|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПРАВИК ЮЛІЯ МИКОЛАЇВНА
УДК 621.396:005.6
ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ УПРАВЛІННЯ
ПАРАМЕТРАМИ ТА СТРУКТУРОЮ МЕРЕЖ
МОБІЛЬНОГО ЗВ’ЯЗКУ
Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2006
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Державному університеті інформаційно-
комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв’язку України
Захист відбудеться “___” __________ 2006 р. о ___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.01 Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м.Київ, пр.Комарова, 1, корп. 1.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м.Київ, пр.Комарова,1.
Автореферат розісланий “ 21 ” квітня 2006 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук В.С.Єременк
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми дослідження. Серед сучасних телекомунікаційних засобів найбільш стрімко розвиваються мережі мобільного зв’язку. Їх впровадження дозволило вирішити проблему раціонального використання виділеної смуги радіочастот шляхом передачі повідомлень на одних й тих самих частотах й збільшити пропускну спроможність телекомунікаційних мереж.
Найбільш поширеним стандартом мобільного зв'язку в країнах Європи є GSM. В Європі число користувачів в цілому становить 608 млн. Послугами мобільного зв’язку стандарту GSM на Україні користуються майже 25,4 млн. абонентів, що складає більше ніж 53,1% населення.
Широке коло питань, пов’язаних з керуванням якістю мережі мобільного зв’язку, а саме: керування трафіком та керування мережею; керування при відмовах та несправностях мережі; локалізація відмов; тестування обладнання та ділянок, розглядаються в роботах з мереж рухомого зв'язку вітчизняних та зарубіжних вчених В.Г.Карташевського, Е.А.Якубайтіса, Ю.А.Громакова, В.П.Іпатова, В.К.Орлова, М.В. Ратинського, А.Ю.Гребешкова, В.Н. Троїцького, Reccardi Pattuelli, V.Zingarelli, K.Allsebrook, J.Parsons та ін. Але внаслідок значної складності проблем у цій сфері, багато питань залишаються відкритими.
Актуальність теми, її теоретичне та практичне значення зумовили необхідність проведення даного дослідження й визначили тему дисертації.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання роботи пов’язано з реальними потребами галузі мобільного зв’язку як на національному, так і міжнародному рівнях. Питання, які розглядаються в дисертаційній роботі, безпосередньо випливають із задач у сфері науки і техніки, сформульованих у “Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України № 223/8 від 09.12.99 р.; “Переліку державних, наукових і науково-технічних програм по пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки”, затвердженому Постановою Кабінету Міністрів України №1716 від 24.12.2001 р.; науково-дослідних робіт відповідної цільової державної науково-технічної програми “Телекомунікаційні системи та інвестиційні ресурси”.
Мета й задачі дослідження. Метою дослідження є розробка і удосконалення теоретичних і методологічних підходів щодо поліпшення якості мобільного зв'язку, розробка багатомірної структури автоматизованої системи управління (АСУ) якісними показниками мобільного зв’язку, дослідження факторів, що призводять до погіршення ефективності обробки сигналів. При цьому дисертаційна робота не претендує на рішення повного комплексу питань по удосконаленню систем мобільного зв'язку.
Задачами дослідження визначено:
- розробку багатовимірної структури автоматизованої системи управління;
- розробку методики визначення появи “острівних” зон;
- розробку способу визначення середньої довжини зони “тіні”;
- розробку методики використання помилок, що утворюються під впливом завад, для захисту радіомереж від ненавмисних втручань;
- розробку методики аналізу абонентського навантаження при введенні в експлуатацію нової базової станції.
Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є системи мобільного зв'язку стандарту GSM з модифікацією за етапами GPRS-EDGE-HSDPA до стандарту 3G.
Предмет дослідження. Предметом дослідження є показники якості мобільного зв’язку та методи управління параметрами мережі мобільного зв'язку.
Методи дослідження. При дослідженні застосовувалися методи теорії систем масового обслуговування, функціонального аналізу, загальної теорії управління, інтегральні та диференційні рівняння, а також експериментальні дослідження.
Наукова новизна. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі вперше:
1. розроблено багатовимірну структуру автоматизованої системи управління якісними показниками мобільного зв’язку.
- розроблений метод встановлення та налаштування антен базових станцій, який враховує особливості забудівлі в мікрорайоні, що представляє інтерес.
3. запропоновано вирази для оцінки ділянок затінювань, які пропонується використовувати при поточному моніторингу базових станцій.
4. обґрунтовано методи локалізації абонентського навантаження при введенні в експлуатацію нової базової станції при налаштуванні систем та оцінюванні ефективності роботи системи.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена коректним використанням математичного апарату, експериментальною збіжністю випробувань та теоретичних результатів. Отримані нові наукові результати узагальнюючого характеру при відповідних спрощеннях та припущеннях можуть бути зведені до добре відомих, багатократно перевірених та експериментально-часткових результатів.
Практична цінність отриманих результатів роботи полягає в наступному:
- розроблено багатовимірну структуру автоматизованої системи управління (АСУ) якісними показниками мобільного зв’язку, що побудована за ознакою відокремлення однорідних за характером підсистем, що дозволило визначити вихідні дані для вирішення задач управління бездротовим зв’язком та побудувати інформаційні моделі взаємозв’язку вихідної інформації;
- запропоновано методику оцінки конфігурацій зон “тіні”, враховуючи які, можна удосконалити радіопланування із такими вихідними параметрами, як координати базової станції (БС), висота підйому та нахил антен БС, потужність передавача БС та робоча частота, геометрія та розташування досліджуваного району та параметри будівель всередині нього;
- розроблено методику аналізу абонентського навантаження при введенні в експлуатацію нової БС, застосування якої дає оператору мобільного зв’язку наочну картину просторово-часового розподілу абонентського трафіку.
Апробація роботи. Основні положення роботи доповідалися та обговорювалися на: Міжнародній конференції студентів та аспірантів „Ломоносов – 2002” (м. Москва, 2002), Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих спеціалістів „Світ інформації та телекомунікацій” (м. Київ, 2002), ІІ-ій науково-технічній конференції „Приоритетні напрямки розвитку телекомунікаційних систем та мереж спеціального призначення” (м. Київ, 2004), Ювілейній X Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок “МКФТТП-X” (м. Івано-Франківськ, 2005).
Особистий внесок здобувача полягає в самостійному виконанні теоретичної й розрахункової частин роботи та інтерпретації отриманих результатів. В дисертаційній роботі узагальнено результати поточних досліджень автора. Всі основні наукові та теоретичні положення, викладені в дисертації, отримані автором особисто.
В дисертації узагальнено результати досліджень, виконаних автором самостійно [1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10] та у співавторстві [6, 8]. Особисто автором здійснена розробка загальної концепції дисертації та вибір об’єктів, визначено мету і задачі роботи, обрано та обґрунтовано методи досліджень.
У роботах, виконаних у співавторстві, особисто Правик Ю.М. належать такі наукові результати:
- в роботі [6] – досліджено та обґрунтовано вибір критерію якості при каналі із випадковим коефіцієнтом передачі;
- в роботі [8] – надані рекомендації по зменшенню взаємного впливу антен; запропоновано способи ущільнення частотного розподілу в умовах обмеженого частотного ресурсу.
Публікації. За матеріалами дисертаційних досліджень опубліковано
10 наукових праць, з них 7 – у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України та 4 доповіді – в матеріалах міжнародних наукових конференцій.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Містить 150 сторінок основного тексту, 39 рисунків, 6 таблиць, перелік використаних джерел з 98 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі до дисертаційної роботи обґрунтована актуальність і доцільність обраної теми, запропоновано методику наукового дослідження, сформульована мета і задачі роботи, зазначена практична цінність, наукова новизна, показано зв’язок роботи з науковими темами.
У першому розділі розкрито загальну методику наукових пошуків, викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів. Доведена необхідність вдосконалення методів управлінню мережею на рівні елементів мережі, замість того, щоб передати функції мережного управління на рівень управління послугами.
При управління якістю роботи мережі мобільного зв’язку контролюються та підтримуються на відповідному рівні основні характеристик мережі. Для цього здійснюються збір, обробка, реєстрація, зберігання та відображення статистичних даних про роботу мережі мобільного зв’язку та її елементів, а також виявлення тенденцій в поведінці елементів та попередження про можливі порушення в роботі.
Критеріями оптимізації якості мобільного зв’язку визначено: рівень прийому сигналу, мінімальна кількість зон “островів”, ймовірність помилки при наявності взаємних завад із-за імітоатак, мінімізація числа розірваних дзвінків та помилок хендоверу, час з’єднання.
Визначено концепцію управління параметрами базової станції (БС). Концепція сформована на таких етапах:
- вибір критеріїв оцінки якості роботи мереж мобільного зв’язку;
- визначення переліку технічних параметрів, які впливають на якість роботи системи мобільного зв’язку (множина параметрів);
- вибір підмножини параметрів, регулювання яких може здійснювати найбільший вплив на якість роботи системи мобільного зв’язку (підмножина значимих факторів впливу);
- аналіз залежностей між критеріями якості регулювання параметрів (коефіцієнти кореляції);
- побудова моделей регулювання значимих факторів впливу.
Якість процесу управління каналом зв’язку досліджується в аспекті покращення якісних показників роботи мережі шляхом управління параметрами БС. При виборі системи управління якістю ключовими моментами є наявність розроблених засобів вимірювань й способи їх конфігурування. Сформульовані задачі дослідження, які витікають з основної задачі управління мережею, яка полягає в тому, щоб надати можливість нормативної експлуатації та технічного обслуговування з мінімальними затратами, забезпечуючи при цьому потрібний рівень надання послуг.
У другому розділі розглянуто аналіз зон “тіні” в мережі з використанням нових технологій. Проведено дослідження зон “тіні”. Для поля ультракоротких хвиль характерна складна інтерференційна картина, яку створюють множина хвиль з різними фазами та амплітудами із квазіперіодом порядку довжини хвилі. Розрахункова інтерференційна картина в цих випадках залежить від дрібних деталей рельєфу та конструкцій будівель, які не можуть бути враховані жодними цифровими картами, оскільки вказана картина змінюється у часі і залежить від природних явищ.
Розроблений метод розрахунку поля, який поєднує переваги статистичного підходу з перевагами детерміністських методів, що дозволяють врахувати особливості забудови в мікрорайоні, що представляє інтерес. Середній кутовий розподіл інтенсивності випромінювання, що приходить до приймального пункту, антена якого розташована значно нижче за дахи навколишніх будівель, має унімодальний характер. Він описується функцією  , де кут  відраховується від лінії, що з’єднує БС і мобільну станцію (МС). Розподіл має форму кардіоди з максимумом в напрямі від МС до БС.
Для урахування особливостей міської забудови вводиться нормування амплітуд кутового спектру хвиль. Воно здійснюється таким чином: у мікрорайоні, що аналізується, виділяється точка C, що відповідає центру даної території. У цій же точці знаходиться середнє значення поля  . Далі в цій же точці при “вилучених” будівлях знаходиться поле, що створюється спектром хвиль. Для цього на деякому замкнутому навколо мікрорайону контурі Г розташовується N еквівалентних джерел, що формують спектр хвиль. Для зручності обрано контур Г у вигляді радіусу b із центром в точці С. З урахуванням статистичної незалежності хвиль що приходять з різних напрямів, отриманий вираз для сумарного поля в точці C:
 , (1)
де А – амплітудний множник,  – кутове положення n-ого джерела,
b – радіус замкненої зони, N – кількість джерел.
У ділянках, що достатньо віддалені від БС, середнє значення поля в межах обмеженого мікрорайону, яке розраховане з використанням статистичних моделей, змінюється порівняно мало. Відповідно, параметри b та N повинні бути такі, щоб сумарне поле  у будь-якій точці всередині мікрорайону настільки ж мало відрізнялася від поля у точці С. Чисельні розрахунки показують, що для виконання вказаних вимог досить вибрати b = R, де R – відстань між БС і центром мікрорайону, а  , де  – кутова відстань між двома сусідніми джерелами С.
Після знаходження амплітудного множника А розв'язується задача дифракції еквівалентних джерел на групі будівель, що розташовані в межах мікрорайону, який представляє інтерес. Враховуються поля прямих хвиль та хвиль, що однократно відображаються від будівель або поверхні землі, причому вказані поля додаються квадратично, тобто додаються потужності цих сигналів (враховуючи статистичну незалежність хвиль опромінюючого спектру). На основі теорії викидів випадкових процесів запропоновано загальний вираз для довжини затіненої ділянки з урахуванням зв’язку між дисперсією висот та нахилів випромінюваної поверхні:
 , ( 2)
де  – довжина затіненої ділянки,  – щільність ймовірності функції  , z – рельєф висот поверхні над площиною  , що визначається як 
Коефіцієнтом  визначається функція затінювання ділянки поверхні:  , де  – загальна довжина випромінюваної ділянки поверхні по напряму розповсюдження сигналу;
 – напрямок кута сигналу,  – ступінчасто-експоненціальна функція.
Перевагою даної розробленої методики є виключення з розгляду повторних затінювань. Оскільки при традиційному підході необхідно конкретизувати вид кореляційної функції висот, накладати обмеження на радіуси кривизни нерівностей і розкладати функцію висот в ряд в точках торкання променя. В одержаних виразах статистичні характеристики підстилаючої поверхні не конкретизуються. Отже, ці вирази застосовувані для поверхонь із довільним імовірнісним законом розподілу висот.
В третьому розділі розроблено методику розрахунку якості зв’язку з використанням нових технологій. Запропоновано методику регулювання абонентського трафіку, що закладається в програмне забезпечення та входить до АСУ базовими станціями. Реалізація роботи даної методики представлена на рис. 1.
Розроблена модель локалізації просторово-часового розподілу абонентського навантаження в мережі GSM на основі отримання коефіцієнту пропорційності між прийнятими результатами вимірювань при визначеному значенні часової затримки поширення сигналу між БС та МС й загальною кількістю прийнятих результатів вимірювань. Для визначення розподілу абонентського навантаження накопичуються статистичні дані з часової затримки поширення сигналу (TA) від БС до МС.
Методи регулювання в роботі діляться на декілька категорій:
- регулювання потужнісних характеристик;
- регулювання кутів нахилу антен базових станцій;
- регулювання обмеженим за часовою затримкою поширення сигналу між мобільною та базовою станціями;
- регулювання міжсотових співвідношень.
Розрахунки коефіцієнтів по застосуванню наведеної методики представлені в табл. 1.
Таблиця 1
Залежність номінальної потужності випромінювання та обсягу трафіку
Рис. 1. Методика аналізу абонентського навантаження при введенні
в експлуатацію нової БС
Так, при установці нової БС з номінальною потужністю випромінювання 100% збільшується обсяг трафіку та завантаження мережі (див. рис. 2). Число естафетних передач або хендоверів (англ. – handover) позначено Nхен., номінальна потужність випромінювання – Nном.
Показано (табл. 1), що при застосуванні даної методики для зменшення числа хендоверів зменшується потужність нової БС, що призводить до зменшення числа хендоверів та збільшення розриву з’єднань.
 Рис. 2. Регулювання абонентського трафіку
Розглянуті методи урахування дестабілізуючих факторів та їх компенсації. Вплив дестабілізуючих факторів у каналах із завмираннями визначається функцією розподілу помилок:
 , (3)
де  – середня ймовірність помилки прийому елемента сигналу при завмиранні (посиленні) сигналу,  ;  – середня тривалість завмирань у каналі;  – середня імовірність помилки прийому елемента сигналу, m – число помилок прийому фазуючої комбінації;  – інтенсивність завмирань;
 – довжина імпульсу маніпуляції.
Дана функція монотонно зменшується із зростанням числа помилок:
 , (4)
де n – довжина фазуючої комбінації
За результатами аналізу залежностей функцій імовірностей кількості помилок (рис. 3), де  – кількість помилок,  – імовірність помилок або функція виявлення імітоатак, відмічено, що при використанні каналів із стійким прийомом сигналів  , дані функції мають протилежний характер зміни.
Рис. 3. Оптимальне порогове значення кількості помилок
Розглянуті помилкові рішення двох типів:
- помилкове рішення І-го роду, – якщо кількість виявлених помилок при передачі корисного сигналу перевищить граничне значення:
| 
