Оценка эффективности зон обслуживания базовыми станциями стандарта GSM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка эффективности зон обслуживания базовыми станциями стандарта GSM

Любая система, в течение своего существования проходит несколько этапов своего развития. На каждом из этих этапов проводится ряд расчётно-аналитических работ по планированию системы, расширению, настройке и контроль качества её функционирования. В сотовых системах подвижной радиосвязи, выделяют несколько этапов строительства [1]. Основными этапами планирования являются этап разработки частотного плана и расчёта пропускной способности и этап настройки системы. Данные этапы, являются единственными, где проводится расчёт прогнозируемых зон обслуживания БС, интерференционный анализ и оценка распределения напряжённости поля.

В связи с раздельностью этих этапов, существует несколько различных методов анализа радиочастотного покрытия. На этапе планирования, для предварительной оценки зон обслуживания используются различные модели распространения радиоволн, на основе которых разрабатываются мощные средства расчёта и прогнозирования радиочастотной обстановки. Но, как показывает практика [2], разработанные модели должны быть адаптированы под исследуемые районы (внесены корректирующие данные в затухание сигнала). Несмотря на мощность средств расчёта, все факторы, определяющие точность определения зон обслуживания, учесть невозможно. Следовательно, точность определения распределения напряженности поля от этого страдает [3].

Другим подходом к определению зон обслуживания, является проведение натурных измерений напряжённости поля [4]. Последний, обычно находит место на этапе настройки системы, где, опираясь на результаты измерений, осуществляется настройка системных параметров, определяющих качество функционирования системы. Помимо вышеупомянутых существуют и другие подходы.

В связи с этим разделим подходы к оценке зон обслуживания базовыми станциями в системах подвижной радиосвязи на несколько различных групп, которые в той или иной степени применяются на различных этапах построения и обслуживания сетей подвижной радиосвязи.

? Эмпирико-статистические и аналитические подходы. Здесь за основу взяты кривые, полученные в ходе многочисленных экспериментов по измерению напряжённости поля, как в черте городской застройки, так и в пригородных и открытых областях, которые были проведены Окамура [5]. К аналитическому подходу относится [6].

? Эмпирический метод. Данный метод основывается на аппроксимации кривых Окамура [7], носящий название «модель Окамура - Хата». На основе данной модели построен алгоритм расчета распределения напряженности поля «9999», разработанный компанией ERICSSON [8].

? Трассировочный подход. Данный подход основывается на алгоритмах трассировки лучей в приближении геометрической оптики, где начальной точкой трассировки лучей является планируемая или исследуемая базовая станция (БС) [9,10].

? Натурные измерения напряжённости поля. Данный подход основан на постоянном мониторинге распределения напряжённости поля посредством проведения натурных измерений напряжённости поля. Измерениям напряжённости поля посвящены работы [2,4,11-12].

Несмотря на то, что в настоящие время вышеупомянутые подходы являются популярными и достаточно эффективными, рассмотрим еще один - статистическое накопление данных, где измеряемым показателем качества покрытия служит временная задержка распространения сигнала (TA) от БС до мобильной станции (МС) и обратно. Данный подход позволяет определить, как будет показано ниже, не только эффективную и действующую зоны обслуживания, но и зоны «острова», где качество обслуживания абонентов неудовлетворительно и, зачастую приводит к сбросу соединений.

Определение временной задержки

Известно, что первая установка соединения МС с БС осуществляется по направлению «вверх» (направление от МС к БС). Данное соединение происходит в виде пакета доступа (AB - access burst) по каналу параллельного доступа (RACH - random access channel). Кроме первой установки соединения, пакет доступа используется при осуществлении хэндовера, при этом уже используется не канал RACH, а быстрый совмещённый канал доступа (FACCH - Fast Associated Common Control Channel).

Основной характеристикой пакета доступа является то, что кроме последовательности синхронизации (49 бит) и битов кодирования (39 бит) передается информация о временной задержке распространения сигнала от МС до БС. Информация о временной задержке предаётся в защитном интервале (GР - guard period), временная длительность которого составляет 68.25 бит или 252 мксек. Графическая интерпретация временных кадров представлена нарис. 1.

мобильный сотовый абонент сигнал

Рис. 1 - Графическая интерпретация интервал доступа

На рис. 1 ТВ означает - tail bits (хвостовые биты), они предназначенные для выравнивания во временном кадре.

При первом установлении соединения МС не знает, на каком расстоянии она находится от БС, а, следовательно, и временную задержку. Пакет доступа, который мобильная станция посылает со значением временной задержки 0 по отношению к ее внутренней временной базе, является достаточно небольшим по своим размерам и умещается во временном интервале 252 мкс, включая двойную максимальную задержку распространения сигнала по радиоканалу.

Использование временной задержки даёт возможность определять расстояние между мобильным абонентом и базовой станцией.

На практике, касательно временной задержки, различают соты двух типов:

? обычные соты

? соты с расширенным радиусом действия

Для обычных сот, максимальная задержка на распространение сигнала (63 бит) относится к максимальному расстоянию между подвижной станцией и базовой станцией в 35 км. Расширенная сота может обеспечить зону охвата более 35 км при помощи использования двух последовательных временных интервалов для передачи. В этом случае максимальная задержка на распространение сигнала будет составлять 219 бит (= 120 км).

Необходимо отметить, что в зависимости от типа оборудования контроллера базовых станций, базовых станций БС и BSC, а также и от программного обеспечения BSC, максимальное расстояние может отличаться. Например, при использовании оборудования ERICSSON максимальное расстояние составляет 72 км [13], при использовании оборудования SIEMENS максимальное расстояние составляет 100 км [14].

Базовая станция БС разделяет задержку на распространение сигнала на два значения:

? обычная временная задержка (TA), которая варьируется в пределах от 0 до 63 бит, что соответствует 35 км;

? эффективная временная задержка (VTA - Virtual Timing Advance), используемая в расширенных сотах, как смещение TA для задержек более чем в 63 бит (от 0 до 219 бит).

Расширенный радиус сот обеспечивается за счет VTA, который получается благодаря объединению двух последовательных временных интервалов при установлении соединения. Последнее, обеспечивает использование интервала доступа в двух последовательных временных интервалах. На практике, соты с расширенным радиусом действия, не получили применения. Как будет показано ниже, в первую очередь это связанно с тем, что эффективный радиус соты в черте городской застройки не превышает 3 км. Под эффективным радиусом будем понимать расстояние, ограничивающее использование 60-80% трафика. Идеальным же условием для использования расширенного радиуса сот является размещение базовых станций в районах с ровным рельефом местности (пустынные области, прибрежные районы).

В связи с вышесказанным в дальнейшем будем оперировать с обычной временной задержкой (ТА), определяющей максимальный радиус действия сот в 35 км.

Вычисление расстояния от МС до БС. Используя данные о временных значениях интервала доступа, можно определить действующее расстояние между базовой станцией и подвижной станцией, которое может быть записано в виде

(1)

где, TA - временная задержка для обычного радиуса сот; D_RT - расстояние от мобильной станции до базовой станции определяется как

(2)

где, v - скорость света ; t = 1 бит = 48/13 [мкс].

Определение TA. Для фиксирования распределения абонентов на местности в аппаратное обеспечение BSC закладывается программная реализация определения и накопления статистических данных, касающихся временной задержки. Данная реализация функции сбора данных о распределении временной задержки позволяет определять временную задержку сигнала для всех сот БС подсоединённых к BSC одновременно. Последнее, предоставляет возможность проводить оценку зон обслуживания сот БС комплексно. В нашем случае, на основе аппаратного обеспечения BSC фирмы ERICSSON (тип аппаратного обеспечения BYB 501), было использовано программная реализация определения и накопления статистических данных касающихся временной задержки [15]. Данная статистика основывается на результатах измерений, как мобильной станцией, так и базовой станцией.

Помимо программных средств, предусмотренных производителем оборудования сотовых систем, существуют аппаратные разработки различных фирм, позволяющих так же осуществлять накопление и анализ статистических данных [16]. Недостатком таких систем является, то, что они жестко включаются в ИКМ тракты. Поэтому, комплексной оценки для всей системы базовых станций получить не удается.

Точность определения временной задержки. Для достоверного определения зон радиочастотного покрытия необходимо знать точность вычисления значения временной задержки. Согласно рекомендациям ETSI [17], точность определения значения временной задержки составляет +/-1 бит (+/ - 550 метров). В связи с этим, погрешность измерения зон охвата оказывается существенной в ближней зоне обслуживания (0 - 1 км). Поэтому, обработка измерений в ближней зоне должна осуществляться с учётом вносимой большой погрешности. Последнее обусловлено ещё и тем, что на практике эффективная зона обслуживания составляет 0 - 3 км. Следовательно, погрешность измерений будет существенно проявляться в сотах, работающих в черте городской застройки.

Анализ долговременных записей ТА

Известно, что движение абонентов внутри функционирующей сотовой системы влияет на распределение трафика в течение суток. Помимо влияния на трафик предполагается, что движение абонентов влияет и на территориальное распределение трафика в течение суток. Кроме этого, представляет интерес и влияние дня недели на территориальное распределение трафика. Прогнозируется, что последнее особенно заметно в летние дни во время дачных сезонов. В настоящем разделе анализируется распределение измерений TA за промежуток времени в 108 часов.

При проведении анализа распределения абонентов в пространстве, была использована рабочая сотовая система стандарта GSM-900 г. Томска. В качестве экспериментальных БС, были выбраны два типа БС.

? Первый тип БС - базовые станции, работающие в черте города;

? Второй тип БС - базовые станции, работающие в пригородной зоне.

Первый тип БС характеризует наличие смежных зон обслуживания и большого количества препятствий (здания) на пути распространения сигнала между БС и МС. Смежными (соседними) сотами называем соты, у которых перекрывается диаграмма направленности антенн и внутри которых осуществляется 80% хэндоверных переключений. На рис. 2,3 представлено схематическое размещение БС первого типа, а на рис. 4,5 - БС второго типа.

Рис. 2. Размещение БС1 и БС2 на плоскости

Рис. 3. Размещение БС1 и БС2 с трёхмерным распределением высоты над уровнем моря

Рис. 4. Размещение БС3 на плоскости

Рис. 5. Размещение БС3 с трёхмерным распределением высоты над уровнем моря

Как указывалось выше, в качестве измерительной аппаратуры было использовано программное обеспечение фирмы ERICSSON. Данное программное обеспечение является составной частью аппаратного обеспеченияBSC. Использование данного программного обеспечения, позволило снимать данные одновременно со всех сот (БС1А, В, С; БС2А, В, С; БС3А, В). Ниже, в виде гистограмм распределения приводятся результаты измерений. По оси х откладывается удалённость абонентов от БС [км], по оси y откладывается процент результатов измерений [%], полученных БС от МС.

Рис. 6. Распределение результатов измерений в зависимости от удалённости, БС1

Рис. 7. Распределение результатов измерений в зависимости от удалённости, БС2

Рис. 8. Распределение результатов измерений в зависимости от удалённости, БС3

Гистограммы, приведённые выше, наглядно представляют территориальное распределение абонентов.

Из графиков видно, что все соты исследуемых БС, кроме соты БС3 - сота В, имеют приблизительно один радиус зоны обслуживания, ограниченный значением 2.74 км. Данную область назовём эффективной зоной обслуживания абонентов, а значение радиуса обслуживания - эффективным значением временной задержки. Кроме того, под эффективной зоной обслуживания будем понимать территорию, в которой распределение измерений о TA лежит в пределах 60% и выше, что создает 60% - 80% трафика в соте, так как измерения значений ТА, передаются в активном режиме работы телефона.

Отметим, что именно в данной области, сконцентрирована основная нагрузка.

Сопоставляя результаты абонентского распределения, отдельно взятых сот (БС3 - сота В) видим, что при обслуживании абонентов возникают специфические зоны обслуживания. На рис. 8, данные области помечены прозрачно серым цветом. Назовём эти зоны - зоны «острова». Под данными зонами подразумеваются зоны, располагаемые на удалённом расстоянии от БС. Эти зоны характеризуются малым трафиком, малым количеством переданных отчётов об сделанных измерениях. Распределение измерений в сумме для этих зон составляет значение 10 - 20%. В свою очередь, данные зоны характеризуют зону обслуживания, которой дадим название действующая зона обслуживания, а значение временной задержки, ограничивающей данную зону - действующим значением временной задержки. На рис. 9, схематически представлены эффективная зона обслуживания и действующая зона (зона «остров»).

Рис. 9. Образование островных зон

Как показали исследования, в частности для соты БС2В, появление островных зон, с соответствующим увеличением действующей зоны обслуживания обусловливается двумя основными причинами:

? Рельеф местности на пути распространения сигнала от БС до МС c большим перепадом высот.

? Появление небольших жилых районов на удалённом расстоянии от БС, где количество мобильных абонентов мало.

Влияние рельефа местности на появление островных зон схематично представлено на рис. 10.

Рис. 10. Влияние рельефа местности на появление островных зон

Анализ кратковременных записей ТА

Под кратковременными записями временной задержки будем понимать часовые интервалы измерений ТА. Полагаем, что кратковременные записи данных позволят определить пространственное распределение абонентской нагрузки в зависимости от времени суток. В связи с этим, был проведён анализ данных часовых измерений распределения измерений ТА. Измерения проводились в течение суток через часовой интервал времени. В качестве объекта исследования были выбраны соты двух типов:

? сота, с зоной обслуживания в области городской застройки, на рис. 2,3 данной соте соответствует сота БС1В;

? сота, с зоной обслуживания в пригородной области, на рис. 4,5 данной соте соответствует сота БС2В. Отличительной особенностью данной соты является то, что она обслуживает не только пригород, но и тракт, соединяющий город с Аэропортом.

На рисунках 11-14, приведены результаты измерений для соты второго типа БС3В.

Рис. 11. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС3В, время измерений 6:00 - 7:00

Рис. 12. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС3В, время измерений 7:00 - 8:00

Рис. 13. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС3В, время измерений 12:00 - 13:00

Рис. 14. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС3В, время измерений 22:00 - 23:00

Из гистограмм, приведённых на рис. 11-14, видим, что в зависимости от времени проведения эксперимента, меняется распределение процента переданных измерений в пространстве. Последнее, особенно заметно на рис. 11 и рис. 12. Как указывалось выше, исследуемая сота является сотой, которая обслуживает тракт, соединяющий город и Аэропорт. Утреннее время с 6:00 по 8:00 - основное время прилётов и отлётов самолётов. В связи с этим, на рис. 11 и рис. 12 наблюдается движение процента измерений в пространстве ТА (движение вдоль тракта от города в Аэропорт и обратно). На рис. 11-14, отметка 14.8 км соответствует расположению Аэропорта. Кроме пространственного перемещения измерений можно заметить, что на рисунках присутствуют области соответствующие следующим отметкам 0 - 1.1 км, 6.02 - 7.11, 10.3 - 12 км, 14.3 - 14.8 км. Среди данных область 0 - 1.1 км является городской областью, все остальные области являются областями «острова», которые характеризуются неудовлетворительным качеством.

Анализ гистограмм рис. 11-12, позволил определить тот факт, что для сот с обширным покрытием и при условии пространственных перемещений измерений более чем 60%, понятие действующей и эффективной зоны обслуживания сливаются и, характеризуются только эффективной зоной обслуживания. Отметим и тот факт, что данные, полученные за час измерений, хорошо согласуются с долговременными измерениями (рис. 8). На всех гистограммах присутствуют островные зоны, но, в случае рис. 8 и рис. 12, процент распределения измерений на отметке 14.3 - 14.8 км отличается в 5 раз. Следовательно, для получения более детальной картины о распределении временной задержки долговременных измерений недостаточно и, поэтому, следует проводить дополнительные исследования за более короткие интервалы измерений (в нашем случае 1 час).

Дополнительный интерес представляют данные об измерениях распределения ТА во времени для сот, работающих в области городской застройки. В связи с этим на рис. 14-15, приведены результаты измерений для соты БС1В (рис. 3,6), работающей в области городской застройки.

Рис. 15. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС1В, время измерений 6:00 - 7:00

Рис. 16. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС1В, время измерений 7:00 - 8:00

Рис. 17. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС1В, время измерений 12:00 - 13:00

Рис. 18. Распределение измерений в зависимости от ТА, БС1В, время измерений 22:00 - 23:00

Как и в случае соты БС3В видим, что для соты БС1В движение процента измерений в пространстве тоже свойственно. Но, так как данная сота - сота, обслуживающая городской район, то пространство перемещения радиотелефонов и, следовательно, получение от них результатов измерений ограниченно. В данном случае движение осуществляется в пределах 0 - 6.02 км. Ограничение пространства перемещений, в данном типе соты, связанно с тем, что в области городской застройки плотность размещения базовых станций намного больше, чем в пригородных и открытых районах. Поэтому, соты таких базовых станций перекрываются, образуя смежные зоны обслуживания, именуемые гистерезисными областями. И, как следствие, в силу уменьшения принимаемого сигнала обслуживающей соты, в гистерезисных областях [18] осуществляется хэндоверные переключения в соты с большим уровнем сигнала и лучшим качеством обслуживания. Дополнительные исследования показали, что появление зон «островов» для сот такого типа менее вероятно, чем для сот, работающих на пригородные зоны и открытые пространства. Появление же «островных» зон в сотах данного типа указывает на существование прямой видимости до других базовых станций, что в основном обуславливается слишком большой высотой поднятия антенн базовых станций.

В данной статье представлен апробированный автор ом малоизвестный метод анализа зон обслуживания базовыми станциями сотовой системы стандарта GSM-900. Данный метод основывается на анализе статистических данных о территориальном распределении абонентов сети GSM-900 по результатам измерений временной задержки распространения сигнала между БС и МС.

Было определено, что для сот базовых станций сотовой системы стандарта GSM существует несколько зон обслуживания абонентов.

? Абсолютная зона обслуживания, которая ограничивается максимальным расстоянием в 35 км, соответствуя максимальному значению временной задержки (ТА) в 63 бит.

? Действующая зона обслуживания. Данная зона характеризуется размерами, которые ограничиваются «островными» зонами.

? Эффективная зона обслуживания. Данная зона характеризуется областью, где осуществляется 60 - 80% трафика.

Как показали исследования, появление островных зон, с соответствующим увеличением действующей зоны обслуживания обусловливается двумя основными причинами:

? Рельеф местности на пути распространения сигнала от БС до МС c большим перепадом высот.

? Появление небольших жилых районов на удалённом расстоянии от БС, где количество мобильных абонентов мало.

Анализ результатов долговременных и кратковременных измерений временной задержки позволил определить, что недостаточно осуществлять запись измерений за продолжительный временной промежуток. Последнее, связанно с тем, что долговременные измерения показывают только общую картину пространственного распределения абонентов в зависимости от ТА. Кратковременные же измерения, позволили определить, что абоненты в зависимости от времени суток делают нагрузку динамичной, перемещающейся в пространстве. Кроме этого, кратковременные измерения показали, что характерной особенностью пригородных зон является наличие зон «островов», которые, характеризуются неудовлетворительным качеством обслуживания, выраженным сбросом соединений на каналах управления SDCCH и каналах трафика TCH, а также появления большого количества ошибок.

Проведенные измерения временной задержки за различные временные интервалы показали, что для получения достоверной оценки эффективности зон обслуживания БС, необходимо осуществлять измерения, как за короткие, так и за длительные интервалы времени.

Результатом анализа общей картины распределения абонентов, полученной за долговременный промежуток измерений явилось то что, для сот, работающих в городской застройки, эффективная зона обслуживания варьируется в пределах от 0 до 3 км. Последнее указывает на то, что для сот такого типа, во избежание появления интерференции, необходимо уменьшать мощность передатчиков базовых станций. Уменьшение мощности БС осуществляется до значений, при которых существование эффективной зоны обслуживания обеспечивается достаточным уровнем напряжённости поля на границах зоны обслуживания. На практике, достаточным уровнем напряжённости поля является значение 95 dBm.

Результаты исследований показали, что в отличие от метода, основанного на анализе пространственного распределения напряжённости поля [4], данный метод является интегральным и позволяет оценить эффективность зон обслуживания базовыми станциями по пространственной локализации абонентов.

Поскольку погрешность измерения зон охвата (+/-550 м) оказывается существенной в ближней зоне обслуживания (0 - 1 км), то обработка измерений в ближней зоне должна осуществляться с учётом вносимой погрешности. Обусловлено это тем, что на практике, как показали исследования, эффективная зона обслуживания ограничивается 0 - 3 км. Последнее особенно явно выражено для сот, работающих в слое городской застройки, следовательно, погрешность измерений будет проявляться именно в этих сотах.

Поскольку ТА является системным параметром с возможностью регулирования оператором, то данные исследования могут позволить определить алгоритм поиска оптимальных значений временной задержки. Последнее необходимо для оптимизации пропускной способности и энергетических характеристик системы. Необходимо отметить, что данный метод оценки не является основным, так как он позволяет определить лишь интегральный показатель качества (пространственная локализация абонентов). В связи с этим, последний должен быть использован совместно с методом на основе натурных измерений [4], где показателем качества является энергетический показатель - достаточный уровень принимаемого сигнала.

Литература

мобильный сотовый абонент сигнал

1. Ericsson Radio Systems AB, Cell Planning principles, Course Documentation EN/LZT 123 3314 R3A, 1998.

2. Ефанов В.И., Береснев А.В. Анализ зон обслуживания сотовой системой подвижной радиосвязи в г. Томске. // Тезисы докл. Регионально научно-технической конф. судент. и молодых ученых. Часть 2. Томск. ТУСУР, 1999. С. 15-17.

3. Reccardi Pattuelli, V. Zingarelli, «Precision of the Estimation of area coverage by planning tools in cellular systems,» IEEE Personal communications vol. 7, №3, pp.50 - 53, June 2000.

4. Береснев А.В. Проведение натурных измерений напряжённости поля в сотовых системах подвижной радиосвязи // Цифровые радиоэлектронные системы, 2001, №4, http://www.drts.susu.ac.ru/~rvm/vol4/a12_04.zip

5. Y. Okamura, Et. Ohmori, «Field Strength and its variability in VHF and UHF land mobile Service», Rev. Elec. Com. Lab., Vol. 16, September-October 1968 pp.825-873.

6. Пономарёв Г.А., Тельпуховский Е.Д., Куликов А.Н. «Распространение УКВ в городе», - Томск. «Радио и Связь». МП Раско, - 1991.

7. M. Hata, «Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services», IEEE Trans. Veh. Technol., vol.VT-29, pp.317-325, Aug. 1980.

8. Ericsson Radio Systems AB, GSM Advanced Cell Planning EN/LZT 123 5333 R1A, 1999.

9. J.W. McKown and R.L. Hamilton Jr., «Ray tracing as a design tool for radio networks,» IEEE Network, vol. 5, pp. 27-30, 1991.

10. К.К. Боргенс, Г.А. Ерохин, О.А. Шорин, Прогнозирование теневых зон при расчёте поля УКВ в системах подвижной радиосвязи // «Журнал радиоэлектроники», 2000, №7, http://jre.cplire.ru/win/jul00/3/text.html

11. T.S. Rappaport, S.Y. Seidel, R. Singh «900-MHz multipath propagation measurements for US digital cellular radiotelephone», IEEE Trans. Veh. Technol., vol.VT-39, pp.132-139, May 1990.

12. Sci. Div. Radio, M.V.S.N. Prasad, R. Singh, «UHF train radio measurements in northern India», IEEE Trans. Veh. Technol., vol.VT-49, pp.239-245, Jan. 2000.

13. Ericsson Radio Systems AB, User Description, Extended Range, Doc. No13/1553-HSC 103 12 Uen Rev C, 1999.

14. Siemens AG, Система базовых станций (TED-BSS), A30808-X3247-H10-2-7618, 2000.

15. Ericsson Radio Systems AB, Statistic based on measurement report, GSM R7, BSS. Doc. No 102/1538-APT 210 09 Uen A, 1999.

16. Application Note 77, Optimizing Radio Networks with WWG 8630 and WWG 8631, Wavetek Wandel Goltermann, Doc. No SW/ZU/AN77/0900/AE, Germany, 2001.

17. GSM Rec. 05.08, «Digital Cellular Communications Systems (Phase 2+); Radio Subsystem Link Control,» ETSI.

18. Ericsson Radio Systems AB, User Description, Locating, Doc. No3/1553-HSC 103 12 Uen Rev C, 1999.

Размещено на Allbest.ru