Побудова мереж мобільного зв’язку третього покоління WCDMA/ UMTS

Контрольне  завдання

 

Побудова мереж  мобільного зв’язку третього покоління WCDMA/ UMTS

 

В наш час в розвинених країнах  світу спостерігається стійка тенденція  до стрімкого розвитку телекомунікаційних послуг Triple Play. На перше місце для  телекомунікаційних операторів виходять завдання надання абонентам послуг високошвидкісного доступу до мережі Інтернет, IP-телебачення, передачі даних, відеотелефонії та відеоконференцзв’язку.

Одним з найбільш грандіозних  проектів кінця XX століття є програма ІМТ-2000. У її основі лежить ідея створення нового сімейства систем рухомого зв'язку третього покоління (3G), що охоплює технології безпроводного доступу, наземної стільникового і супутникового зв'язку. Суть нової концепції складається в збереженні ідеї глобального роумінгу, але лише як ідеологічну основу для об'єднання існуючих аналогових і цифрових мереж із системами, що базується на новому сімействі стандартів 3-го покоління, що одержало позначення IFS (ІМТ-2000 Family of Systems).

Концепція систем 3-го покоління  націлена на створення умов для надання послуг мультимедіа, включаючи високошвидкісну передачу інформації, відео і мови, факсимільних повідомлень і даних будь-якому абоненту за допомогою мобільного термінала, що має єдиний номер. Вартість послуги повинна бути мінімальна при прийнятній якості і рівні безпеки. Головна мета розробки систем 3-го покоління – задоволення потреби масового ринку в персональному зв'язку, і її досягнення буде залежати як від тарифів для мереж загального користування, так і від вартості абонентського термінала. Програма ІМТ-2000 базується на ряді ознак, що визначають принципи побудови систем 3-го покоління і їхню архітектуру. Уже на першому етапі розгортання вони повинні забезпечувати визначені значення швидкості передачі для різних ступенів мобільності абонента (тобто різних швидкостей його руху) у залежності від величини зони покриття:

• до 2,048 Мбіт/с при низькій  мобільності (швидкість менше 3 км/год) і локальній зоні покриття;

• до 144 Кбіт/с при високій  мобільності (до 120 км/год) і широкій зоні покриття;

• до 64 (144) Кбіт/с при  глобальному покритті (супутниковий зв'язок).

Що ж стосується набору послуг, то він фактично наближається до наданого в мережах фіксованого  зв'язку. Це і високошвидкісний доступ у Internet, і мультимедіа. Очевидно, що досягнення таких високих швидкостей при обмеженому частотному ресурсі і роботі в каналах із завмираннями зажадає розробки принципово нових підходів до побудови радіоінтерфейса. Архітектура систем майбутнього включає два основних елементи: мережну інфраструктуру (Access Network) і магістральні базові мережі (Core Network). Така структура забезпечує можливість нарощування інфраструктури шляхом послідовної модифікації її складених елементів, але щоб гарантувати роботу мереж у довгостроковій перспективі, необхідно пам'ятати про абонентську частину архітектури – термінали, що за рахунок змінюваної конфігурації повинні задовольняти вимогам багатьох стандартів.

Принципова відмінність технології 3-го покоління від попередніх –  можливість забезпечити весь спектр сучасних послуг і в той же час гарантувати сумісність з існуючими системами. Говорячи про системи 3-го покоління, послуги прийнято поділяти на двох груп: немультимедійні (вузькополосная передача мови, низькошвидкісна передача даних, трафік мереж з комутацією) і мультимедійні (асиметричні й інтерактивні). Новою якістю цих систем є також те, що вони дозволяють компаніям-операторам самостійно розробляти додаткові, функції і послуги, орієнтуючись на вимоги конкретного регіону і ріст попиту на визначені послуги.

В Україні вже існують кілька рішень задач надання мобільного високошвидкісного доступу до мережі Інтернет:

- МТС – найбільший оператор мобільного зв’язку; мережу бездротового мобільного зв’язку побудована на стандарті GSM. В даний момент МТС надає послуги мобільного Інтернету за технологією 3G CDMA 450 EV-DO.

- Київстар – мережа цього оператора також побудована за технологією GSM, надає послуги доступу до мережі Інтернет та IP-TV за технологією 3G UMTS на базі оператора Utel.

- Life :) – основою мережі є GSM, надбудова над GSM – підмережа 3G UMTS/WCDMA.

- Utel – окремий оператор мобільного зв’язку третього покоління, мережа якого побудована за технологією 3G UMTS/WCDMA.

- PEOPLEnet – оператор, мережа якого є повністю мережею третього покоління, побудована на стандарті CDMA2000 1x EV-DO Rev.A; надає послуги доступу до мережі Інтернет.

Ні для кого не секрет, що ситуація з розподілом частотних смуг в  Україну вкрай напружена (втім, як і в будь-якій країні). Тому покупка  частотної смуги достатньою для  формування частотного плану системи з частотним поділом каналів пов'язана з необхідністю звільняти діапазони або їх перерозподіляти, щоб отримати цілісну смугу. Тобто, проектування, наприклад, мереж зв'язку четвертого покоління (LTE або WiMAX) ще в самому початку зустрічається з серйозними перешкодами. Менш завантажені діапазони вище 3,5 ГГц володіють іншим недоліком – базові станції в цьому діапазоні мають невеликий радіус дії, тобто, кількість обладнання для такої мережі необхідно більше. Більш проста ситуація з системами зв'язку з кодовим поділом каналів (UMTS, CDMA2000). Тут сигнали “абонент – базова станція” передаються на одній частоті, а поділ каналів здійснюється за допомогою технології CDMA (Code Division Multiple Access – множинний доступ з кодовим поділом каналів) (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Приклад коду з використанням технології кодового розподілу каналів

 

 У кожного приемопередатчика  є свій псевдовипадковий код,  тому приймача розпізнає “свій”  сигнал за допомогою комбінації  прийнятого сигналу і коду  з використанням операції XOR. Сигнали інших приймачів при цьому ігноруються.

Таким чином, за рахунок  того, що приймачі працюють на одній  частоті, системи CDMA мають високу пропускну  здатність. Крім того, системи CDMA мають  інші переваги. За рахунок того, що тривалість імпульсу псевдовипадкового коду Тс набагато менше тривалості імпульсу переданих даних Tb, ширина спектра сигналу передавача набагато більше ширини спектру сигналу даних. Таким чином, отриманий сигнал широкосмуговий, а значить – шумоподібний, тому перешкоди, моделлю яких найчастіше виступає Гаусів білий шум, не можуть суттєво погіршити якість сигналу. Ці системи мають високу скритність передачі – без знання псевдовипадкового коду розшифрувати прийняті дані неможливо.

 

Завдання проектування бездротової  телекомунікаційної мережі мобільного з’язку – одна з найбільш складних і відповідальних завдань розгортання мережі. Потрібно визначити кількість обладнання, місця його розташування, розподілити частотні канали, виходячи з сукупного критерію ефективність-вартість. З одного боку, надмірна розстановка базових станцій буде невигідною, оскільки призведе до зайвих витрат, з іншого боку дуже рідкісне розташування базових станцій може викликати появу необслуговуваних зон або брак ресурсів для обслуговування абонентського трафіку (що, мабуть, і спостерігається в українських мережах 3G). Крім того, функціонування цих мереж характеризується наступним обставиною – при збільшенні кількості активних абонентів в комірці радіус її зони зменшується.

Таким чином, проектування мережі мобільного зв’язку вимагає ітераційного підходу  в розрахунках, в процесі якого використовуються математичні методи та методи комп'ютерного моделювання.

 

Отже, план розробки мережі мобільного стільникового зв’язку  такий:

1. Розрахунок кількості базових станцій з використанням математичних моделей. Спочатку необхідно розрахувати покриття території об’єкта проектування – тобто, визначити радіус стільники виходячи з вимоги покриття території сигналом достатнього рівня. На території не повинно бути ділянок зі слабким рівнем сигналу, який менше чутливості абонентського пристрою, затемнених ділянок (через високі будівель, наприклад), ділянок без покриття. Багато моделей поширення дозволяють врахувати різні особливості об’єкта. Доцільно розрахувати покриття по декількох моделях. Далі необхідно оцінити ємність отриманої мережі радіодоступу, причому для кожної технології мережі свої способи розрахунку. І, якщо потрібна більша кількість базових станцій, скоригувати розрахунок.

2. Складання частотно-територіально плану мережі.

3. Використання спеціального програмного забезпечення для оцінки радіопокриття мережі з розрахованим раніше кількістю базових станцій. У підсумку також скорегувати кількість обладнання.

4. Розрахунок ємності скоригованої мережі. Існують також програмні комплекси, що дозволяють задати параметри інтенсивності трафіку для різних послуг, і оцінити ємність мережі. Якщо задану кількість станцій не може обслужити передбачувану навантаження, створювану абонентами, необхідно додавати приймачі або базові станції. Або, можливо, буде достатньо перепланування розташування станцій. Якщо базових станцій виходить занадто багато для розрахованої навантаження, потрібно зменшити цю кількість, переплануємо місця розташування базових станцій, змінюючи висоту підвісу, кут нахилу діаграми спрямованості антен і зміною інших параметрів. У даному розділі також планується використовувати моделі Ідемпотентний алгебри для моделювання роботи мережі та їх подальшої оптимізації з метою забезпечення параметрів QoS.

5. Повторне проведення радіопланування і подальша коректування кількості обладнання.

6. Повторний розрахунок ємності мережі.

7. Процес триває до тих пір, поки не вдасться досягти оптимального рішення.

 

Проектування проводилося  згідно плану проектування:

1. За моделлю Окамура-Хата розрахований радіус стільники при середньостатистичних параметрах базових станцій UMTS, умов міста Донецька та чутливості абонентської станції –140 дБ (Рисунок 2). Радіус соти, згідно з розрахунками, 1км. Необхідна кількість базових станцій при цьому 17.

 

 Рисунок 2 – Розрахунок радіуса стільники базової станції.

 

2. Виходячи з умов забезпечення ємності, необхідно 40–50 базових станцій. У проекті прийнято максимальну кількість N = 50.

3. Розраховано інше обладнання, складена структурна схема мережі (рисунок 3).

 

 Рисунок 3 – Структурна схема мережі UMTS для умов міста.

 

Застосування моделей ідемпотентний  алгебри для моделювання та оптимізації

 

 Ідемпотентний алгебра  або макс-плюс алгебра – це  нова математика, яка грунтується  на двох основних операціях  – нове складання, яке дорівнює  максимуму, і нове множення, яке збігається зі складанням. Ідемпотентний математика є природним апаратом для вирішення завдань оптимізації та оптимального управління.

 

 Загальний підхід  до оптимізації процесів в  телекомунікаціях полягає в розрахунку  оптимального значення деякого параметра, який в даній задачі є критерієм оптимізації. Нехай є мережа, представлена у вигляді ациклічного графа, де вершини графа – вузли мережі, дуги – маршрути, за якими заявки можуть передаватися по мережі. В кожному вузлі є пристрій обробки заявок і буфер, в якому може відбуватися очікування обробки в черзі. У структурі мережі є особливі вузли – джерела і приймачі заявок. У початковий момент часу всі пристрої обробки заявок в мережі вільні, черга заявок в кожному вузлі – джерелі має нескінченну довжину, а черги всіх інших вузлів i містять по деякій кількості заявок, які готові до обслуговування пристроями. Для формалізації процесу вводяться такі позначення перемінних:

 τik – тривалість обслуговування k-й заявки в i-му вузлі мережі;

xi(k) – момент часу завершення обслуговування k-й заявки в i-му вузлі мережі;

ai(k) – момент надходження  k-й заявки в чергу на обслуговування  в i-му вузлі мережі.

 

Передбачається, що τik –  невід’ємні випадкові величини з  деяким математичним очікуванням для  всіх i = 1 ... n та k = 1,2 ...

Для визначеності задають  додаткові початкові умови процесу: xi(0)=0, xi(k)= ∞ для k<0 та i=1,2…n;

З урахуванням прийнятих  позначень і припущень, динаміка якого вузла мережі описується в  термінах макс-плюс алгебри, як: xi(k)=τik⊗ai(k)⊕τik⊗xi(k–1)

Так буде розраховуватися  час завершення обслуговування k-тої  заявки в i-му вузлі мережі при різних маршрутах проходження цієї заявки. Це дозволить, по-перше, провести моделювання  процесу обслуговування заявки різними  маршрутами, а по-друге, оптимізувати цей час, вибравши найменший маршрут. Застосування Ідемпотентний алгебри та апарату мереж Петрі дозволить вирішити задачі моделювання та оптимізації важливих параметрів обслуговування абонентів мобільної мережі зв’язку 3G. Наведений вище алгоритм моделювання часу обслуговування заявки може бути використаний для оцінки часу очікування прийняття на обслуговування абонента, а також для його подальшої оптимізації з метою мінімізації. Крім цього, можна оцінювати і оптимізувати такі параметри:

1. Затримка при голосової і відеозв’язку.

2. Пропускну здатність каналу зв’язку при перевантаженнях мережі (наприклад, для тимчасових перевантажень – під час проведення різних міських заходів).

3. Час здійснення хендовер в мережі. Знаючи алгоритм роботи контролерів і базових станцій, можна оцінити, як швидко відбудеться передача обслуговування абонента, і як це відіб’ється на якості послуги, якої в момент хендовер користується абонент.

 

 При впровадженні  або нарощуванні мережі зручно  скласти її модель і оцінити  характеристики послуг, які надаються абонентам, а потім, в разі необхідності, оптимізувати мережу за певним критерієм. Це дозволить значно спростити процес побудови мережі, тому що можна буде уникнути помилкових або неоптимальних рішень.