Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

581

вания сети [5], случайный процесс соответствующего вида, для отображения стохастических аспектов их функционирования[6, 7], сеть массового обслуживания для анализа задержек[8, 9]. Основным преимуществом метода аналитического моделирования является его эффективность. Аналитическая модель описывает функционирование исследуемой телекоммуникационной системы с помощью соответствующих аналитических выражений или систем и линейных, нелинейных, дифференциальных, а также интегральных уравнений. Значения этих выражений, а также решения соответствующих систем уравнений участвуют в оценках параметров функционирования исследуемой телекоммуникационной системы. Основным недостатком аналитического моделирования является его недостаточная адекватность отображения процессов функционирования моделируемой системы. Не всегда удается подобрать класс математических моделей, в котором можно было бы отобразить все существенные стороны функционирования моделируемой телекоммуникационной системы. Кроме того, достаточно часто построенные аналитические модели не имеют эффективных методов их решения. Очень часто из-за большой вычислительной сложности они являются неустойчивыми.

Под имитационным моделированием [10] понимается компьютер-

ное воспроизведение некоторой траектории развития исследуемой системы или некоторого семейства таких траекторий, которые в общем случае являются случайными. При проведении экспериментов с имитационными моделями осуществляется измерение параметров воспроизводимых траекторий исследуемой телекоммуникационной системы. По результатам этих измерений строятся статистические оценки различных параметров этих траекторий, которые в свою очередь используются для построения оценок параметров функционирования моделируемой телекоммуникационной системы. Несмотря на кажущуюся простоту и прозрачность метод имитационного моделиро-

вания может оказаться очень затруднительным для применения в анализе реальных телекоммуникационных систем, особенно большой размерности. Это обусловлено большой трудоемкостью разработки детальной имитационной модели, которая для некоторых случаев будет сравнима с трудоемкостью разработки самой системы. Кроме того, имитационные модели больших и сложных систем требуют большого объема вычислительных ресурсов, которые современные вычислительные системы еще предоставить не могут. Кроме того, аппетиты проектировщиков телекоммуникационных систем растут значительно быстрее, чем производительность средств вычислительной техники. Для преодоления этих трудностей велась и ведется разработка большого числа языков моделирования как специализированных, так и общего назначения, которые позволяют относительно быстро и наглядно описывать алгоритмы функционирования модели-

руемых телекоммуникационных систем, а также эффективно воспроизводить их траектории функционирования. Кроме того, разрабатываются эффективные методы статистического анализа случайных процессов, которые обеспечивают значительное уменьшение длины воспроизводимой траектории, которая необходима для построения соответствующих оценок с заданной точностью.

Метод гибридного моделирования [11] объединяет преимущест-

ва методов аналитического и имитационного моделирования, а также нивелирует их недостатки. Основу метода гибридного моделирования составляет декомпозиция общей модели исследуемой теле-

коммуникационной системы на ряд частных аналитических и/или имитационных подмоделей. Необходимо заметить, что декомпозиции могут подлежать как аналитические, так и имитационные модели. Выделяются два основных вида декомпозиции моделей– структурная и функциональная. При структурной декомпозиции каждая

частная подмодель отображает функционирование некоторого структурного компонента моделируемой телекоммуникационной системы или ее фрагмента. Например, таким компонентом может быть отдельная мобильная или базовая станции, а также некоторая сота мобильной сети связи в целом. При функциональной декомпозиции каждая частная модель отображает некоторую функцию, реализуемую моделируемой телекоммуникационной системой. Например, такими функциями могут быть либо передача речи, либо передача коротких сообщений в мобильной сети связи. После построения частных подмоделей осуществляется их анализ и строятся -не обходимые частные оценки параметров. Эти оценки частных параметров затем интегрируются в оценки параметров моделируемой телекоммуникационной системы. Необходимо отметить, что метод гибридного моделирования еще не развился до уровня технологии.

В общем случае, имеются большие проблемы в определении возможных границ декомпозиции моделируемой системы на частные подмодели, при интегрировании частных подмоделей, составляющих гибридную модель, а также в оценке точности декомпозиции. Но, несмотря на все эти трудности, метод гибридного моделирования находит свое применение, так как он является практически единственным методом решения ряда задач, а также позволяет значительно сократить необходимые вычислительные ресурсы.

20.1. Планирование систем радиосвязи

Бурное развитие систем радиосвязи требует особенно тщательного подхода к планированию радиосистем. Практически повсеместно можно встретить ситуацию, когда несколько операторов связи в одном регионе работают на близких или даже совпадающих частотах.

Обеспечить качественную радиосвязь можно лишь при условии оптимального использования частотных и энергетических ресурсов - ра диосистем [12–14]. Это означает, что при выборе мест расположения приемопередающих станций и их параметров необходимо учитывать все особенности рельефа местности. Кроме того, для каждой новой радиостанции антенна, ее ориентация и излучаемая передатчиком мощность должны выбираться так, чтобы в обстановке помех от расположенных по соседству чужих передатчиков обеспечить требуемое качество связи своим абонентам и минимизировать помехи другим радиосистемам, работающим в том же регионе. Решение этих сложных задач невозможно без использования компьютерных инструментов планирования радиосетей. Этот факт учитывается Госсвязьнадзором, требующим проводить все расчеты по планированию радиосети с помощью цифровой карты местности.

В настоящее время имеется несколько пакетов программ для решения задач планирования радиосетей– PLANET, ASTRIX, RADIUS, RPS-2 и др. Они используют цифровую карту местности как основу для проведения необходимых расчетов, содержат пополняемую базу данных с характеристиками антенн, передатчиков и приемников, отображают на экране схему размещения радиосети с возможностью редактирования ее элементов, позволяют проводить необходимые расчеты (уровень принимаемого сигнала, профиль радиотрассы и т.д.) с возможностью сохранения и печати результатов. В приведенном списке программ зарубежные представители(PLANET, ASTRIX) отличаются высокой ценой и необходимостью иметь дорогостоящую рабочую станцию. Рассмотрим основные характеристики программ RADIUS и RPS-2, разработанных в России.

Назначение и возможности программного комплексаRADIUS.

и требуемые параметры базовых станций (БС);

-рассчитать для любого участка распределение уровня радиосигнала для одной или нескольких БС;

-оценить форму и размеры ячеек;

-оценить трафик, число каналов и вероятность блокировки при различных гипотезах о демографической ситуации;

-провести автоматическое планирование частот;

-оценить зоны обслуживания по критериямC/I (отношению сигнал/помеха), чувствительности, интенсивности трафика;

-подготовить итоговую документацию о проекте в текстовой и графической формах.

Следует отметить, что разрабатываемый проект может быть как совершенно новым, так и являться развитием уже действующей в данном регионе сети радиосвязи (т.е. включать в себя без изменения уже существующие БС). Работа пользователя в ПКRADIUS поддержена интерфейсом в стиле Windows с развитой системой меню и подсказок с использованием мыши и/или клавиатуры.

Исходными данными для проектирования сотовой связи являются общие данные сети: стандарт; число и частоты разрешенных радиоканалов; требуемая емкость; план сети с указанием возможных пунктов размещения БС.

В качестве технических параметров для проектированияис пользуются характеристики стандартов, приемопередающего оборудования и антенн, условия распространения радиосигнала, необходимая мощность полезного сигнала, нагрузка на одного абонента, распределение абонентов по региону, допустимое блокирование связи и др.

Программный комплекс RADIUS предлагает пользователю набор классических моделей распространения, рекомендованных МСЭ-Р

(ITU-R), в том числе:

-КОСТ 231 Уолфиша – Икегами (COST 231 Walfish – Ikegami) для городской, сельской и пригородной местности и открытого пространства, учитывающая как высоту зданий, так и расстояние между ними, а также ширину и направление улиц;

-КОСТ 231 Хата (COST 231 Hata) для города средней степени застройки, пригорода с умеренной плотностью деревьев и делового центра города с плотной застройкой;

-Окамура – Хата (Okumura – Hata) для городской местности пригородного типа и незастроенной местности;

-Келли – Ли (Kelly – Lee), которая настраивается по измерениям пользователя.

ПК RADIUS предоставляет возможности составления частотного плана в интерактивном и автоматическом режимах.

Интерактивное планирование осуществляется программным -мо дулем, обеспечивающим назначение частот, как отдельным каналам, объединенным в частотную группу. ПК RADIUS позволяет легко назначить частоты каналам или группам. При этом число каналов, необходимое для обеспечения уровня блокировки, рассчитывается при моделировании трафика. Качество частотного плана проверяется модулем расчета отношения сигнал – помеха (C/I), которое может быть установлено пользователем. Участки местности, на которых нарушаются требования C/I, анализируются дополнительно.

Вавтоматическом режиме происходит назначение в соответствии

спараметрами, выбранными пользователем. Частотный план может составляться как для всех ячеек сразу, так и для произвольной груп-

пы ячеек, выбранной пользователем. Качество частотного плана проверяется так же, как и в интерактивном режиме.

Исходная информация для моделирования трафика включает описание демографических данных и их распределение в пределах анализируемого региона.

Программный модуль моделирования трафика обеспечивает следующие возможности:

-расчеты на основе трех моделей: В-таблицы, С-таблицы, Пуассона;

-расчет и отображение распределения плотности нагрузки по региону;

-расчет трафика, блокировки связи и числа голосовых каналов для каждой ячейки;

-автоматическое назначение необходимого оборудования всем БС;

-проверка соответствия проекта требованиям надежности обслуживания и выделения тех ячеек, где эти требования нарушены;

-подготовка отчетной документации для каждой ячейки, перечисляющей необходимое оборудование;

-интерактивное изменение пользователем параметров, определяющих моделирование трафика;

-масштабирование трафика.

Впрограммном комплексе RADIUS используются: географическая карта в цифровом виде, карта типов местности и застройки, карта рек

иводоемов, карта автомагистралей, карта рельефа местности и др. Любая карта может отображаться на экране.

Исходной картографической информацией является географическое описание региона в формате MAPINFO или в каком-либо другом международном стандарте. ПК RADIUS содержит программы, создающие на основе этого описания карты, требуемые для его работы.

Врежиме постоянного сопровождения курсора на экран выводится высота местности над уровнем моря(метры), а также положение курсора в любой из трех легко переключаемых систем координат: в географических (градусы, минуты, секунды), местных (километры) или графических координатах.

Для программного комплексаRADIUS создан банк данных, содержащий основные электрические характеристики антенн и -диа граммы направленности в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Базовый комплект банка данных содержит описание нескольких десятков антенн, широко применяемых в настоящее время. Для удобства пользователя они сгруппированы по частотам. Оператор может быстро и легко пополнять банк данных новыми антеннами,

щаться к банку данных, переназначая различные антенны для любой базовой станции.

Отличия и преимущества. В отличие от существующих отечественных и зарубежных программ, таких как «Балтика», PLANET, EET, ASTRIX и др., ПК RADIUS имеет ряд преимуществ, которые в основном связаны с планированием частот и заключаются в следующем.

Реализованный в программном комплексеRADIUS алгоритм планирования частот основан на оригинальном прямом неитерационном методе, позволяющем:

-оптимизировать C/I при заданном числе каналов;

-минимизировать число каналов при заданной величине C/I;

-в особо сложных случаях предусмотрена возможность минимизации области, в которой соотношение C/I не удовлетворяет требованиям.

Кроме того, в программном комплексе RADIUS реализовано разбиение Делоне, позволяющее изменять размеры ячеек в зависимости от мощности БС, трафика или географических особенностей местности.

Планирование радиосетей с помощью программыRPS-2. Про-

грамма RPS-2 предназначена для планирования радиорелейных, транкинговых и сотовых радиосистем и радиодоступа.

Исходными данными для планирования радиосети являются:

-цифровая карта местности, на которой размещается планируемая радиосеть;

-тип сети (радиорелейная сеть, транкинговая сеть, система радиодоступа, сотовая сеть);

-радиостандарт, в соответствии с которым сеть функционирует;

-технические характеристики используемого оборудования(антенн, приемопередатчиков).

Программа позволяет:

-размещать радиостанции в заданном месте рассматриваемой территории;

-редактировать карту путем добавления пользователем отдельных препятствий из имеющегося списка;

-анализировать системы, работающие в любом из известных стандартов ( NMT-450, AMPS, D-AMPS, GSM-900, GSM-1800, IS95, SmarTrunk, MPT 1327, EDACS, СТ2, DECT и т.д.), выбрав его из предлагаемого списка;

-определять для радиостанций состав оборудования из базы

данных, которая может пополняться и редактироваться пользователем;

- задавать и редактировать распределение плотности трафика в рассматриваемом регионе (для систем радиодоступа, сотовых и транкинговых систем), что позволяет анализировать характеристики системы в условиях различной ее загрузки;

-рассчитывать, отображать на экране и выдавать на печать -ос новные характеристики анализируемой сети;

-оптимизировать параметры планируемой сети путем изменения местоположения радиостанций, а также варьируя состав и технические характеристики размещаемого на них оборудования;

-анализировать показатели электромагнитной совместимости планируемой сети; для решения этой задачи программа рассчитывает помехи от всех расположенных в рассматриваемом -ре гионе передатчиков, а в случае, если несколько передатчиков находится в одном месте, выдает предупреждение о возможных интермодуляционных помехах третьего или пятого порядка;

-отображать результаты измерений уровня принимаемого сигна-

ла и сравнивать их с результатами расчета.

Программа RPS-2 работает на базе растровых карт местности. Минимальный набор карт включает в себя карту высот местности, карту типов местности и векторные объекты(дороги, реки, наименования населенных пунктов и т.д.).

В программе RPS-2 имеются необходимые для выполнения расчетов базы данных, включающие:

- электрические параметры (диэлектрическая проницаемость

и проводимость) всех типов поверхности;

-параметры атмосферы, влияющие на распространение радиоволн в зависимости от климатической зоны, в которой расположена анализируемая радиосеть;

-пополняемая пользователем база данных с техническими характеристиками антенн и приемопередатчиков.

Для любой радиостанции планируемой или анализируемой радиосети с помощью программы RPS-2 можно:

-определить область прямой видимости;

-предсказать уровень сигнала (покрытие) в заданной окрестности с учетом диаграммы направленности излучающей антенны;

-указать требуемую мощность излучения абонента, достаточную для надежного приема его сигнала;

-рассчитать помехи от близлежащих и далеко расположенных радиостанций.

Для любой пары радиостанций, объединенных в радиолинию, программа RPS-2 позволяет:

-анализировать профиль между точками расположения радиостанций;

- рассчитывать потери распространения между передающей и приемной антеннами, сигнал на входе приемной антенны, вероятности безотказной работы радиолинии.

Указанные расчеты базируются на рекомендациях МСЭ-Р(ITU-R) или описанных в литературе известных и проверенных моделях.

С целью сокращения времени расчета при оптимизации сети или для сравнения помимо строгих методов возможно использование из-

20.2. Оценивание вероятностно-временных характеристик систем радиосвязи 589

изводительность системы при предоставлении сервисов различных типов, задержки передачи различных видов информации между различными компонентами телекоммуникационной системы, коэффициенты использования различных компонентов этих систем, размеры буферов, необходимых для промежуточного хранения передаваемой - ин формации, и др. Эти характеристики, как правило, являются производными от соответствующих случайных процессов, которые имеют место при функционировании систем абонентского беспроводного доступа.

Для оценивания вероятностно-временных характеристик используются как аналитические модели, так и имитационные. В качестве аналитических моделей распространены Марковские процессы различных типов, модели теории очередей, а также сети систем массового обслуживания различных типов. Как уже было отмечено выше, универсальных методов построения моделей телекоммуникационных систем различного назначения не существует. В каждом случае необходимо учитывать индивидуальные особенности функционирования моделируемых систем. Технологию построения моделей таких систем рассмотрим на примере моделирования системы беспроводного абонентского доступа стандарта DECT.

Моделирование передачи данных в режиме обмена короткими сообщениями в системе беспроводного абонентского доступа стандарта DECT

Основные понятия теории сетей массового обслуживания.

Одним из мощных инструментов математического моделирования телекоммуникационных и информационных систем являются сети систем массового обслуживания. Модели, основанные на сетях массового обслуживания, позволяют учесть большинство комбинаций задержек, которые претерпевают процессы передачи и обработки разнотипных информационных потоков. Эти модели позволяют оценить широкий спектр вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных систем, таких как коэффициенты использования различного оборудования, разнообразные задержки, которые возникают при передаче информации, размеры буферной памяти компонентов моделируемой системы, вероятности потери элементов информационных потоков.

Модель передачи данных в системе беспроводного абонентского доступа стандарта DECT разработана в виде однородной замкнутой сети массового обслуживания. Такая сеть определяется следующим кортежем (набором параметров сети массового обслуживания):

где L – число систем массового обслуживания в составе сети; N – число требований (заявок), которые постоянно циркулируют по сис-

Существующие методы анализа и расчета сетей массового обслуживания обеспечивают вычисление широкого ряда характеристик их стационарного режима функционирования. Для однородных и замкнутых сетей обслуживания таковыми являются следующие:

r

- P {n} – распределение вероятностей пребывания сети обслужи- r

вания в ее состоянии n Î W( N,L ) ;

-P {ni = s }, s = 0,N, i = 1,L – распределение вероятностей числа требований, которые пребывают в системе с номером i;

i =1

служивания (допустимое распределение N требований по L системам), а множество W( N,L ) всех возможных векторов данного типа определяет пространство состоя-