Анализ состояния проблемы Актуальность работы.
Интенсивное развитие систем персональной радиосвязи привело к их значительной концентрации, особенно в крупных городах [1]. Следствием этого является усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) и возрастание как внутрисистемных (внутри одной сети), так и межсистемных (между различными сетями) помех, что усложнило проблему совместного функционирования радиоэлектронных средств. Перспективы развития систем персональной радиосвязи, в том числе сотовых, в значительной степени зависят от корректного и рационального планирования, проводимого с помощью специальных геоинформационных систем. Однако развитие технологий планирования, включающих оценку электромагнитной совместимости (ЭМС), отстает от развития радиотелекоммуникационных систем, что усложняет развивающуюся ситуацию, и приводит к накоплению ошибок.
Совокупность электромагнитных полей в заданной точке пространства называется электромагнитной обстановкой (ЭМО). ЭМО создается различными источниками электромагнитных излучений: техническими средствами, природными электромагнитными процессами. Возможность нормального функционирования радиоэлектронных средств (РЭС) в данной точке пространства полностью определяется ЭМО и техническими характеристиками РЭС.
Ответить на вопрос: будет ли определенная сеть сотовой связи (ССС) функционировать в данной ЭМО, создаваемой излучениями базовых и мобильных станций, как данной сети, так и других ССС, а также других источников радиоизлучений и помех, с требуемым качеством, позволяет решение задачи оценки электромагнитной совместимости.
Электромагнитной совместимостью называется способность РЭС функционировать с требуемым качеством в существующей ЭМО и не создавать при этом недопустимых помех другим РЭС.
Задача оценки ЭМС возникает в процессе анализа состояния и управления частотно пространственным ресурсом и является одной из основных составляющих в процессе частотно-территориального планирования (ЧТП) систем радиосвязи — рационального назначения рабочих частот, сочетаемого с введением частотных, территориальных, временных и пространственных ограничений, накладываемых на РЭС.
Основным методом оценки ЭМС является математическое моделирование, в том числе компьютерный эксперимент, проводимый на основе математических моделей излучений радиопередатчиков (РПД), восприимчивости радиоприемников (РПМ), антенно-фидерных устройств (АФУ), распространения радиоволн, различных шумовых и помеховых воздействий, процессов взаимовлияния радиоэлектронных средств (РЭС) друг на друга.
Задача оценки ЭМС ССС требует комплексного подхода, заключающегося в наличии следующих этапов: математического моделирования РЭС, математического моделирования ЭМО, анализа реакции РЭС на ЭМО. При этом необходимо учитывать множество различных факторов, в том числе случайных. Важнейшими из них являются: особенности распространения радиоволн в приземном канале радиосвязи, способ множественного доступа, флуктуации уровней принимаемых сигналов и радиопомехи. Решение об электромагнитной совместимости РЭС, принимается на основе критерия ЭМС, определяемого неравенством [2]: если РА <РТ, ЭМС обеспечивается, если РА >РТ, ЭМС не обеспечивается,.
1) где.
РА — мощность на входе приемника;
Рт— допустимая мощность на входе приемника.
Для обеспечения функционирования радиосети условие ЭМС (1) должно выполняться для всех РЭС входящих в сеть с учетом их взаимного влияния. Решение этой задачи не должно привести к нарушению ЭМС внешних РЭС не входящих в исследуемую сеть.
Существуют детерминированный и статистический подходы к оценке ЭМС Рис. 1.
Рис. 1. Методы оценки ЭМС.
Детерминированному подходу, посвящены работы [2−7]. Классический детерминированный подход к оценке ЭМС РЭС заключается в анализе «дуэльных ситуаций», когда оценка ЭМС производится для двух РЭС с известными параметрами, одно из которых рассматривается в качестве приемника полезного сигнала, а второе РЭС является источником непреднамеренных радиопомех. Выделяют также «комбинационные ситуации», такие случаи, когда взаимные помехи образуются в группе из трех и более РЭС. Принципиально неустранимым, недостатком детерминированных способов оценки ЭМС является невозможность анализа большой совокупности взаимодействующих РЭС с априорно неизвестными параметрами, что характерно, например, для систем сотовой связи.
В общем случае необходимо оценивать совокупное воздействие множества независимых сигналов на РЭС, характеризующихся различными структурами и алгоритмами функционирования, а также наличием случайных параметров.
Оценка электромагнитной совместимости большой совокупности, взаимодействующих радиоэлектронных средств, связана со сложностью построения математической модели ее функционирования, характеризующейся случайными числом, временем работы и местоположением мобильных станций, случайными физическими процессами в канале радиосвязи, а для сети с кодовым разделением каналов (CDMA) и двусторонним управлением мощностью передатчиков мобильных и базовых станций.
Параметры РЭС характеризуются наличием случайных компонент. Все это обуславливает необходимость статистического подхода к решению задачи оценки ЭМС и определяет актуальность задачи.
Уровень сигналов от базовых станции (БС) в точке расположения мобильных станции (МС), как и уровень сигнала от МС в точке расположения БС, является случайной величиной. Это обусловлено рядом случайных факторов: колебаниями нагрузки, случайным местоположением МС, случайными замираниями из-за многолучевости и пространственного перемещения МС и др. Все это определяет актуальность статистического подхода к решению задачи оценки ЭМС. Совокупность взаимодействующих, в том числе мобильных РЭС, при их большом числе (десятки-сотни тысяч), можно рассматривать как сложную большую физическую систему, характеризуемую случайными процессами и случайными величинами. В этом случае наиболее адекватными математическими методами описания такой системы являются методы теории вероятности и математической статистики [8].
Статистический подход к оценке ЭМС рассмотрен, например, в работах [9−12]. Он основан на задании статистических распределений параметров РЭС (координаты, частоты, мощности излучений и др.), расчете статистических характеристик ЭМО и статистической оценке воздействия.
ЭМО на РЭС. Основным недостатком данных работ является существенное упрощение моделей распределения случайных параметров РЭС с целью получения их статистических характеристик аналитическими методами, что на практике приводит к некорректным статистическим выводам.
Проведение статистической оценки ЭМС с учетом множества случайных параметров радиосетей практически невозможно без использования специальных статистических методов, одним, из которых является метод Монте-Карло [13,14], позволяющий определить значение вероятности случайной величины у = /(x](t), x2(t), x3(t),.), в случаях когда, получение аналитического выражения для интегральной функции распределения F (y) является затруднительным, а интегральные функции распределения случайных величин, F (x,), F (x2),. аналитически заданы.
Активное использование данного метода для решения самых разнообразных прикладных задач стало возможным благодаря развитию вычислительной техники, позволяющим резко повысить скорость расчетов.
Особенности применения данного метода к оценке ЭМС ССС содержатся преимущественно в документах [15−18].
Практическая реализация алгоритмов статистической оценки ЭМС ССС, методом Монте-Карло представлена в рекомендованных международным союзом электросвязи (МСЭ) [8−14] пакетах программ SEAMCAT-2 и SEAMCAT-3 (Spectmm Engineering Advanced Monte-Carlo Analysis Tool) [15,16] разработанным ERC (European radiocommunications committee). В SEAMCAT-2 [15,16] моделирование основано на генерации и обработке серий реализаций функционирования сети, каждая из которых представляет собой выборку случайных значений ряда статистических параметров сети на основе их заданных распределений. Вычисляются значения мощности сигнала и помех на входах РПМ. Расчетные значения отношения энергии сигнала на бит к шуму у проверяются на выполнение заданных требований по ЭМС. Результатом обработки группы реализаций является вероятность выполнения условий ЭМС. Структура SEAMCAT-2 состоит из трех основных вычислительных блоков: блока генерирования событий EGE (Event Generation Engine), блока вычисления распределения DEE (Distribution Evaluation Engine) и блока вычисления качества функционирования сети ICE (Interference Calculation Engine) (Рис. 2.).
С помощью блока EGE, генерируется значения всех случайных параметров сигналов и помех на основании их заданных распределений и вычисления значений мощностей сигнала и помех на входе ПРМ.
С помощью блока DEE определяется достаточность числа выборок, обеспечивающее необходимую точность и статистическую устойчивости результатов вычислений.
С помощью блока ICE вычисляется выборочные значения у и затем вероятность возникновения помехи путем сравнения выборочных значений у с граничными значениями.
Рис. 2. Структура системы SEAMCAT-2.
Пакет программ SEAMCAT-2 не позволяет проводить оценку ЭМС при использовании исследуемой системой метода управления мощностью РПД с целью минимизации внутрисистемного взаимного влияния РЭС, например, ССС на основе технологии CDMA. Сети мобильной радиосвязи на основе технологии CDMA используют общую полосу частот для организации каналов трафика. Частотное разделение используется только для обеспечения дуплекса. Поэтому помехи приему сигналов базовой станции создаются сигналами других базовых станции, а помехи приему сигналов от данной.
13 мобильной станции создаются другими МС, находящимися как в данной, так и в соседних сотах. В сетях CDMA как в прямом, так и в обратном каналах осуществляется управления мощностью с целью достижения оптимального значения энергии сигнала на бит к шуму у0 в каналах трафика.
Основная проблема, возникающая при построении математической модели для сети CDMA, заключается в определении мощностей излучения в прямом и обратном каналах трафика. В реальной сети CDMA уровень излучаемой мощности МС Рмс является функцией отношения энергии сигнала на бит к шуму уис на входе приемника БС: Рмс = /(/БС), а уровень парциальной мощности, излучаемой БС РБС, является функцией отношения энергии сигнала на бит к шуму умс на входе приемника МС: РБС = /(/мс).
Значение у в заданной точке пространства зависит от ряда параметров в том числе и от излучаемой мощности передатчиков Р, т. е. у = (р (Р,.). Таким образом, получатся соотношение:
Р = f (у) = А<�р (?,¦¦¦¦)). (2).
Решение (2) усложняет его нелинейный характер, а так же по причине, того что расчет значения у в любой точке пространства на входе РПМ требует знание о мощности Р, излучаемой всеми РПД сети, однако эта мощность не может быть вычислена, если неизвестны значения у, которые опять таки зависят от мощности Р. Получается «замкнутый круг», что исключает простое решение.
Возможность проводить оценку ЭМС для ССС на основе технологии CDMA с рядом ограничений реализована в SEAMCAT-3 [19,20]. На Рис. 3. показана структура SEAMCAT-3.
Рис. 3. Структура оценки ЭМС в SEAMCAT-3.
Вычислительный блок CDMA реализует модель ССС, учитывающую кластер до 19 соседних сот (57 сот в случае трехсекторной организации сети) (Рис. 4.), основанную на случайном равномерном распределении МС и упрощенной модели механизма управления мощностью.
Рис. 4. Пример представления системы CDMA в SEAMCAT-3.
Реализованные в этих пакетах программ SEAMCAT методы и модели обладают следующими основными недостатками:
1. Пространственное распределение базовых станций сетей сотовой связи моделируются в виде жесткой структуры с фиксированными расстояниями между базовыми станциями, т. е. не учитываются реальные географические координаты базовых станций. Поэтому результаты моделирования не могут соответствовать реальности.
2. Используемые методы расчета уровня принимаемого сигнала не учитывают влияния рельефа местности, реальной застройки и других.
15 препятствий, что ухудшает точность прогнозирования значения уровня сигнала.
3. При моделировании механизма управления мощностью для разрыва «замкнутого круга» (2) [21] используются эмпирические зависимости парциальной мощности передатчиков базовых станций от отношения энергии сигнала на бит к шуму у. Однако данные зависимости характеризуются узким диапазоном у, что накладывает ограничения на их применимость.
4. Недостаточно полно рассмотрены вопросы влияния соседних сот (соседние соты учитываются только при моделировании механизма управления мощностью).
5. При моделировании сети СОМА учитывается либо только прямой канал (канал предачи информации от БС к МС), либо только обратный канал (канал предачи информации от МС к БС), что существенно упрощает модель сети с одной стороны, а с другой делает данную модель неадекватной реальной сети.
6. Отсутствует критерий определения необходимого числа случайных снимков, обеспечивающего статистическую устойчивость результатов оценки.
Таким образом, в настоящее время актуальной задачей является развитие методик и алгоритмов статистической оценки электромагнитной совместимости сетей сотовой связи, учитывающих эффекты медленных и быстрых замираний в каналах радиосвязи, процессы двухстороннего управления мощностью, статистические компоненты моделей радиоэлектронных средств, что в совокупности обеспечит адекватность моделей реальности и повысит достоверность оценки электромагнитной совместимости.
Следует отметить, что для решения задачи оценки ЭМС пространственно распределенной системы РЭС необходима геоинформация: географические координаты РЭС, профили трасс распространения.
16 радиоволн, направления диаграмм направленности (ДН), высоты подвеса антенн и других пространственных данных. Необходимо также интеграция методов оценки ЭМС ССС в специализированную геоинформационную систему [22] для наглядного представления результатов моделирования.
Всвязи с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная решению задачи статистической оценки ЭМС ССС методом Монте-Карло, является актуальной.
Цели и задачи диссертации.
Основная цель работы состоит в разработке методики и алгоритмов оценки внутрисистемной электромагнитной совместимости сетей сотовой связи на основе метода Монте-Карло.
Для достижения данной цели было необходимо:
1. провести анализ существующих подходов к оценке электромагнитной совместимости сетей сотовой связи;
2. разработать статистическую модель электромагнитной обстановки, основанную на задании распределений случайных параметров базовых и мобильных станций, и учитывающую эффекты медленных и быстрых замираний в канале радиосвязи;
3. выполнить сравнительный анализ существующих моделей процесса управления мощностью мобильных и базовых станций;
4. разработать методики и алгоритмы статистической оценки внутрисистемной электромагнитной совместимости на основе метода Монте-Карло и проверить их адекватность.
Методы исследований.
Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы методы теории вероятностей, математической статистики, статистической радиофизики, математического моделирования, методы теории радиотехнических систем и теории распространения радиоволн.
Научная новизна:
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.
1. Разработана статистическая модель электромагнитной обстановки сети сотовой связи, основанная на имитации случайных параметров сети и каналов радиосвязи.
2. Предложены методика и алгоритмы статистической оценки внутрисистемной электромагнитной совместимости сети сотовой связи, основанные на генерации и обработке множества случайных снимков системы.
3. Предложен критерий достаточности количества снимков.
4. Разработана модель процесса управления мощностью с адаптивным шагом приращения мощности и критерий достижения состояния равновесия сети.
5. Предложена методика сравнения расчетных и измеренных значений параметров электромагнитной совместимости сети CDMA.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований.
1. Предложенные методика и алгоритмы оценки внутрисистемной ЭМС сетей сотовой связи учитывают более полное описание электромагнитной обстановки по сравнению с известными методиками и алгоритмами оценками ЭМС.
2. Реализация полученных результатов в составе специализированной геоинформационной системы частотно-территориального планирования, позволяет проводить оценку электромагнитной совместимости различных сетей сотовой связи в реальных условиях функционирования.
3. Практические результаты диссертации, использовались для оптимизации сети IMT-MC 450, развернутой в г. Ярославле, а также используется в учебном процессе очного, заочного отделений и в рамках спецкурсов для старших курсов по кафедре радиофизики, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
4. Результаты исследований пригодны для практического использования операторами и проектировщиками сетей сотовой связи при планировании и оптимизации сети.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
Результаты работы использовались для оптимизации сети 1МТ-МС 450, развернутой в г. Ярославле, а также в учебном процессе по кафедре радиофизики.
Таким образом, поставленная цель диссертационной работы достигнута.
Практическая значимость работы:
1. Предложенные методика и алгоритмы оценки внутрисистемной ЭМС систем сотовой связи учитывают более полное описание электромагнитной обстановки по сравнению с известными оценками ЭМС.
2. Реализация полученных результатов в составе специализированной геоинформационной системы частотно территориального планирования (ГИС ЧТП) [88], позволяет проводить оценку электромагнитной совместимости различных сетей сотовой связи в реальных условиях функционирования.
3. Практические результаты диссертации использовались для оптимизации сети 1МТ-МС 450, развернутой в г. Ярославле, а также используются в учебном процессе очного, заочного отделений и в рамках спецкурсов для старших курсов по кафедре радиофизики, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
4. Результаты исследований пригодны для практического использования операторами и проектировщиками сетей сотовой связи при планировании и оптимизации сети.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе проведены исследования, направленные на повышение достоверности статистической оценки электромагнитной совместимости сетей сотовой связи. Результатом исследований, проведенных в диссертационной работе, являются методики и алгоритмы оценки электромагнитной совместимости сетей сотовой связи на основе метода Монте-Карло. Получены следующие результаты:
1. Разработана статистическая модель электромагнитной обстановки ССС, основанная на имитации случайных параметров сети и каналов радиосвязи, обеспечивающая более полное описание электромагнитной обстановки.
2. Предложена методика получения статистики потерь в городском радиоканале с одновременным учетом медленных и быстрых замираний.
3. Предложены методика и алгоритмы статистической оценки электромагнитной совместимости ССС, основанные на генерации и обработке множества «случайных снимков» сети.
4. Предложен критерий достаточности количества снимков, обеспечивающий статистическую устойчивость результатов оценки.
5. Разработана модель процесса управления мощностью с адаптивным шагом приращения мощности и предложен критерий достижения состояния равновесия. Показано, что модель процесса управления мощностью с адаптивным шагом имеет лучшие временные характеристики достижения состояния равновесия по сравнению с существующими моделями.
6. Предложена методика сравнения расчетных и экспериментальных значений параметров сети CDMA, включающая оригинальную методику получения пространственного распределения МС.
7. Разработанные методики и алгоритмы оценки ЭМС реализованы в специализированной ГИС. Проведено сравнение результатов расчета и экспериментальных значений параметров электромагнитной совместимости, подтверждающее адекватность предложенных методик и статистико-динамической модели.