Исследование и разработка методов повышения абонентской емкости цифровых сотовых систем связи диапазона 450 МГц

Повсеместное введение в эксплуатацию сетей сотовой связи можно считать свершившимся явлением на всей заселенной части территории РФ. При этом, естественно, произошло практически полное исчерпание ресурсов выделенного радиочастотного спектра на указанной территории. Самые ранние из сотовых сетей, являющиеся чисто аналоговыми, можно считать довольно «старыми» по меркам шкалы времени, связанной с достижениями в области технологий и методов обработки сигналов. Так сложилось, что на современном этапе наметился процесс всеобщего перехода от аналоговых технологий к цифровым, обеспечивающим разносторонние, качественные преимущества. В этом смысле не составляют исключения сотовые сети аналоговых стандартов, для которых переход на цифровую основу обещает заметный выигрыш по показателям качества предоставляемых услуг, расширения их перечня, увеличения числа обслуживаемых абонентов, повышения доступности, энергоемкости, экономичности, совместимости и т. д. [58,62].

Оставаясь на реалистической позиции, можно утверждать, что подобных проблем не удастся избежать в будущем, когда новые технологии со всей настоятельностью «потребуют» модернизации тех цифровых сетей сотовой связи, которые сейчас считаются самыми совершенными. В результате проблема модернизации сотовых сетей связи выделяется в одно из ключевых и фундаментальных направлений для изучения. В указанной проблеме явно прослеживаются пока нерешенные вопросы оптимизации процесса модернизации в условиях прогнозируемых накоплений знаний и развития технологий, предсказания ожидаемого экономического эффекта и приобретения сопутствующих технических, научных знаний.

В такой широкой трактовке решение обозначенной проблемы представляется делом будущего, когда будет накоплен достаточный экспериментальный и теоретический материал. В настоящий же момент практическую значимость имеют задачи, связанные с модернизацией сотовых сетей аналоговых стандартов. Однако при их решении очень важно не сузить понимание вопросов до уровня чисто практического. Нужно попытаться осмыслить задачи модернизации в теоретическом плане, чтобы обеспечить начальное накопление знаний для решения обозначенной выше общей проблемы.

Анализ доступной литературы показал, что, несмотря на необозримое количество публикаций на тему усовершенствования методов обработки сигналов и передачи сообщений по каналам связи (например, [1214,35,39,41,42,48,49,50,54,56,68,71,76,81−85]), практически отсутствуют работы, посвященные вопросам о том, на сколько указанные методы могут повлиять на интегральные показатели качества работы сети в целом. К упомянутым интегральным показателям, обычно, относят такие характеристики как: емкость сети, предельно допустимая плотность частотно-территориального (ЧТП) покрытия, удельная территориально-частотная плотность информационного потока, суммарный трафик, поддерживаемый в системе, и т. д. Все эти показатели непосредственно связаны с экономической эффективностью работы сети и, в конечном счете, определяют целесообразность модернизации.

В литературе, посвященной данной проблеме, сложился подход, при котором все многообразие связей между методами обработки и эффективностью сети ограничивается рамками зависимости между требуемым уровнем отношения Еь/No (или сигнал/(помеха+шум)) и предельно допустимым числом поддерживаемых каналов в пределах соты/сектора, см. например, [68,57,80]. Однако, реально параметр Еь/No не является первичным и зависит от множества других характеристик. Например, от размера сот, структуры кодов, методов модуляции, характера и структуры территориального покрытия и многого другого. Кроме того, как выяснилось из работ О. А. Шорина [58,5,57], Г. П. Башарина и Н. В. Серебренниковой [6], существует ряд методов позволяющих заметно повысить предельно допустимую нагрузку сети от 20% до 40% при неизменном уровне требуемого отношения Еь/No в канале. Поэтому особую актуальность приобретают исследования в направлении установки связи между отдельными технологиями обработки или управления работой в радиоканале и результирующими показателями выигрыша по интегральным характеристикам работы сети.

Как можно судить по результатам множества работ, среди которых, не претендуя даже отдаленно на полный перечень, можно указать [4,5,1214,35,39,41,42,48,49,50,54,56,68,71,76,81−85], преимущества цифровых методов обработки сигналов и достижения соответствующих технологий столь значительны, что вопрос о целесообразности модернизации аналоговых сетей не вызывает никаких сомнений. Однако научный подход и теоретический анализ позволит его провести с минимальными затратами, а для этого необходимо восполнить тот пробел в исследованиях, который образовался в вопросах анализа связи эффективности обработки в канале с общими показателями работы сетей.

Цифровые методы обработки, в силу универсальности своей физической природы, с успехом применяются для решения чрезвычайно широкого спектра задач, начиная от частотной селекции [49,34] и вопросов синхронизации [4,7,17], до управления доступом [6,81] и организацией адаптивной обработки в антенных системах [4,9,18,16,72,70,57] либо в системах с разнесенной передачей/приемом сигналов [11]. Особый интерес с точки зрения мобильных систем среди них занимают вопросы применения пространственной селекции и кодирования с исправлением ошибок [61].

Пространственная селекция сигналов привлекательна в силу того, что пространственный ресурс радиоканала до сих пор остается не задействованным в полной мере [4,11,72,70], что сулит качественное повышение основных показателей работы систем мобильной связи и сотовых сетей в том числе, при условии его использования[59,60]. Повышение эффективности кодирования с исправлением ошибок привлекательно в силу того, что для его исполнения, в большинстве случаев, достаточно выполнить простую замену специального программного обеспечения (ПО) обработки сигналов. Поэтому последний вопрос, при условии внедрения цифровых методов обработки, отличается очень высокой технологичностью и экономичностью. Однако, как можно судить из работы [12], применение техники решетчатых кодов с многоступенчатыми итеративными процедурами исправления ошибок обеспечивают результат по эффективности обмена в канале практически совпадающей с теоретическим пределом (граница Шенона). Это обстоятельство ограничивает перспективы вопроса повышения эффективности кодирования современным этапом развития систем связи, связанным с непосредственным переходом на цифровую основу. Тем не менее, в плане влияния качества кодов исправляющих ошибки на интегральные показатели работы сотовой сети, указанная тематика еще далека от своего разрешения и не получила должного внимания в литературе.

Таким образом, анализ публикаций в исследуемой области показал отсутствие теоретических результатов по оценке эффективности применения указанных выше, методов обработки и управления ресурсами канала на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети в тех или иных условиях. Это не позволяет точно судить о целесообразности их внедрения, оставляет без ответа вопрос о том, как именно нужно осуществлять соответствующую модернизацию, и в каких ситуациях системы наиболее чувствительны к введению методов пространственной обработки, кодирования с исправлением ошибок и к усовершенствованиям в организации доступа. Последнее обстоятельство существенно усложняет практическую реализацию модернизации сотовых сетей связи аналоговых стандартов. В результате, настоятельная потребность перевода сотовых сетей аналоговых стандартов на цифровую основу, сочетающаяся с успехами в области соответствующих технологий, с одной стороны, и отсутствие необходимых для этого теоретических проработок, с другой стороны, настоятельно требуют разработки аналитических методов анализа и получения на его основе конкретных результатов по оценке влияния на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети таких технологий как: кодирование с исправлением ошибок, пространственная селекция сигналов, слежение за пространственными перемещениями отдельных абонентов, управление доступом с учетом пространственного перекрытия зон обслуживания отдельных сот, позволяющих в полной мере учитывать нюансы в режиме модернизации.

Цель и задачи работы.

Целью работы является выбор цифрового стандарта сотовой системы связи в диапазоне 450 МГц и оценка его потенциальных возможностей по абонентской ёмкости в результате применения помехоустойчивого кодирования, разработанных методов пространственной селекции абонентов и управления режимом «мягкого» хендовера в зонах перекрытия. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Выполнить расчет повышения емкости сотовой сети CDMA при использовании в каналах различных схем кодирования с исправлением ошибок.

2. Выполнить расчет помехозащищенности сотовой сети CDMA, работающей в совмещенном режиме и использующей кодирование с исправлением ошибок.

3. Разработать методику сопоставления эффективности сотовых сетей аналоговых (NMT-450) и цифровых (CDMA, GSM) стандартов по критерию, связанному с характеристикой [^]=[Эрл/МГц/км2].

4. Разработать алгоритмы сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН антенн БС. Выполнить оценку точности такого сопровождения в рамках целевой задачи снижения энергетики линий связи путем заблаговременного предсказания попадания абонентов в зоны радиозатенений и выполнения упреждающих операций хэндовера.

5. Провести экспериментальные испытания фрагмента сотовой радиосети, использующей адаптивные антенные решетки на БС. Сопоставить данные эксперимента с теоретическими для проверки полученных технических рекомендаций по модернизации сотовой сети стандарта NMT-450 в цифровой формат D-NMT.

6. Выполнить анализ возможного повышения эффективности режима доступа на территориях с многократным радиоперекрытием в сотовых сетях с «мягким» хэндовером.

7. Сформулировать рекомендации по возможным направлениям дальнейшего развития полученных результатов в целях повышения эффективности решения задач модернизации сотовых сетей и систем связи.

Методы исследования.

В диссертационной работе при решении поставленных задач используются теория передачи сигналов по каналам связи, методы математической статистики, теории вероятности, случайных процессов, теории массового обслуживания, многомерного анализа, а также методы вычислительной математики и программирования.

Научная новизна и основные научные результаты.

1. Разработана методика оценки емкости сотовой сети стандарта CDMA, которая позволяет определить возможности по ее повышению в результате использования в радиоканале различных схем блоковых или сверточных кодов с исправлением ошибок, учитывающая многолучевое распространение и ситуации с отсутствием «прямой видимости» между базовой станцией и абонентскими терминалами.

2. Разработана методика оценки помехоустойчивости в режиме совмещенной работы сотовых сетей стандарта CDMA с узкополосными радиосистемами, которая позволяет определить область эффективного использовании режекторной фильтрации узкополосных помех с помощью трансверсальных БИХ и/или КИХ фильтров.

3. Разработана методика сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН адаптивных антенн, располагаемых на БС, путем анализа характеристик, связанных с амплитудно-фазовым распределением поля в области приема. Впервые получены оценки точности такого сопровождения, доказывающие возможность заблаговременного предупреждения попадания абонентов в зоны с радиозатенением.

4. Разработан новый алгоритм радиопеленга абонентов, работающий на основе многомерной статистики 4-го порядка, обеспечивающий существенно более высокие показатели точности разрешения, по сравнению с общеизвестными методами. Установлено, что при его использовании режим разрешения сохраняет необходимые рабочие характеристики вплоть до снижения уровня Еь/No в канале до 2 дБ.

5. Разработана новая методика управления доступом для сотовых сетей с «мягким» хэндовером, использующая скрытые резервы территориальных зон с многократным радиоперекрытием, Показано, что для сетей с «мягким» хэндовером оптимизация доступа обеспечивает почти такой же выигрыш по емкости, что и для сотовых сетей с «жестким» хэндовером.

Практическая ценность работы.

Теоретические исследования, проведенные в диссертационной работе, позволили решить ряд практических задач, стоящих перед операторами и разработчиками цифровых сотовых систем связи диапазона 450 МГц и обосновать выбор наиболее перспективного стандарта в России для перехода к нему от стандарта NMT 450:

1. Разработана методика сравнения эффективности сотовых сетей различных стандартов на основе критерия, связанного с характеристикой [т/МЭрл/МГц/км2], на основе которой показано, что переход от стандарта NMT-450 к стандарту D-NMT (CDMA) повысит эффективность работы в 1,55 раз. При переходе на AMR кодеки общий выигрыш составит 3−4 раза.

2. Предложена новая методика организации процесса модернизации для сотовой сети стандарта NMT-450, предусматривающая работу в промежуточном режиме, когда одновременно функционируют сегменты в аналоговом и цифровом форматах.

3. Разработаны методики для проведения натурных испытаний и анализа полученных результатов для фрагмента сотовой сети, полученных в ходе драйв тестов с использованием техники адаптивных антенных решеток.

4. Разработаны документы ассоциации NMT при внедрении стандарта IMT-МС-450, ассоциации 3G при подготовке предложений по развитию систем третьего поколения в РФ, официальных вкладов России в ITU и СЕРТ.

5. Сформулированы рекомендации по различным методам помехоустойчивого кодирования, интеллектуальным антеннам и управлением «мягким» хендовером при внедрении CDMA-450 в ОАО «Московская Сотовая Связь».

6. Результаты работы по оценке абонентской емкости цифровых сотовых стандартов используются в лекциях по курсу «Проектирование цифровых стотвых систем связи» для студентов обучающихся по специальности «Радиотехника».

Результаты диссертации могут быть также использованы при разработке систем связи с пространственно-временной обработкой сигналов и при формировании методик модернизации сетей связи.

Внедрение результатов работы.

В ходе работы над диссертацией при непосредственном участии диссертанта был создан ряд высокоэффективных алгоритмов обработки измерений, базирующихся на использовании теоретических и прикладных результатов исследований работы сетей связи с применением адаптивных антенн. Эти разработки были внедрены на предприятиях ЗАО Скайлинк, ОАО Московская Сотовая Связь, ЗАО ДельтаТелеком, Инфокоммуникационный Союз, в учебный процесс МТУСИ, что подтверждается соответствующими актами.

Личный вклад.

Теоретические и практические исследования, проведенные расчеты с использованием ЭВМ, а также рекомендации, методики и выводы получены автором лично.

Апробация работы.

1. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях по проблемам развития систем сотовой связи и обработке сигналов: Труды Международная конф.: Развитие мобильной связи в России-М.:25.03.2002.: 7-й Бизнес-Форум: Мобильные системы-2002, а также на научно-технических конференциях МТУСИ 2003,2007 гг.

Публикации результатов.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях в виде семи статей (в том числе в журналах «Электросвязь»,.

Мобильные системы", «Мобильные телекоммуникации»).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 74 рисунка, 8 таблиц, список литературы включает 88 наименований. Кроме того, содержит одно приложение на 5 страницах.

Основные результаты работы диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Разработана методика оценки влияния кодирования с исправлением ошибок на характеристику предельной емкости сотовой сети стандарта D-NMT, отличающаяся от общеизвестных [68,80] тем, что в ней учитывается вероятностный характер поведения нагрузки и структура используемых схем кодирования. В результате удалось получить численные результаты и сопоставить эффективность блоковых и сверточных кодов исправляющих ошибки по критерию максимального увеличения емкости сети. Удалось показать, что эффективность сверточного кодирования с точки зрения принятого критерия выше, чем блокового, и позволяет при определенных обстоятельствах увеличить емкость до 40%.

2. Разработана методика сопоставления технической эффективности работы сотовых сетей аналогового (например, NMT-450) и цифрового (например, D-NMT (CDMA)) стандартов, использующих один и тот же ресурс радиочастотного канала, на основе критерия Эрл./МГц/м2. Указанная методика отличается тем, что использует интегральный показатель качества, который учитывает как технические особенности организации разделения каналов, схем модуляции, методов исправления ошибок и способов обработки сигналов, так и особенности организации частотно-территориального покрытия. В результате применения такой методики впервые показано, что модернизация сотовой сети NMT-450 на цифровой формат обеспечит повышение эффективности работы примерно в 1.55 раз. А при условии использования ARM кодеков — до 3 — 4 раз.

3. Разработана методика расчета уровня внутрисистемных помех в сотовых сетях, использующих ЧТП с различными кластерами, построенная на основе модели распространения Окумуры-Хаты. На основе указанной методики удалось показать, что использование адаптивных антенн обеспечивает эффективное увеличение уровня отношения сигнал/(помеха+шум) на 16−25 дБ, что достаточно для реализации в сети NMT-450 покрытий с кластерами предельно высокой плотности 3/9 и даже 1/3.

4. Разработана методика пошагового режима модернизации сотовых сетей стандарта NMT-450 к цифровому стандарту D-NMT (CDMA-450), с помощью которой удалось показать, что максимальный радиочастотный ресурс требуется на первом шаге модернизации и его наименьшее значение составляет 2.8*2 МГц в случае без использования технологии адаптивных антенн и 1.57*2 МГц — в случае применения адаптивных антенн.

5. Разработана методика, на основе которой на территории восточного округа г. Москвы в 1999 году в условиях плотной городской застройки были проведены натурные испытания работы фрагмента сети NMT-450, использующей адаптивные антенны FALKEN RBS, в результате чего были получены данные, показывающие, что применение адаптивных антенн обеспечивает выигрыш, выражаемый в эффективном увеличении отношения сигнал/(помеха+шум) на 12 дБ (каналы вниз) и 16 дБ (каналы вверх). Кроме того, непосредственно была подтверждена работоспособность фрагмента сети с кластером покрытия 1/3. Указанная методика отличается от известных [9,11,18,36,52,63,65,70,72] тем, что ориентирована на комплекс характеристик качества, утвердившихся в качестве базовых для сотовых сетей (BER, FER, RxLev, RxQual, НО Failure и т. д).

6. Разработан алгоритм одновременного пеленга множества источников радиосигналов с помощью многоэлементной антенной решетки, ориентированный на применение в сотовых сетях. Указанный алгоритм отличается от известных [7,11,18,19−20,32−36,65,70,72] тем, что в нем вместо традиционной корреляционной матрицы используется многомерная статистика 4-го порядка. Показано, что случайная компонента пеленга в случае специального выбора статистики 4-го порядка определяется в первую очередь не собственными шумами в каналах, а шумами квантования, возникающими в режиме оцифровки данных. При этом алгоритм пеленга сохраняет приемлемые для практического использования показатели точности пеленга (порядка 1°-2°) даже в условиях снижения отношений Eb/N0 в канале связи до уровня 2 дБ. В то время, как известные алгоритмы теряют работоспособность, начиная с уровней Eb/N0 порядка 37 — 38 дБ.

7. Разработаны подходы для организации режима упреждающего «хэндовера» для сотовых сетей стандарта CDMA, отличительной особенностью которых является организуется слежения за перемещениями активных абонентов и предсказание их попадания в области радиозатенений. В результате такой организации хэндовера достигается возможность снижения энергетики радиолиний в сети на порядок.

8. Предложен новый алгоритм организации приоритетного управления выбором БС для режима доступа в сотовых сетях стандарта CDMA, отличающийся тем, что высший приоритет устанавливается для характеристики уровня загрузки базовых станций (в традиционном исполнении используется приоритетная последовательность RxQual, RxLev и BS Busy Level). Кроме того, предлагается вместо традиционной двухуровневой градации показателя загрузки использовать точный показатель. В результате применения такого алгоритма управления доступом в сетях с «мягким» хэндовером удается поднять предельный уровень нагрузки на 40% за счет пространственного усреднения локальных всплесков интенсивности запросов на подключение (GoS=2%).

9. Разработана методика анализа работы фрагмента сотовой сети с «мягким» хэндовером при различных вариантах организации доступа. С ее помощью удалось показать, что эффективность от управления доступом зависит от уровня перекрытия сот в сети. Получены аналитические соотношения для ожидаемых выигрышей, которые показали хорошее совпадение с результатами моделирования для уровней перекрытия сот, характерных для реальных сотовых сетей стандарта CDMA.

10. Наиболее перспективными исследованиями в плане дальнейшего развития разработанного направления представляются: а) решение задачи управления запуском/остановкой процессов, связанных с модернизацией сотовых сетей произвольных стандартов, структур и масштабов, в условиях постоянного накопления технических решений, усовершенствования элементной базы, появления новых аналитических методов и возникновения новых услугб) разработка подходов и базовых принципов для решения задачи оптимизации пространственно-временной обработки сигналов с точки зрения сотовых сетей и выполняемых ими функций.

Заключение

.