Пути повышения емкости систем сотовой связи

1. Повышение емкости сотовой связи с помощью совершенствования методов обработки сигналов, то есть переход от аналоговой обработки к цифровой и от частотного к временному разделению каналов, а в дальнейшем и к кодовому разделению каналов.

2. Дробление ячеек, то есть переход к меньшим ячейкам в районах с интенсивным трафиком. При этом число базовых станций увеличивается, а мощность излучения, как для базовых, так и для подвижных станций уменьшается. Такой же эффект дает использование направленных антенн, то есть разделение ячеек на сектора. Практически, ячейки с радиусом менее 300 метров неэффективны, так как чрезмерно вырастает поток передачи обслуживания. Один из выходов – использование многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой связи с обслуживанием в крупных ячейках быстро перемещающихся абонентов, а в мелких ячейках – медленно перемещающихся абонентов. В некоторых случаях необходимо, напротив, укрупнять ячейки, если трафик настолько мал, что не обеспечивает необходимой загрузки базовой станции. Если при этом радиус ячейки превышает номинальную дальность действия передатчика, то в удаленных местах ячейки ставятся повторители.

3. Адаптивное назначение каналов – заключается в том, что весь диапазон частотных каналов не фиксировано делится между отдельными ячейками, а находится в оперативном распоряжении центра коммутации, который выделяет их для использования отдельным ячейкам по мере поступления заявок, то есть в соответствии с реальной интенсивностью трафика.

4. Расширение выделяемой полосы частот (самый не эффективный способ)

Борьба с влиянием многолучевого распространения

Многолучевое распространение приводит к колебаниям принимаемого сигнал, которые почти всегда имеют 2 составляющие: быструю и медленную. Быстрые замирания – являются прямым следствием многолучевого распространения. Их величина может достигать 40 децибел, и сильно зависит от скорости перемещения абонента. Если абонент на месте, то никаких колебаний нет. Если абонент двигается, то колебания очень быстрые, но глубокие, что может привести к замираниям. Медленные замирания – представляют собой изменения уровня сигнала на величину не более 10 децибел и обусловлены перемещением абонента и изменением условий затенения. Для борьбы с замиранием в сотовой связи используются 3 основных метода:

1. Разнесенный прием – разнесение в пространстве и разнесение по частоте. В сотовой частоте в основном разносят в пространстве. Разнесение по частоте нашло свою реализацию во 2 пункте

2. Работа с расширением спектра (скачки по частоте) – канал передачи информации периодически меняет частоту канала.

3. Эквалайзинг – базовая и подвижные станции пытаются исправить искажения отдельных символов. Подстройка по частоте.

Сотовая связь как система массового обслуживания

Очевидно, что имея n физических каналов на 1 ячейку, можно безусловно обеспечить связью n абонентов. Но этого мало. Даже при 7-ячеечном кластере число физических каналов не может превышать 200, а на практике их меньше – 70-20 на 1 ячейку. В связи с этим ограничивать число обслуживаемых абонентов числом каналов нерационально. Следовательно при n физических каналов можно обслуживать больше, чем n абонентов, хотя при этом некоторые абоненты могут получать отказ в обслуживании. Таким образом возникает задача определения количества абонентов, которых можно обслужить при n физических каналов с известной вероятностью отказа.

Система сотовой связи, как и любая телефонная система, представляет собой систему массового обслуживания. Системы телефонной связи и послужили началом этой теории.

Наиболее общей характеристикой случайного потока вызовов является интенсивность поступления заявок – средняя частота поступления вызовов (ʎ[вызовов/час]). Вводится так же средняя продолжительность обслуживания 1 заявки (Т [час]). Произведение этих величин (А = Т* ʎ[Эрлонг]) дает средний трафик. Эрлонг – датский ученый, автор «Теории вероятности и массового обслуживания». Эти характеристики обычно оценивают для часа максимальной нагрузки. Частота поступления вызовов является случайной величиной. Обычно для телефонных сетей эта случайная величина описывается законом Пуассона. Этот закон показывает вероятность поступления К вызовов за некоторый интервал времени t при заданной ʎ. Pk = ((ʎ*t)^K/K!)*e^(- ʎ*t); Мат ожидание равно дисперсии M=D= ʎ*t. Это дискретная СВ. Средняя продолжительность 1 вызова есть непрерывная СВ, которая описывается экспоненциальным законом: W(ŧ) = (- 1/T)* e^(-ŧ/T);

M = T; D = T^2

Существует несколько моделей систем сотовой связи. Во всех моделях распределение отвечает закону Пуассона, а продолжительность вызова – экспоненциальному распределению. Отличие моделей в том, какая участь постигает вызовы, поступившие в момент, когда все каналы заняты. Эти вызовы могут сразу отклоняться, могут становиться в очередь и ожидать вызова, либо заданное количество времени, либо сколько угодно.

Модель с отказами так же называется модель В, когда все входящие вызовы, в случае занятости канала сразу же отклоняются. Вероятность отказа рассчитывается так: Pв = (A^(N)/N!) / (Сумма от 0 до N (A^(n)/n!))

Модель С, или модель с ожиданием, без ограничений времени описывается следующим образом – вероятность того, что вызов становится в очередь: Рс = Рос * ((A^(N)*N)/(N!(N-A))); Poc – вероятность того, что все каналы свободны = 1/((сумма от 0 до N-1 (A^(n)/n!))+((A^(N)*N)/N!*(N-1)))

Модель А – с ограниченным временем ожидания и ограниченным временем обслуживания. Время ожидания не превышает среднее время обслуживания. Если какой-то сигнал освобождается, вызов занимает его на оставшуюся часть времени. В такой системе вероятность отказы определяется так: Pa = сумма от N до бесконечности ((A/n!)*e^A)

При оценке емкости систем сотовой связи используется модель В. В связи с этим рассмотрим несколько характеристик этой модели. Вероятность того, что все каналы свободны:

Pов = 1/ (сумма от 0 до N (A^(n)/n!))

Вероятность тго, что заняты К каналов определяется так:

Pkв = Poв *A^(K)/K!

Среднее число занятых каналов:

K = Poв * (сумма от 1 до N (A^(n)/ (n-1)!))

Применение формулы Pв для определения емкости системы затруднительно, поэтому используются таблицы. Следует отметить, что использование системы с числом каналов меньше 30 нерационально.

Итоги применения этих формул: в нее входит 3 параметра – N, A и P. Если известны 2, всегда можно определить 3.

Пример: предположим, что есть система сотовой связи на 70 ячеек, в каждой из которой используются N = 30 каналов. Мы хотим обеспечить вероятность отказа не более, чем Pв = 0,01.

По таблице находим, что A = 20,3 Эрлонга. Предположим, что в час максимальной нагрузки каждый абонент делает 1 вызов средней продолжительностью 2 минуты. (Т = 1/30 часа). Тогда количество абонентов, которых мы можем обслужить в 1 ячейке за час = 20,3 / (1/30) = 609 абонентов. По всей системе = 70*609 = 42630 абонентов.

Среднее число заняты каналов: K = 20,1; Вероятность того, что все каналы свободны: Poв = 1,55 * 10^(-9) ; P10 = 0,055; Р20 = 0,09.