предоставляют решения для обеспечения высокой скорости передачи данных. Для того чтобы конкурировать с этими технологиями и поддерживать новые потребности, UMTS добавила новую технологию под названием High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) в 3GPP Release 5. 

1. Актуальность темы

В ходе строительства сети UMTS применяются различные методы по оптимизации основных параметров радиоинтерфейса HSDPA. Необходимость оптимизации предполагает улучшение качества всей сети и дает гарантии того, что все ресурсы используются эффективно. Характеристику алгоритмов управления радиоресурсами и их параметры можно анализировать, используя основные рабочие показатели. В алгоритмы управления радиоресурсами входят хэндовер, управление мощностью, планирование передачи пакетов, управление доступом и нагрузкой [2].

При выборе вида услуг и модели радиоканала существует граница допустимого количества пользовательских каналов. Эту границу устанавливает коэффициент загрузки ячейки, который задает допустимый уровень внутрисистемных помех от собственных и соседних ячеек. Таким образом, оптимизация коэффициента загрузки ячейки сети UMTS играет важную роль при распределении полной мощности базовой станции с учетом различных значений соотношения сигнал/шум на входе приемников пользователей.


2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка метода оптимизации основных параметров сети UMTS/HSDPA для повышения эффективности построения и функционирования системы подвижной связи третьего поколения UMTS.

Основные задачи исследования:

  1. Определить основных энергетико-скоростных соотношений для радиоинтерфейса UMTS.
  2. Провести анализ и дать оценку параметрам cети HSDPA.
  3. Проанализировать особенности построения сети доступа на базе радиоинтерфейса HSDPA.
  4. Разработать метод оптимизации с учетом особенностей энергетических соотношений для радиоинтерфейса HSDPA.

Объект исследования: радиоинтерфейс High Speed Downlink Packet Access (HSDPA).

Предмет исследования: коэффициент загрузки ячейки в сети UMTS/HSDPA.

В рамках магистерской работы планируется разработка метода оптимизации коэффициента загрузки ячейки, который задает допустимый уровень внутрисистемных помех и влияет на качество обслуживания пользователей сети.


3. Обзор исследований и разработок

Исследования и разработки по данной теме начались еще в конце 90-х годов [3].

3.1 Обзор международных источников

В Европе вопросами сетей 3G занимался Европейский институт стандартизации в электросвязи (ETSI), в Японии и США – Международный союз электросвязи. В 1992–1995 годах проектная группа MoNet, работавшая в рамках программы по созданию усовершенствованной системы связи для Европы (RACE), предложила метод моделирования, описывающий распределение функций радиодоступа и базовой части сети.

В 1995–1998 годах исследовательскую работу в области систем 3G продолжила проектная группа FRAMES в рамках программы по созданию усовершенствованных средств связи и услуг (ACTS). Первые годы работы этой группы были посвящены выбору и обработке подходящей технологии многостанционного доступа, при этом в основном рассматривались варианты многостанционного доступа с временным разделением (TDMA) и с кодовым разделением (CDMA). А с 1998 года исследования в этой области начались в рамках группы 3GPP, которая обеспечивает разработку компромиссных стандартов с учетом политических, промышленных и коммерческих влияний, исходящих от местных органов стандартизации:

– ETSI (Европейский институт стандартизации в электросвязи), Европа;

– ARIB (Ассоциация радиопромышленности и предпринимательства), Япония;

– CWTS (Группа стандартизации беспроводной связи), Китай;

– TI (Комитет по стандартизации в электросвязи), США;

– ТТА (Ассоциация телекоммуникационных технологий), Корея;

– ТТС (Комитет телекоммуникационных технологий), Япония [1].

Оптимизацией параметров для сети UMTS занимались Jaroslaw Lacki [4], Salvador Luna [5], Anis Masmoudi, Djamal Zeghlache, Sami Tabbane [6], Amin Abdel Khalek, Lina Al-Kanj, Zaher Dawy, George Turkiyyah [7].

3.2 Обзор национальных источников

В Винницком национальном техническом университете Семеновой О.О., Семеновым А.О., Возняком О.В. активно разрабатываются методы управления доступом к UMTS сетям при помощи фазо-нейронных технологий, которые дают возможность избежать перегрузки в сети [8]. Ведута В.О. предложил в своей работе метод оптимизации систем цифровой связи с кодовыми каналами [9]. Применение методов многокритериальной оптимизации при планировании сетей сотовой связи было предложено Безрук В.М. и Чеботаревой Д.В. (Харьковский национальный университет радиоэлектроники) [10]. Безрук В., Тихонов В., Кудрявцев Н., Чеботарева Д. продемонстрировали описание математической модели сетевого трафика мобильной связи третьего поколения в [11].

3.3 Обзор локальных источников

В Донецком национальном техническом университете активно изучается технология мобильной связи третьего поколения. В частности Бельковым Д.В. и Едемской Е.Н. был проведен статистический анализ трафика сети с беспроводным доступом [12]. В данной работе представлены результаты статистического анализа временных рядов задержки в сети с GPRS-доступом на стороне отправителя и UMTS-доступом со стороны получателя. Большое количество магистрантов ДонНТУ в своих выпускных магистерских работах уделяют внимание технологии UMTS.

4. Разработка метода оптимизации коэффициента загрузки ячейки в сети UMTS/HSDPA

UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System – Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система) – технология третьего поколения сотовой связи, которая разработана Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI).

В настоящее время для UMTS определены три основные технологии доступа:

– широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов WCDMA и его варианты. Варианты дуплексной работы с частотным разделением ЧРД остаются все еще наиболее используемые в UMTS. Кроме того, система WCDMA усиленная технологии высокоскоростного пакетного доступа в нисходящем направлении HSDPA и технологиями доступа, использующие ее в других комбинациях;

– радиодоступ глобальной системы мобильной связи с передачей данных GSM/EDGE, появившийся в процессе эволюции GSM и послужил основой для стандарта 3GPP R99;

– дополнительный доступ – доступ по беспроводной локальной вычислительной сети WLAN [1].

Технология HSDPA принадлежит к семейству решений, использующих пакетную передачу данных. Физически, HSDPA является «надстройкой» к сетям UMTS/WCDMA, поэтому нередко ее называют 3,5 G. «Половинка» в этом названии обоснована еще и тем, что пропускная способность HSDPA в стартовом варианте составила 1,8 Мбит/с, а теоретический максимум составляет 14,4 Мбит/с. Для достижения высокой пропускной способности, снижения времени задержки и выбросов интенсивности система доступа HSDPA использует адаптивные методы модуляции и кодирования AMC и гибридную автоматическую систему повторения запросов HARQ, в сочетании со скоростным планированием и процедуре изменения сот [13].

Определим основные особенности технологии HSDPA:

– Наличие нисходящего высокоскоростного канала HS-РDSCH (High Speed Downlink Shared Channel), который имеет фиксированный коэффициент расширения спектра сигнала (SF=16), что потенциально может обеспечить до 15 пользовательских каналов и один контрольный канал. Наряду с манипуляцией QPSK в канале при хорошем его качестве используется адаптивно модуляция более высокого уровня 16QAM (16-позиционная квадратурная амплитудная манипуляция). Передаваемые пользовательские данные мультиплексируются по времени на укороченном интервале передачи TTI=2 мс (TTI – Transmission Time Interval) и далее на каждом TTI подвергается кодовому мультиплексированию (рис. 1).

Рисунок 1 – Визуализация мультиплексирования пользовательских данных в канале HS-PDSCH

Рисунок 1 – Визуализация мультиплексирования пользовательских данных в канале HS-PDSCH

(анимация: 9 кадров, задержка между кадрами 1 с, количество циклов воспроизведения 7, размер 88 Кбайт, Easy GIF Animator) 


– Постоянство мощности излучения базовой станции ввиду отсутствия ее динамической регулировки.

– Отсутствие хэндовера.

– Ограниченность доступных канальных кодов для организации необходимых служебных каналов высокоскоростного режима HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel) и каналов DPCH.

Энергетико-скоростными соотношениями на этапе предварительного планирования для радиоинтерфейса UMTS/HSDPA занимался Скрынников В.Г. в [14]. В своей работе он показал динамический характер изменения энергетико-скоростных соотношений в радиосети UMTS со сбалансированным энергетическим ресурсом, получил зависимость пользовательских каналов в радиоинтерфейсе HSDPA от полной мощности базовой станции: 


Выражение (1) описывает случай, когда не вся мощность излучения базовой станции UMTS выделена для высокоскоростных каналов HSDPA. Согласно энергетическому бюджету трафикового нисходящего канала, для HSDPA выделяется до 35% от полной мощности базовой станции.

Представим выражение (1) в следующем виде:


где ηDL – коэффициент загрузки ячейки; v – коэффициент активности абонента; α – коэффициент ортогональности кода канала; PN – мощность шума в приемнике пользователя; P∑ – суммарная мощность излучения базовой станции; GBS – коэффициент усиления антенн базовой станции; Eb/N0 – соотношение сигнал/шум на входе приемника пользователя; L(d) – потери на трассе распространения сигнала, d – радиус соты; N – количество пользовательских каналов; Gp=16 – коэффициент расширения спектра сигнала; 0,35 – выделено 35% от полной мощности базовой станции для стандарта HSDPA.

Для оптимизации коэффициента загрузки ячейки сети UMTS воспользуемся методом прямого поиска Хука-Дживса, который характеризуется несложной стратегией поиска, относительной простотой исчисления и отсутствием производных. Это один из алгоритмов, в котором при определении нового направления поиска учитывается информация, полученная на предыдущих итерациях [15].

В качестве целевой функции возьмем выражение (2), при этом изменяемыми параметрами будут полная мощность базовой станции и соотношение сигнал/шум на входе приемника пользователя. Для получения адекватных результатов необходимо использовать следующие условия:

  1. Коэффициент загрузки ячейки должен принимать значения от 0 до 1.
  2. Минимальная полная мощность базовой станции – 5 Вт. Причиной этого является значительное сокращение радиуса обслуживания станции и сильное уменьшение количества пользовательских каналов. Так при радиусе ячейки равном 2 км значения пользовательских каналов:

    – при ηDL=0,9 количество пользовательских каналов равно 0;

    – при ηDL=0,75 количество пользовательских каналов равно 1;

    – при ηDL=0,5 количество пользовательских каналов равно 2;

    – при ηDL=0,2 количество пользовательских каналов равно 3.

    Согласно энергетическому бюджету трафикового нисходящего канала для HSDPA максимальная полная мощность базовой станции составляет 43 дБм 20 Вт.
  3. Минимальное значение соотношения сигнал/шум – 3 Вт. При модуляции 16QAM вероятность ошибки составляет 0,4, что является плохим показателем качества обслуживания абонентов.

    4. В результате оптимизации были получены две зависимости: зависимость коэффициента загрузки ячейки от полной мощности базовой станции (рис. 2) и зависимость коэффициента загрузки ячейки от соотношения сигнал/шум (рис. 3).


Рисунок 2 – Зависимость коэффициента загрузки ячейки от мощности базовой станции

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента загрузки ячейки от мощности базовой станции


Рисунок 3 – Зависимость коэффициента загрузки ячейки от соотношения сигнал/шум

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента загрузки ячейки от соотношения сигнал/шум


Выводы

Полученные значения позволяют сделать несколько выводов:

1. По полученным зависимостям (рис. 1 и рис. 2) видно, что значение коэффициента загрузки ячейки начинает расти, при уменьшении соотношения сигнал/шум и при росте мощности базовой станции. При значении ηDL=0,8 соотношение сигнал/шум падает до 4 дБ при N=5, вероятность ошибки при этом составляет 0,2, что свидетельствует о значительном ухудшении качества связи. Таким образом, при увеличении коэффициента загрузки возрастает вероятность ошибки и мощность базовой станции.

2. Таким образом, для получения оптимальных значений коэффициента загрузки ячейки (0,5–0,6) необходимо, чтобы соотношение сигнал/шум было в диапазоне 6÷10 дБ, а мощность базовой станции 13÷15 Вт.

На этапе предварительного планирования сети UMTS/HSDPA важным является выбор наиболее оптимальных значений коэффициента загрузки ячейки, который очень тесно связан с выбором предоставляемой услуги и модели канала, параметрами абонентских терминалов. После исследований энергетико-скоростных зависимостей видно, что для поддержания оптимального значения коэффициента загрузки ячейки достаточно изменения полной мощности базовой станции при неизменных остальных параметров радиоинтерфейса. Это дает возможность операторам связи быстро и легко управлять качеством предоставления услуг высокоскоростной передачи данных в нисходящем канале.

Список источников


  1. Кааранен Х. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы ⁄ Х. Кааранен, А. Ахтиайнен, Л. Лаитинен, С. Найян, В. Ниеми. – М.: Техносфера, 2008 – 468 с.
  2. Планирование пропускной способности и зоны обслуживания. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://wcdma3g.ru/index.php?topic=glava8&page=3. – Название с экрана.
  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. Lacki J. Optimization of Soft Handover Parameters for UMTS Network in Indoor Environment. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.cs.tut.fi/tlt/RNG/publications/docs/indoor/WPMC06_JLa.pdf .
  5. Ramirez S.L. Modelling and Optimisation of GSM and UMTS Ratio Access Networks.  [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL:http://dspace.uma.es/xmlui/bitstream/handle/10630/4571/Modelling%20and%20Optimisation%20of%20GSM%20and%20UMTS.pdf?sequence=1.
  6. Masmoudi A., Zeghlache D., Tabbane S. Resourse and Scheduling optimization in HSDPA based UMTS networks. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.supcom.mincom.tn/mediatron/articles/WWC_2005.pdf.
  7. Khalek A., Al-Kanj L., Dawy Z., Member S., Turkiyyah G. Optimization Models and Algorithms for Joint Uplink/Downlink UMTS Radio Network Planning with SIR-based Power Control. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://webspace.utexas.edu/aa36734/papers/Khalek_IEEE_TVT.pdf.
  8. Семенова О.О., Семенов А.О., Возняк О.В. Керування доступом до UMTS мереж за допомогою фазі-нейронних технологій. // Вісник Хмельницького национального университету. Хмельницьк–2011. Випуск 3. С. 249–254.
  9. Ведута В.О. Оптимізація систем зв’язку з кодовими каналами. // Електроніка та системи управління. 2009. Випуск 2 (20). С. 18–26.
  10. Безрук В.М., Чеботарева Д.В. Применение методов многокритериальной оптимизации при планировании сетей сотовой связи. // Харьковский национальный университет радиоэлектроники. 2008. С. 117–126.
  11. Безрук В., Тихонов В., Кудрявцева Н., Чеботарева Д. Математические модели сетевого трафика мобильной связи третьего поколениия. // Харьківський національний університет радіоелектроніки. Харків–2012. С. 194–207.
  12. Бельков Д.В., Едемская Е.Н. Статистический анализ трафика сети с беспроводным доступом. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка. Донецьк–2011. Випуск 14 (188). С. 11.
  13. Алексеев В., Можайков Д. Высокоскоростные сети мобильной связи поколения 3G. Часть 2. Технологии сетей мобильной связи HSPA. // Беспроводные технологии. 2011. Выпуск 2. С. 5–12.
  14. Скрынников В.Г. Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA. // Электросвязь. №3. 2008.
  15. Банди З.Б. Методы оптимизации. Основной курс: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1988 – 128 с.: ил.

Важное замечание

На момент написания данного реферата квалификационная работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанного срока.