Общие подходы к задачам планирования и оптимизации 2G - 4G сетей подвижной связи доктор технических наук профессор Бабков Валерий Юрьевич Санкт-Петербург 2011 г.
Системы сотовой связи Реализация, г. Технология, G G4G 3.5G 3G 2.5G 2G
Классификация услуг сетей мобильной связи Класс трафика Разговорный ПотоковыйИнтерактивныйФоновый Основные характеристики Передача в реальном масштабе времени; низкая временная задержка; симметрич- ность трафика Сохранение временной зависимости между информационными составляющими потока Ответ на запрос. Передача в произвольный момент времени Примеры приложений Телефония, видеотелефония, видеоконфе- ренцсвязь Мультимедиа ИнтернетЭлектронная почта, SMS, MMS
Первый этап планирования заключается в подготовке электронной карты местности (ЭКМ), содержащей данные, описывающие рельеф местности, застройку территории, лесные и водные массивы, и в получении надежных данных в отношении: высоты местности; морфоструктуры (землепользование); распределения населения, транспортных потоков и других факторов, влияющих на плотность трафика; прогноза числа абонентов; требований к рабочим характеристикам для обеспечения соответствующего качества радиосвязи; вероятности блокировки; бюджета потерь; рекомендуемых участков для размещения базовых станций, отвечающих требованиям по наличию линий привязки к сети связи общего пользования, электропитанию, возможности размещения оборудования, установки антенн и др.; имеющихся в распоряжении полос частот; совместимости с другими системами; сетевых интерфейсов. Очевидно, для планирования сети требуется довольно обширный набор исходных данных, достоверность которых может существенно повлиять на адекватность принимаемого решения. На этом этапе производится оценка бюджета потерь – показателя, характеризующего допустимые потери в радиолинии для заданного стандарта сотовой мобильной связи.
Второй этап планирования состоит в построении исходной сети (сети начального приближения). На этом этапе вся сеть декомпозируется на однородные фрагменты на основе значений плотности трафика, применительно к которым находятся распределения базовых станций по зонам обслуживания, параметры базовой сети и распределение частотного ресурса (кодовых сдвигов). При построении сети начального приближения предполагаются следующие допущения: - плотность абонентского трафика по территории обслуживания постоянна; - соты одинаковых размеров; - активность абонентов постоянна от одной соты к другой; - обеспечивается быстрое управление мощностью передатчиков, как в обратном, так и в прямом направлениях связи; - морфоструктура местности однотипна; - параметры приемопередающих станций одинаковы. Такой подход к построению сети (на основе абонентской емкости) приводит к одинаковым размерам сот в пределах фрагмента сети и необходимости решения задач по стыковке неоднородных фрагментов сети на их границах, т.е. к необходимости решения задач по расщеплению coт. При использовании расщепления возможно два типа сот: с одинаковыми секторами ("большие" и "малые" соты) и с разными секторами ("переходные" соты). Решение, полученное на этапе построения исходной сети, является важнейшим этапом планирования и должно представлять собой частотно-территориальный план сотовой сети радиосвязи, который может быть использован в качестве сети начального приближения.
Третий этап планирования включает привязку участков развертывания базовых станций к карте местности и итеративную оптимизацию параметров базовой сети с использованием геоинформационной базы данных и специального программного обеспечения, позволяющего произвести расчет напряженности поля сигнала в зоне действия сети. Итеративная оптимизация параметров базовой сети начального приближения проводится с целью повышения эффективности сети при широком использовании методов моделирования с использованием электронных карт местности. В процессе оптимизации все введенные на этапе построения начального приближения допущения снимаются, и производится уточнение параметров под условия реальной сети, производится анализ сети, адаптация плана развертывания радиосети к условиям территориальных ограничений зоны обслуживания, улучшение ее конфигурации, структуры и параметров в целях наращивания емкости сети и повышения качества услуг. Оптимизация сетевой структуры предполагает минимизацию числа BS при удовлетворении заданных системных параметров и обеспечении качества услуг. Оптимизация может заключаться в перемещении некоторых BS на новое место или увеличении числа секторов. В последнюю очередь рассматриваются варианты, требующие увеличения числа BS, так как это ведет к удорожанию сети.
Отличия в планировании сетей GSM, WCDMA и LTE
Отличия в планировании сетей GSM, WCDMA и LTE (продолжение)
Подготовка исходных данных 1) Создание ЭКМ 2) Технические характеристики аппаратуры сотовой связи 3) Расчет бюджета потерь 4) Число абонентов, тип услуг и др. 1) Методика построения начального приближения сети 2) Методика прогноза зон покрытия на основе статистической модели ; 3 ) Расчет потерь в зоне обслуживания Построение сети начального приближения Составление частотно- территориального плана сети начального приближения 1)Электронная карта местности 2)Позиционные районы размещения базовых станций 3) Программный комплекс Оптимизация параметров сети начального приближения Составление частотно- территориального плана оптимизированной сети Алгоритм планирования сети сетей GSM 1 2 3
Построение начального приближения сети GSM Этап 1. Определение числа каналов трафика на сектор Сеть сотовой связи строят, повторяя одни и те же частотные кластеры в пределах однородных фрагментов зоны обслуживания сети. Это позволяет снизить дефицит радиочастот за счет их повторного использования. Исходя из числа рабочих частот, выделенных оператору– nf и размерности кластера – C, находим число каналов, используемых для управленияи сигнализации– Nу и число трафика каналов, приходящихся на одну несущую. Этап 2. Определение пространственных параметров сети. число абонентов, обслуживаемых одной базовой станцией в час наибольшей нагрузки число базовых станций в сети – радиус соты, исходя из площади требуемой зоны обслуживания сети и необходимого числа BS Таким образом, на этом этапе планирования находится число базовых станций и максимальный радиус сот, исходя из абонентской плотности (нагрузки).
Построение начального приближения сети GSM(продолжение) Этап 3. Определение параметров базовых станций При определении параметров базовых станций сети (мощности передатчиков РБС (Вт) и высот антенн HБС) необходимо использовать технические данные радиооборудования сети, в частности: чувствительность приемников абонентских станций РАС (дБ(Вт)), высоты их антенн HАС, коэффициенты усиления антенных устройств базовых станций G0БС, потери в антенно-фидерном тракте и комбайнерах базовых станций, а также потери на трассе распространения радиоволн. Мощность передатчика базовой станции PпрдБС при заданных параметрах антенно-фидерного тракта находится из по формуле Этап 4. Составление частотного плана Зная число частотных каналов, приходящихся на каждую базовую станцию, распределяем номиналы частот по группам частотного кластера. Распределение частотного ресурса по группам, базовым станциям и их секторам производится с учетом: минимального частотного разноса радиоканалов в составе одной стойки базовой станции, определяемого требованиями использования устройств сложения мощности канальных передатчиков (комбайнеров) для работы на общую передающую антенну, DFБСmin, кГц; минимального частотного разноса радиоканалов смежных секторов, в том числе одной базовой станции, DFСmin, кГц; минимального разноса радиоканалов, используемых в одном секторе базовой станции, с позиций их интермодуляционной совместимости (не должны создаваться в приемниках базовой станции помехи интермодуляционного характера при приеме нескольких сигналов абонентских станций, работающих в одном секторе).
Алгоритм территориально-кодового планирования сети WCDMA При построении сети начального приближения предполагаются следующие допущения: - плотность абонентского трафика по территории обслуживания постоянна; - соты одинаковых размеров; - активность абонентов постоянна от одной соты к другой; - обеспечивается быстрое управление мощностью передатчиков, как в обратном, так и в прямом направлениях связи; - морфоструктура местности однотипна; - параметры приемопередающих станций одинаковы. 15
Методика построения начального приближения сети Этап1: Определение числа каналов трафика 16 Для повышения точности построения начального приближения сети применяется модель сотовой сети, используемая при анализе внутрисистемных помех, воздействующих на приемник BS : Основное уравнение CDMA для текущего отношения с/п на символ в обратном канале связи: Количество каналов трафика, приходящихся на сектор (соту) для однородной речевой нагрузки: Для передачи однородных данных: Стандар т Загрузка сот окружения Количество каналов трафика CDMA % - загрузка; - 50% - загрузка; - 25% - загрузка канала; - 29 каналов; - 33 канала. WCDMA- 100% - загрузка; - 50% - загрузка; - 25% - загрузка каналов; - 98 каналов; каналов.
Этап 2:Определение пространственных параметров сети Исходные данные для расчета пространственных параметров сети с точки зрения абонентской емкости: - число каналов трафика на сектор (соту) ; - вероятностью блокировки вызова ; - активность одного абонента в ЧНН Эрл; - число абонентов сети ; - число секторов на БС – D; -площадь зоны обслуживания. Максимально-возможное число абонентов, которое может обслужить сектор базовой станции: Число секторов в сети: Число БС в сети: где D - число секторов на БС. Площадь БС: Дальность связи (радиус соты с точки зрения абонентской нагрузки): где k = 1.25 – коэффициент, учитывающий необходимость взаимного перекрытия сот для обеспечения хэндовера. Для среднего и малого города с высотой антенны BS 30м, высотой антенны MS 1,5м и несущей частотой 1950МГц допустимые потери на трассе с помощью модели COST231–Hata: Откуда радиус соты с точки зрения бюджета потерь: Если R ( по потерям) R (по абонентской емкости), то выполняются требования по покрытию и емкости сети и ресурсы используются наиболее рационально, а если данное требование не выполняется, то надо произвести расчет заново для улучшения ситуации, изменяя определенные параметры. 17
Этап 3:Определение мощности передатчика БС Расчет линии «вниз» аналогичен расчету линии «вверх», однако имеется ряд отличий. Ограничения по уровню сигнал/помеха для конкретного пользователя: Каждая базовая станция излучает сигналы, состоящие из каналов трафика и общих каналов. Мощность общих каналов управления составляет 0.2 от максимальной мощности сигнала. Мощность каналов трафика при телефоном трафике:, Мощность сигнала: Для обеспечения уверенного приема сигналов синхронизации Мощность шума на входе приемника мобильной станции: Мощность сигнала: Мощность передатчика базовой станции: Средний уровень мощности группового сигнала на выходе передатчика базовой станции: Поскольку абоненты распределены по соте равномерно, плотность вероятности нахождения абонента в точке соты с координатами : 18
Этап 4: Распределение кодовых сдвигов по секторам (сотам) сети Все BS в сети используют один короткий код, но с разными циклическими сдвигами. По циклическому сдвигу короткого кода можно выделять и различать сигналы, излучаемые BS в разных сотах и секторах. Сектора и соты сети группируются в кодовые кластеры, максимальная размерность которых (, 512), где - количество сот, 512 – максимально возможное количество секторов в кластере, а - секторность сот. Средний радиус кластера равен: Соты и сектора с идентичными кодовыми сдвигами будут разнесены на расстояние: Назначение циклических сдвигов короткого кода может быть осуществлено подобно назначению частот в сотовых сетях с частотным и частотно-временным разделением каналов – на основе кластерных структур. 19
Особенности технологии W-CDMA/HSDPA Технология HSDPA во многом близка к пакетной передаче данных, которая используется в стандарте GSM с использованием технологии GPRS/EDGE. Передача ведется отдельными пакетами, в зависимости от состояния трассы применяют различные модуляционно- кодирующие схемы и повторную передачу непринятых пакетов. В технологии HSDPA отсутствуют две основные особенности W- CDMA: изменяемый коэффициент расширения спектра (variable SF) и быстрое управление мощностью. Вместо этого используется адаптивная модуляция и кодирование AMC (Adaptive Modulation and Coding), короткий размер пакета, мультикодовый режим и автоматический повтор запроса. АМС дает эффективный выигрыш в мощности за счет исключения расходов на управление мощностью. Коэффициент расширения спектра зафиксирован на SF = 16, это дает хорошее разрешение скорости. Размер пакета уменьшен с 10–20 до 2 мс (это соответствует трем TS), чтобы увеличить канальную скорость и повысить эффективность АМС. Для получения высоких пиковых скоростей используют модуляцию 16-КАМ. При сочетании 16-КАМ и канального кодирования со скоростью Rкод= 3/4 достигают пиковой скорости передачи данных 712 кбит/с. В наиболее помехозащищенном варианте передачи используют 4-ФМ со скоростью кодирования 1/4, но при этом скорость передачи данных уменьшается до 119 кбит/с.
Особенности технологии W-CDMA/HSDPA(продолжение) При реализации HSDPA возрастает поток информации между Node В и RNC, меняется сигнализация по протоколу RRC. Существенно увеличивается объем программного обеспечения в Node B. Канальный ресурс в соте по-прежнему распределяет RNC. Он выделяет коды каналам HS-PDSCH и HS-SCCH, но пакеты для передачи по этим каналам расставляет BS. Кроме того, BS буферизирует пакеты, передаваемые абонентам, ведет учет их времени пребывания в буфере, организует их повторную передачу. Несомненным плюсом технологии HSDPA является то, что дальность связи практически равна зоне покрытия базовой станции. Минусом является то, что высокая скорость передачи данных доступна только в направлении от базовой станции к мобильным абонентам, а для отправки данных в направлении от мобильных абонентов к базовой станции возможна максимальная скорость передачи данных до 384 кбит/с. Этот недостаток планируется устранить в технологии HSUPA (англ. High Speed Uplink Packet Access – высокоскоростной пакетный радиодоступ в линии «вверх»).
TFRC комбинация модуляции и кодирования совместно с канальным ресурсом МодуляцияЭффект. скорост ь кода Скорость передачи данных (1 код) кбит/с Скорость передачи данных (5 код) Мбит/с Скорость передачи данны х (15 код) Мбит/с 14-ФМ1/41190,61,8 24-ФМ1/22371,23,6 34-ФМ3/43561,85,3 416-КАМ1/24772,47,2 516-КАМ3/47123,610,7 Варианты модуляции и кодирования W-CDMA/HSDPA
Распределение ресурсов Кодовый ресурсРесурс по мощности
Управление доступом в сетях Управление доступом в сетях W-CDMA/HSDPA 10 Запрос на соединение Оценка возможности выделения кодового ресурса (RNC) Оценка возможности выделения мощностного ресурса (NodeB) Оценка производительности NodeB (NodeB) Выделение пропускной способности Iub интерфейса (RNC) Выделение ресурсов Отказ Нет Резервирование ресурса
Алгоритм планирования сети WCDMA-HSDPA
Зависимость радиуса от загрузки сети
Расчет параметров сети
Характеристики прямого канала при работе в режиме мобильного Интернета Адаптивные схемы модуляции и кодирования Требуемое отношение сигнал/помеха в прямом канале
Распределение скоростей передачи данных в прямом канале в зоне обслуживания базовой станции при работе в режиме мобильного Интернета
Распределение скоростей передачи данных в обратном канале в зоне обслуживания базовой станции при работе в режиме мобильного Интернета
Распределение скоростей передачи данных в зоне обслуживания Канал «вниз» Канал «вверх»
Пропускная способность сектора
Основные технические характеристики стандарта LTE
Полоса частот, занимаемая системой LTE Разнесение по частоте 10 МГц (50 ресурсных блоков) 5 МГц 5 МГц (25 ресурсных блоков) 2.5 МГц 3 МГц (15 ресурсных блоков) 1.6 МГц 1.4 МГц (6 ресурсных блоков) 0.8 МГц Требуемое разнесение по частоте стандартов LTE и GSM, работающих в общей полосе частот. Ресурсная сетка LTE при стандартном шаге поднесущих
Алгоритм планирования сети LTE
Алгоритм планирования сети LTE(продолжение)
Методики оценки бюджета потерь и зоны покрытия Тип передаваемых данных – VoIP, скорость передачи: 39,7 кбит/с Δf системы: 10 МГц Высоты подъёма антенны абонентских станций 1.5 м, а базовых станций 30 и 50 м в городской и пригородной зоне соответственно Максимально допустимые потери при распространении в канале равны: где P TX - мощность передатчика, G TX - коэффициент усиления передающей антенны, P RX - чувствительность приемника, B BODY – потери в теле абонента, G RX - коэффициент усиления приемной антенны, B fid - потери в фидере, IM - запас по интерференции, L slow - запас на медленные замирания, берется равным 10.3 дБ.
Методики оценки бюджета потерь и зоны покрытия(продолжение) Далее производится оценка зоны покрытия сети по моделям распространения Okumura–Hata и COST 231 – Hata. Для GSM 1800 и LTE 1800 (город): Для GSM 1800 и LTE 1800 (пригород): Для GSM 900 и LTE 900 (город): Для GSM 900 и LTE 900 (пригород):
Методики оценки бюджета потерь и зоны покрытия(продолжение) Результаты для линии «вниз»: Результаты для линии «вверх»:
Методики оценки бюджета потерь и зоны покрытия(продолжение) Оценка бюджета потерь показывает, что сети GSM и LTE, которые развертываются в одном диапазоне, имеют близкие показатели допустимых потерь на трассе прохождения радиосигнала. Стандарт LTE допускает возможность развертывания сегмента LTE в уже существующих диапазонах систем сотовой связи стандарта GSM. «Гибкая» полоса LTE дает возможность производить реформирование спектра довольно просто, так как полоса начинается с 1.4 МГц или 3 МГц, а затем она может увеличиваться, при постепенном развитии сети LTE, и, соответственно, уменьшении трафика сети GSM на которую LTE накладывается.
Частотное планирование сети LTE Технология OFDMA позволяет управлять мощностью передаваемых eNB поднесущих, в связи с чем становится возможным применение различных методов повторного использования частот. Наибольший интерес представляют мягкое и дробное, так как они повышают пропускную способность каналов. При мягком повторном использовании частот коэффициент повторного использования стремится к единице, то есть, в каждой соте может использоваться вся полоса системы. При дробном ПИЧ коэффициент меньше единицы.
Частотное планирование сети LTE(продолжение) Оценка допустимой скорости передачи в канале для «близких» и «далеких» пользователей в области u, соответственно: и При использовании мягкого повторного использования частот экспериментально получено увеличение емкости на 12% в секторизованных сотах и на 21% в несекторизованных сотах. Повторяя данный частотный кластер, можно построить сеть LTE, так как поднесущие в системе ортогональны, а, следовательно, внутрисотовую интерференцию нет необходимости учитывать, а межсотовая – снижается за счет выделения пользователям, находящимся на границе соты, различных подполос частот. где W – полоса системы, η – SINR.
Частотное планирование сети LTE(продолжение) Расчет произведен без учета модуляционно- кодирующих схем, применение которых в LTE адаптивно (за назначение модуляционно-кодирующих схем отвечают планировщики; назначение производится динамически, в зависимости от качества канала в момент назначения и от заданных параметров QoS для заданного типа трафика).
Расчет абонентской емкости сети LTE Необходимо произвести расчет абонентской емкости для тотальной услуги – VoIP. Каждой соте при мягком повторном использовании частот выделяется вся полоса системы. Оценим абонентскую емкость для полосы 10 МГц. Примем в расчет то, что для организации речевого канала со скоростью 39.7 кбит/с необходим 1 ресурсный блок, в частотной области занимающий 180 кГц. Следовательно, можем организовать 55 каналов. Для систем сотовой связи вероятность блокировки равна 1%, расчетная абонентская нагрузка составляет A a = Эрл на абонента. По таблице Эрланга для системы с отказами получаем по исходным данным нагрузку, которую может выдержать сайт As=42.4 Эрл. Посчитаем количество абонентов, которым будет предоставлена услуга VoIP в ЧНН: Выделение ресурсов для других видов трафика производит планировщик в зависимости от имеющегося свободного ресурса и качества каналов связи.
Спасибо за внимание!