АЛГОРИТМ СИНТЕЗА СОТОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ 2G - В настоящее время, несмотря на
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ШОРИН Олег Александрович,
доктор технических наук, профессор
ТОКАРЬ Роман Сергеевич
АЛГОРИТМ СИНТЕЗА
СОТОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ 2G
В настоящее время, несмотря на
стремительное развертывание
в России сетей связи третьего поко-
процедуру оптимизации ее различных
составляющих:
♦ топологии действующей сети (ази-
ции и, как следствие, в снижении ка-
чества предоставления услуг связи)
или из-за невозможности дальнейше-
ления, по количеству обслуживаемых муты, высоты подвеса и углы накло- го увеличения емкости существую-
абонентов наиболее распространен- на антенн функционирующих базо- щих БС (аппаратные ограничения ис-
ными пока остаются сети 2G. Количес- вых станций (БС)); пользуемого оборудования БС).
тво базовых станций в сетях 2G, обес- ♦ емкости действующих БС; Решение этой задачи в добавлении
печивающих услуги связи в городах, ♦ частотного плана для текущей топо- в уже существующую сеть новых БС.
измеряется сотнями и тысячами. логии сети при имеющейся емкости Это, в свою очередь, требует пересмот-
Учитывая особенности функциони- действующих БС). ра частотно-территориального плана,
рования сетей второго поколения, на- Поскольку система постоянно раз- то есть выполнения очередной итера-
пример стандарта GSM, можно утверж- вивается, то оптимизированная по ции процедуры оптимизации сети.
дать, что эффективность работы сети перечисленным выше компонентам Ввиду последовательного характера
напрямую зависит от эффективности сеть через некоторое время перестает выполнения операций, каждая из ко-
ее частотно-территориального плана. справляться с текущим объемом тра- торых требует значительного време-
Однако современные методы опти- фика по причине нехватки частотно- ни на внедрение, получаем далеко не
мизации сетей 2G представляют со- го ресурса (выражается в повышении оптимальную работу сети на протяже-
бой итерационную последовательную уровня внутресистемной интерферен- нии рассматриваемого периода.
58
Шорин
В итоге из множества W0' полу-
чим новое множество W, содержа-
щее все рассматриваемые сектора
с тремя вариантами емкости в виде
Секторi_КлассЕмкостиj (i = 1…3×N,
где N – количество потенциальных
мест установки БС; j = 1, 2, 3).
Для каждого класса емкости опре-
делим максимально допустимую на-
грузку MaxTraff по формуле Эрланг В
для уровня блокировок 2%. Необслу-
женным трафиком LostTraff будем счи-
тать трафик, превышающий значение
MaxTraff для рассматриваемого секто-
ра с определенным классом емкости.
Радиосетью будем называть лю-
бое подмножество H элементов
Секторi_КлассЕмкостиj из множест-
ва W, которое обеспечивает обслужи-
вание заданного трафика с требуемым
качеством. При этом сектору i радиосе-
Рис. 1. Карта г. Костромы ти может соответствовать только один
элемент Секторi_КлассЕмкостиj из
Решением проблемы может быть Алгоритм синтеза сети оптимальной множества W.
совместная взаимоувязанная оптими- топологии и емкости Оптимальной радиосетью будем на-
зация частотно-территориального пла- Пусть имеется территория S0, обслу- зывать радиосеть, состоящую из мно-
на с одновременным учетом: живаемая системой сотовой связи и жества Hopt секторов необходимого
♦ количества доступных частот; частотный ресурс F0, доступный опе- класса емкости, имеющего минималь-
♦ максимально допустимой емкости ратору сети связи. Предположим, что ную мощность и обеспечивающего от-
каждой из действующих БС; известна модель нагрузки в сети и ее сутствие необслуженного трафика на
♦ мест возможной установки и пара- можно представить в виде матрицы рассматриваемой территории.
метров возможной установки но- Tmxn, каждый элемент которой отража- Тогда критерий оптимальности мож-
вых БС; ет абонентскую нагрузку на элемен- но сформулировать так:
♦ текущего или прогнозируемого тра- тарном участке обслуживаемой тер-
фика на сети; ритории. Так же будем считать, что
♦ особенностей распространения ра- определено множество W0 потенциаль-
диосигнала каждой из рассматрива- ных мест установки БС − географичес- При этом оптимальная радиосеть бу-
емых БС; кие координаты (x, y) и высота разме- дет обладать следующими свойствами:
♦ заданных критериев качества ра- щения антенн h. Под БС далее будем 1. Площадь обслуживания любого сек-
боты сети (уровень блокировок на понимать совокупность трех секторов, тора Sserv (в окружении секторов со-
разговорных каналах, покрытие с установленных в одной географичес- седних БС) будет максимально при-
уровнем сигнала не ниже заданно- кой точке. ближена к площади покрытия этого
го, определнное C/I). Таким образом, из множества W0 сектора Scov для данной конфигура-
Основным ограничением при решении базовых станций получим множест- ции и класса емкости.
задачи, поставленной таким образом, яв- во W0' секторов, для каждого из кото- 2. Трафик для любого сектора в зо-
ляется экспоненциальный рост сложнос- рых необходимо задать набор сущест- не обслуживания с площадью Sserv
ти вычислительных алгоритмов. венных технологических параметров. не будет превышать максимально
На основе теории монотонных сис- К существенным технологическим па- допустимую нагрузку MaxTraff для
тем [1] и подходов [2] был разработан раметрам отнесем параметры, влия- этого сектора с текущим классом
алгоритм, позволяющий свести вы- ющие на физическую зону покрытия емкости.
числительную сложность к полино- сектора: 3. Оптимальная радиосеть будет бе-
миальной, что, в свою очередь, поз- b – угол наклона антенн; зызбыточной в том смысле, что уда-
воляет решать поставленную задачу pcu – мощность передатчика; ление любого имеющегося сектора
практически в режиме реального вре- g(nTRX) – потери в комбайнере (при будет приводить либо к нарушению
мени. добавлении 3-го и 5-го передатчиков условия сплошного радиопокрытия,
Цель данной статьи – описание алго- требуется применение соответствую- либо к появлению необслуженно-
ритма синтеза сотовой системы связи щего комбайнера); го трафика (максимальная емкость
стандарта GSM на примере гипотетичес- nTRX = 2, 4, 6; секторов определяется объемом
кой сети GSM900 в г. Костроме (рис. 1). q(h) – потери в фидере. имеющегося частотного ресурса F0).
59Спецтехника и связь № 1 2008
делять по следующей формуле:
Scov
где MaxTraffi – максимально допусти-
мый трафик для сектора в соответс-
твии с его классом емкости, определен-
ный по формуле Эрланг В при уровне
блокировок 2%;
RealTraffi – текущий трафик в секто-
ре, находящемся в окружении сосед-
них БС и имеющем площадь обслужи-
вания Sserv. Введенный таким образом
Sserv вес сектора по трафику ρ тоже являет-
ся безразмерной величиной и лежит в
диапазоне [-∞, 1].
Вес сектора по трафику будет ра-
вен 1 только в случае, когда его Sserv =
0. Это означает, что данный сектор не
несет никакой полезной нагрузки и
его значимость в этом смысле мини-
мальна.
Рис. 2. Площадь обслуживания и площадь покрытия для сектора в окружении Наилучшим весом по трафику с
соседей точки зрения полезности сектора бу-
дем считать вес ρ = 0. В этом случае
В рамках теории монотонных сис- тора. Площадь обслуживания опреде- можно говорить о полной утилизации
тем искомая оптимальная радиосеть ляется условиями приоритетности до- ресурсов сектора в рамках его класса
будет представлять собой ядро исход- ступа в сеть, то есть более высоким емкости при заданном критерии ка-
ного множества W или набор наиболее уровнем сигнала относительно сосед- чества.
связанных друг с другом элементов. них секторов (рис. 2). Случай, когда вес сектора окажет-
При этом элементами являются секто- Как видно из рис. 2, наибольшей зна- ся меньше нуля, будет свидетельство-
ра базовых станций, связанные друг с чимостью обладают сектора, у которых вать о том, что реальный трафик пре-
другом через площадь покрытия и тра- Sserv близка к Scov. Такие сектора будут вышает максимально допустимый для
фик. иметь наименьшие веса по площади. данного сектора при текущем классе
Таким образом, для решения постав- Введенный таким образом вес секто- емкости. Такая ситуация крайне не-
ленной задачи необходимо построить ра по площади π является безразмер- желательна и, если она возникла в ре-
алгоритм формирования ядра исход- ной величиной и, как видно из форму- зультате удаления какого-либо сосед-
ного множества W. лы, лежит в диапазоне [0, 1]. него сектора или БС, служит сигналом
Использование аппарата теории мо- Нулевое значение веса π соответс- о том, что удаление невозможно по
нотонных систем требует определения твует предельной ситуации, когда Sserv причине возникновения необслужен-
весовых функций секторов базовых совпадает с Scov, то есть рассматривае- ного трафика в сети.
станций и задания положительных и мый сектор расположен изолированно После описания весовых функций
отрицательных действий на множест- и вокруг нет соседних БС. Такая ситуа- определим необходимые согласно тео-
ве W. ция не допустима, так как нарушается рии монотонных систем понятия поло-
Для определения уровня значимости эле- условие обеспечения сплошного пок- жительных и отрицательных действий
мента αi ⊂ W введем две весовые функции рытия. над элементами исходного множест-
(далее вес по площади и вес по трафику). Значение веса π, равное единице, ва W.
В качестве веса по площади исполь- соответствует другой предельной си- Под положительным действием, или
зуем предложенный в [2] относитель- туации, когда Sserv = 0. В этой ситуации действием типа «+», будем понимать
ный запас по потенциальной площади сектор считается наименее значимым операцию добавления сектора или ба-
обслуживания: и может быть удален без нарушения зовой станции в рассматриваемую
условия обеспечения сплошного пок- систему. Под отрицательным действи-
рытия. ем, или действием типа «–», будем по-
где Scov i – потенциальная площадь В ситуациях, когда Sserv близка к Scov, нимать операцию исключения сектора
обслуживания i-ого элемента; то есть базовые станции расположены или базовой станции из рассматривае-
Sserv i – площадь обслуживания i-ого на расстояниях, приближающихся к мой системы.
элемента в окружении соседних. максимальным, удаление какого-либо При этом, согласно теории монотон-
Потенциальная площадь обслужива- элемента сети может привести к появ- ных систем, при удалении из систе-
ния определяется технологическими лению участка сети без покрытия. мы какого-либо элемента, то есть пос-
параметрами и классом емкости сек- Вес сектора по трафику будем опре- ле отрицательного действия, зона его
60Шорин
имеются), а также возможных мест
2 23
установки БС. Это возможно сделать
8 30
при наличии любой геоинформацион-
16 ной системы с цифровой картой мест-
5
25
ности и параметрами застройки.
20
9 17 Для действующих БС предусмотрен
12
10
13 14 специальный флаг, запрещающий ис-
18
22 28 ключение из рассмотрения этих БС в
19
процессе оптимизации. Это значит, что
4 21
для них возможна оптимизация только
6
11
24 29
таких параметров, как количество при-
3 7
емопередатчиков, высота размещения
26
антенн, мощность излучения и т.д.
В рассматриваемом примере было
1
выбрано 30 мест установки БС (рис. 3).
15
При этом все БС были помечены как
27 «потенциальные», то есть в процессе
оптимизации разрешалось исключе-
ние любой БС.
Для каждой БС необходимо опи-
сать ее сектора (предполагаем, что все
Рис. 3. Потенциальные места установки БС в г. Костроме БС – трехсекторные) с помощью сле-
дующих параметров:
обслуживания и вся нагрузка должны Удаление элемента может состо- ♦ азимут (для всех БС азимуты секторов
перераспределиться между соседними яться только с условием сохранения были определены как 0, 120 и 240о);
элементами, а веса всех оставшихся сплошного покрытия в сети. Если оно ♦ тип антенн (был выбран один тип
элементов должны уменьшиться, при- нарушается, то рассматриваемый эле- антенн для всех БС);
чем как по площади, так и по трафику. мент возвращается обратно, фикси- ♦ высота размещения антенн или диа-
Основная идея предлагаемо- руется и в дальнейшем не может быть пазон изменения (для всех секто-
го алгоритма оптимизации состо- удален ни по какому из критериев. ров каждой из БС в качестве высоты
ит в следующем: после построения При исключении элементов множес- подвеса указывалась высота здания,
исходного множества W, которое тва W по критерию трафика удалению на котором эта БС размещалась);
представляет собой набор элемен- подлежат только варианты секторов с ♦ угол наклона антенн или диапазон
тов Секторi_КлассЕмкостиj, для каж- весом ρ < 0. Варианты секторов с ρ ∈ (0; 1] изменения (физический угол накло-
дого элемента определим веса π и ρ. не удаляются по критерию трафика. на 2о, электрический тоже 2о);
Множество W при этом имеет такую Если при исключении варианта сек- ♦ мощность приемопередатчиков (для
особенность, что любой сектор пред- тора нарушается условие сплошного всех приемопередатчиков 48 дБм) и т.д.
ставлен в нем тремя вариантами, раз- радиопокрытия, то удаленный вариант Необходимо отметить, что набор и
личающимися только классом емкос- возвращается на место, фиксируется и детализация перечисленных парамет-
ти. Чем выше у сектора класс емкости, в дальнейшем не может быть удален. ров влияют на степень точности расче-
тем меньше зона обслуживания. тов зон покрытия, но никак не на рабо-
При совместном рассмотрении всех Подготовка исходных данных ту алгоритма!
вариантов всех секторов веса, отлич- Для начала необходимо составить Таким образом, мы получаем мно-
ных от единицы, будут иметь толь- исходное множество W0, представляю- жество секторов W0’с набором су-
ко варианты секторов с наименьшим щее собой совокупность мест располо- щественных технологических пара-
классом емкости (т.к. уровень сигнала жения действующих БС (если таковые метров.
у них больше уровней сигнала осталь- Таблица 1.
ных «своих» вариантов с большими
Количество приемопередатчиков Макс. трафик для 2% блокировок, Эрл
классами емкости). У всех остальных
вариантов Sserv будет равно 0, и, следо- 0Спецтехника и связь № 1 2008
Далее для каждой конфигурации Синтез оптимальной сети На основании этой информации
сектора в смысле количества устанав- согласно предлагаемому алгоритму производится расчет зон обслужива-
ливаемых приемопередатчиков зада- По подготовленным исходным дан- ния (территории, где рассматривае-
ются: ным с помощью программы расчета мый сетевой элемент обеспечивает на-
♦ максимальный объем обслуживае- зон радиопокрытия для каждого секто- ибольший из всех уровень сигнала),
мого трафика (табл. 1)исходя из до- ра рассматриваемой в проекте БС в за- после чего определяется объем трафи-
пустимого уровня блокировок и до- висимости от конфигурации произво- ка, обслуживаемого каждым сетевым
ли трафика half-rate; дится расчет зон покрытия. Данные по элементом.
♦ дополнительные потери при ком- уровню сигнала для всех рассматрива- Если предположить, что на началь-
байнировании (2:2, 4:2 и т.д.), так как емых элементов множества W в рам- ном этапе оптимизации сеть, полу-
это сказывается на площади облу- ках территории обслуживания поме- ченная из элементов множества W,
живания сектора при фиксирован- щаются в специальную базу данных. настолько избыточна, что в ней отсутс-
ных параметрах антенно-фидерно-
го тракта (табл. 2).
В итоге из множества W0' получим
новое множество W, содержащее все
рассматриваемые сектора с тремя ва-
риантами емкости.
С точки зрения сети необходимо оп-
ределить уровень доступа – мини-
мальный уровень сигнала, при кото-
ром мобильная станция будет «видеть»
сеть. В примере уровень доступа был
определен как -104 дБм.
Модель трафика Tmxn также может
быть определена с помощью геоинфор-
мационной системы (ГИС), снабжен-
ной соответствующим слоем/модулем.
В качестве примера использовалась
модель равномерного распределения
нагрузки по территории со значения-
ми 0,26 и 0,05 Эрл/км2.
На этом этап подготовки данных
считается завершенным. Рис. 4. Исходная сеть (пример 1)
твует необлуженный трафик, то даль-
нейшая оптимизация может вестись
по следующему сценарию.
1. Для всех сайтов как совокупности
трех секторов рассчитать веса π.
2. Исключить наихудший сайт на ос-
нове анализа весов π (сайт не дол-
жен иметь свойство «не может быть
удален»). При этом площадь и тра-
фик, обслуживаемые этим сайтом,
перераспределятся между соседни-
ми элементами сети.
3. Если после этого в сети не появятся
ни необслуженный трафик ни необ-
служенная территория (под необслу-
женной территорией следует по-
нимать места, где уровень сигнала
меньше определенного значения), то
можно утверждать что оставшиеся
элементы сети обеспечивают сплош-
ное покрытие рассматриваемой тер-
ритории и способны обслужить весь
трафик с заданным уровнем качест-
Рис. 5. Оптимизированная сеть (пример 1) ва, а тогда можно перейти к п. 1.
62Шорин
Результаты оптимизации
Пример 1
Территория 10800 км2 (120х90 км);
трафик 0,05 Эрл/км2; необслуженная
территория 7255 км2; необслуженный
трафик: 41,5 Эрл. Исходная сеть (рис. 4):
количество сайтов 30. Оптимизирован-
ная сеть (рис. 5): количество сайтов 11.
Пример 2
Территория 10800 км2 (120х90 км);
трафик 0,26 Эрл/км2; необслуженная
территория 7255 км2. Исходная сеть
(рис. 6): количество сайтов 30; необслу-
женный трафик 704 Эрл.Оптимизиро-
ванная сеть (рис. 7): количество сай-
тов 13; необслуженный трафик 672,36
Эрл.
Рис. 6. Исходная сеть (пример 2)
4. Если в сети появится необслуженная
территория, следовательно удален-
ный сайт нужно вернуть на место и
зафиксировать как уникальный для
части рассматриваемой территории,
а значит, более не подлежащий уда-
лению. После этого перейти к п. 1.
5. Если в сети появится необслужен-
ный трафик, необходимо на основе
критерия по трафику, рассчитав ве-
са ρ, попытаться утилизировать не-
обслуживаемый трафик, удаляя на-
ихудшие по ρ элементы. Если это не
удастся (не хватит емкости или воз-
никнет необслужживаемая терри-
тория), необходимо поступить, как в
п. 4. В противном случае – сразу пе-
рейти к п. 1. Рис. 7. Оптимизированная сеть (пример 2)
6. Повторять пп. 1 − 5 до тех пор, пока
во множестве W не останутся только ВЫВОДЫ
«зафиксированные» элементы. Это
будет свидетельствовать об оконча- Предлагаемый алгоритм позволяет синтезировать сеть сотовой связи
нии процесса оптимизации. достаточно больших размеров, с учетом всех необходимых параметров,
В итоге мы получим сеть, состоящую имеющую оптимальную топологию и емкость без организации прямого
из максимально связных элементов, то перебора возможных вариантов конфигурации сети и в режиме «реаль-
есть удаление любого из них будет при- ного» времени. Получаемый результат не зависит от опыта и квалифи-
водить или к возникновению необслу- кации проектировщика, исключает влияние субъективных мнений.
женной территории, или к появлению Дополнительное преимущество заключается в том, что быстрота
необслуживаемого трафика, который проведения процедуры оптимизации позволяет делать ее сколь угодно
никак нельзя утилизировать. Это и бу- часто, благодаря чему можно перейти от одноразовых периодических
дет являться оптимизированной сетью оптимизаций к процессу постоянной адаптации сети под изменяющу-
с точки зрения заданных критериев. юся нагрузку.
Литература
1. Муллат И.Э. Экстремальные подсистемы монотонных систем. Часть 1, 2/ Автоматика и телемеханика, 1976, №№ 5, 8.
2. Гуляев А.В., Шорин О.А. Синтез оптимальной сети радиодоступа WCDMA при известной модели нагрузки/
Электросвязь, 2002, № 9.
63Вы также можете почитать
