реф. Исследование методов повышения пропускной способности в сетях UMTS

повышения пропускной способности за счет некоторого снижения качества речи. Кроме того, если подвижный объект вышел из зоны обслуживания сети и использует максимальную мощность передачи, то может использоваться меньшая скорость передачи AMR для расширения зоны охвата сети. При использовании речевого кодека AMR возможно достижение компромисса между пропускной способностью, зоной охвата и качеством речи в соответствии с требованиями оператора.

Рис. 2.2. Режим кодека AMR при управлении во время разговора

2.2. Распределение ресурсов радиоканала

Как было сказано в главе 1, к параметрическим методам повышения

пропускной способности относят распределение ресурсов радиосети и

перераспределение трафика. Оба метода предполагают изменение настроек параметров хэндовера.

Хэндовер – это сложный процесс взаимодействия множества элементов мобильной сети. Он является одним из основных инструментов управления нагрузкой и благодаря обилию параметров позволяет гибко оптимизировать работу сети оператора. С точки зрения повышения

Процесс хэндовера может быть разделен на несколько этапов.

1. Измерение, МС и БС проводят измерения величины Eb / N0 и

коэффициента ошибок в восходящем и нисходящем каналах и передают эти данные контроллеру радиосети (RNC). Для некоторых типов хэндовера необходимы дополнительные измерения. Так, для асинхронных сетей, таких как UMTS, нужно измерять разницу во времени прихода сигналов от разных БС для когерентного сложения их в RAKE-приемнике во время мягкого хэндовера.

2. Обработка, RNC предварительно обрабатывает результаты измерений,

укрупняет, усредняет и взвешивает их.

3.Принятие решения, RNC сравнивает обработанные результаты измерений со значениями параметров хэндовера и принимает решение о его необходимости. Разные алгоритмы имеют разные пороговые значения параметров хэндовера.

4.Выполнение хэндовера, RNC формирует список сот-кандидатов на хэндовер и выбирает из этого списка лучшую соту, которой и будет передан вызов. После хэндовера происходит обновление изменяемых параметров.

Так, после мягкого хэндовера обновляется активный набор БС и подстраивается мощность всех каналов, участвовавших в процессе хэндовера.

35

Рис. 2.3. Алгоритм мягкого хэндовера

Далее будем использовать следующие определения:

36

•активный набор – набор БС (сот), имеющих соединение с МС во время мягкого хэндовера, максимальное количество БС в этом наборе равно 7, как правило в действующих сетях UMTS, это значение не превышает 3;

•соседний набор – набор БС (сот-соседей), уровень сигналов которых

постоянно измеряется МС, но уровень сигналов Eb / N0 канала CPICH

недостаточен для добавления их в активный набор. Максимальное

количество БС в этом наборе равно 32.

Валгоритме используются следующие измеряемые величины:

•Best_Ss: уровень сигнала лучшей соты из активного набора;

•Worst_Old_Ss: уровень сигнала худшей соты из активного набора;

•Best_Cand_Set: уровень сигнала лучшей соты из набора сот-

кандидатов;

•Meas_Sign: измеренный и усредненный уровень сигнала.

На процедуру хэндовера существенно влияют измерения сигналов – так как проводится их усреднение, возникают дополнительные задержки.

Рассмотрим измерения, проводимые до процедуры хэндовера.

Измерения восходящего и нисходящего каналов между МС и БС, с которой в текущий момент установлено соединение, происходят с частотой замкнутого контура управления мощностью, т.е. 1,5 кГц. Считается, что отношение

Eb / N0 канала CPICH обслуживающей БС медленно изменяется во времени,

и дополнительного усреднения этого параметра не требуется. Далее МС должна один раз в 200 мс отправлять результат измерений величины Eb / N0

каналов CPICH БС, находящихся в соседнем наборе, один раз в 800 мс для БС, только что появившейся в соседнем наборе, и один раз в 30 с для БС, не входящих в соседний набор. Измерения проводятся только при условии, что

Eb / N0 > – 20 дБ для конкретной соты [3]. Усреднение результатов измерений в МС производится на первом и третьем уровнях, но реализация усреднения на первом уровне не специфицирована, поэтому предположим,

37

что она производится методом скользящего окна. На третьем уровне усреднение результатов производится по следующей формуле:

Рис.2.4. Процедура мягкого хэндовера

Здесь:

•AS_Th: порог уровня сигнала Eb / N0 для перехода в состояние мягкого хэндовера, значения от 0 до 14,5 дБ с шагом 0,5;

•AS_Th_Hyst: гистерезис для добавления новой соты в активный ряд,

значение от 0 до 7,5 дБ с шагом 0,5;

•AS_Rep_Hyst: гистерезис для замещения одной соты другой в активном наборе, значение от 0 до 7,5 дБ с шагом 0,5;

•∆t: время, в течение которого должно выполняться условие для совершения события. Применение этого параметра позволяет исключать резкие случайные флуктуации уровня сигнала. Время ∆t может

38

принимать значения 0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240, 320, 640,

1280, 2560, 5000 мс;

•AS_Max_Size: максимальный размер активного ряда, возможные значения от 0 до 7, но в соответствии с [12] в дальнейшем будем рассматривать варианты с двумя или тремя БС. На рис. 2.3. AS_Max_Size = 2.

Проверка критериев мягкого хэндовера производится в самой МС, и

результаты такой проверки посылаются в контроллер радиосети либо с заданной периодичностью, либо по мере срабатывания критерия.

В алгоритме, применяемом в UMTS, используются относительные пороговые значения, что освобождает от подстройки этих параметров под значение интерференции в каждой соте.

Для оценки влияния параметров хэндовера на пропускную способность необходимо раз работать модель мягкого хэндовера .

2.2.2. Модели мягкого хэндовера

2.2.2.1.Модель радиоканала

Вмобильных сетях радиосвязи предсказать изменение характеристик сигнала гораздо труднее, чем в сетях фиксированной радиосвязи. Обычно радиоканал моделируется на основе статистических данных, полученных в процессе измерений. Характеризуя компоненты ослабления сигнала, можно выделить три группы: затухание на трассе; медленные замирания (также называемые рэлеевскими), имеющие логнормальное распределение; быстрые замирания, называемые райсовскими. Распределения последних двух групп зависят от наличия или отсутствия прямой видимости между приемником и передатчиком радиосигналов.

Потери на трассе – это явление уменьшения принимаемой мощности сигнала с увеличением расстояния. Причиной медленных замираний являются предметы (здания, холмы, деревья, их листва и пр.), находящиеся на пути распространения радиосигнала рис. 2.5. Быстрые замирания связаны с многолучевостью – явлением приема множества сигналов от одного источника, пришедших на приемник разными путями и с разными фазами

39

(задержками) вследствие отражения от предметов. В результате наложения нескольких сигналов, прошедших разные пути до приемника, могут появляться провалы уровня принимаемого сигнала. Кратковременные флуктуации сигнала возможно отфильтровать и компенсировать при помощи специальных технологий, например, RAKE-приемником ранее упомянутый метод, разнесением приема, кодированием с перемежением.

Полагая, что с быстрыми замираниями можно успешно бороться в

компонентой. В результате получаем, что ослабление сигнала на трассе пропорционально величине

логнормальное распределение и моделирующая медленные замирания, а ζ –

величина, имеющая нормальное распределение с нулевым средним и дисперсией σ. Дисперсия может иметь значения от 5 до 12 дБ с типичным диапазоном 8-10 дБ для макросот [11].

2.2.2.2. Модель многолучевого распространения

Распространение радиоволн в системах наземной подвижной связи характеризуется наличием большого числа отражений, дифракцией,

затуханием сигнала Причиной всему этому являются естественные препятствия, например здания, а результатом оказывается многолучевое распространение. В результате на приемную антенну практически всегда приходит множество копий сигнала (лучей) с разными уровнями и разными задержками по времени. Принцип многолучевого распространения показан на рис. 2.5. Многолучевой характер распространения сигнала приводит к интерференции и, как следствие, к изменению уровня принимаемого сигнала.

Динамический диапазон флуктуаций сигнала составляет более 40 дБ.

40

Рис. 2.5. Многолучевое распространение сигнала

Энергия сигнала (относящаяся, например к одному чипу сигнала

CDMA) может поступать в приемник в четко различимые моменты времени.

Интервал задержки в городских и пригородных районах обычно составляет от 1 до 2 мкс, хотя в некоторых случаях значении задержки может достигать

20 мкс. Длительность чипа при скорости передачи 3,84 Мчип/с равна τчип =

0,26 мкс [2]. Если разница по времени многолучевых составляющих будет по крайней мере 0,26 мкс, то приемник UMTS сможет разделить эти многолучевые компоненты и обеспечить их сложение. Задержка длительностью 0,26 мкс получается, при разнице в протяженности лучей 78

м (с∙ τчип = 3,0·108∙0,26·10-6). Кроме того, для определенного значения временной задержки обычно имеется множество лучей почти равной длины,

по которым распространяется радиосигнал. Например, лучи с разницей по длине равной половине длины волны (при частоте 2 ГГц это приблизительно

7 см) поступают фактически одновременно по сравнению с лучами,

имеющими разность хода 78 м.

В результате в приемнике, который перемещается даже на меньшие расстояния, имеет место подавление полезного сигнала, называемое быстрыми (релеевскими) замираниями. На рис. 2.6. показан примерный характер быстрых замираний, воспринимаемый по поступающей энергии сигнала при конкретном значении временной задержки при движении приемника. Мощность принимаемого сигнала может резко падать, когда происходит фазовое подавление за счет отражений при многолучевом распространении. Статистика в отношении средней энергии принимаемого

41

сигнала за короткий период обычно хорошо описывается рэлеевским распределением.

Рис. 2.6. Быстрые (релеевские замирания)

Эти перепады энергии, обусловленные замираниями, делают прием передаваемых битов данных без ошибок делом весьма затруднительным,

поэтому в UMTS необходимо принимать соответствующие контрмеры. Такие контрмеры по борьбе с замираниями приведены ниже.

Рассеянная энергия сигналов с задержкой складывается за счет использования множества каналов Rake (корреляционных приемников),

настроенных на те значения задержки, с которыми поступают сигналы со значительной энергией.

Для смягчения проблемы, связанной с замиранием мощности сигнала,

используются быстрое управление мощностью (частотой 1500 Гц) и

разнесенный прием приемником Rake.

2.2.2.3. Анализ интерференции в нисходящем канале

Емкость системы и качество предоставляемых услуг зависят от уровня помех в соте. При моделировании тепловые шумы учитывать не будем, т.е.

рассмотрим только интерференционную составляющую помех.

Пусть мобильная станция (МС) расположена в зоне обслуживания

базовой станции (БС1) (рис. 2.7). Она находится на расстоянии r1 от БС1 и

42

угол 1 отсчитывается от линии, соединяющей БС1 с БС2, по ходу движения

часовой стрелки.

Интерференционную составляющую в нисходящем канале, в свою

очередь, можно разделить еще на две: интерференция внутри соты (intra-cell)

и интерференция между сотами (inter-cell).

Интерференция внутри соты возникает из-за потери ортогональности с

сигналами, излучаемыми БС для других абонентов данной соты.

Ортогональность теряется вследствие эффекта многолучевого

распространения, а при его отсутствии она сохраняется, т.е. интерференция

внутри соты в нисходящем канале в таком случае равна нулю. С эффектом

многолучевого распространения интерференционная составляющая внутри

соты фактически складывается из мощности общих сигнальных каналов и

суммарной мощности каналов всех остальных абонентов в соте. Получим

выражение для уровня интерференции внутри соты:

ортогональность отсутствует).

Интерференция между сотами возникает в том случае, если соседние БС используют одну частоту несущей. WCDMA является асинхронной системой, поэтому сигналы, излучаемые разными БС, не являются ортогональными, что приводит к появлению интерференции от всех БС, кроме обслуживающей. Получим выражение для уровня интерференции между сотами:

и i-й БС, М – количество БС, являющихся источниками интерференции

между сотами.

43