CC BY
447
Анализ видов и процед хендовера в сетях GS
С.А. Маслов,
аспирант МТУСИ, инженер отдела планирования радиосети и измерений ЗАО "Сонник Дуо"
В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ В МИРЕ ВСЕ СТАНДАРТЫ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ ИСПОЛЬЗУЮТ ФУНКЦИЮ ХЕНДОВЕРА, НО С РАЗНЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ РЕАЛИЗАЦИИ. РАССМОТРИМ ВИДЫ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕДУР ХЕНДОВЕРА НА ПРИМЕРЕ САМОГО МАССОВОГО СТАНДАРТА GSM.
Введение
В современном мире мобильная связь развивается такими быстрыми темпами, что сейчас уже не возможно представить современного человека, который не пользуется услугами мобильной связи. Количество предоставляемых услуг и абонентов в этом сегменте телекоммуникаций непрерывно растет на протяжении последних 30 лет. Вначале услуги мобильной связи были доступны только высшим эшелонам государственного управления. Соответственно, трафик в таких ведомственных сетях мобильной (подвижной) связи был небольшим, но с внедрением коммерческих сетей и ростом числа абонентов встал вопрос о развитии сетей подвижной связи в направлении поддержки большого количества абонентов в условиях ограниченного частотного ресурса. Так родилась идея разбиения обслуживаемой территории на небольшие участки — соты и каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия на фиксированной частоте. Такое техническое решение позволяло использовать ту же самую частоту повторно одновременно в нескольких сотах, находящихся на удалении не менее одного защитного интервала.
Однако, при повторном использовании частот в сети, стало необходимым обеспечение функции непрерывности связи при движении абонента как внутри одной соты, так и при переходе из одной соты в другую. Такую функцию сети подвижной связи стали называть эстафетной передачей обслуживаемого абонентского терминала (АТ) или передачей обслуживания АТ из соты в соту (хэндовером) [1-3]. Эти соты могут принадлежащим как одной, так и разным обслуживающим базовым станциям (БС) сети GSM.
В настоящее время в мире все стандарты подвижной связи используют функцию хен-
довера, но с разными техническими особенностями реализации. Рассмотрим виды и особенности процедур хендовера на примере самого массового стандарта GSM. В сетях стандарта GSM применяются несколько видов процедур хендовера, определяемых используемыми алгоритмами и критериями эстафетной передачи связи (перечень составлен исходя из приоритетности использования того или иного вида хендовера в сети GSM) [1]:
— по уровню внутрисистемных помех (как по линии вверх, так и по линии вниз);
— по качеству связи в линии "вверх";
— по качеству связи в линии "вниз";
— по уровню сигнала в линии "вверх" (в дальней зоне БС);
— по уровню сигнала в линии "вниз" (в дальней зоне БС);
— по расстоянию между абонентской и обслуживающей базовой станцией;
— по скорости падения уровня полезного сигнала (при "быстром падении уровня сигнала");
— по разнице уровней расчетного затуханий сигнала на трассе распространения с учетом фактических мощностей излучения БС и АТ (так называемый Power Budget Handover, т.е. хендовер в ближней зоне БС, где изменения мощности достигают 30 дБ). Хендовер Power Budget Handover реализует "энергосберегающий" режим работы сети.
Кроме того, различают различные типы хэндоверов:
1. По участвующим сетевым элементам:
• эстафетная передача внутри ячейки (Intracell HO);
• эстафетная передача между ячейками под управлением BSC (Inter-Cell HO within the same BSC);
• эстафетная передача под управлением MSC (Intra MSC HO);
• эстафетная передача между несколькими MSC (Inter MSC HO);
2. По направлению инициирования:
• эстафетная передача, инициированная АТ (Mobile initiated);
• эстафетная передача, инициированная сетью (Network initiated).
Ввиду существенного влияния работы процедур хендовера в сети на эффективность использования ресурсов сети и качество услуг рассмотрим более детально виды и процедуры хэндоверов в сети подвижной связи GSM.
Хендовер, вызванный помехами
В процедуре хендовера (как по линии "вверх", так и по линии "вниз"), вызванной внутрисистемными помехами (Interference) в сети GSM используются следующие измеряемые параметры:
• средний уровень сигнала (AV_RXLEV, дБ);
• среднее значение параметра качество связи (AV_RX quality value, RXqual);
• порог уровня помехи в линии вниз/ вверх (hoThresholdslnterferenceDL/UL, выставляется от -110 до -67 дБм);
• порог качества связи в линии вниз/ вверх (Параметр hoThresholdsQualDL/UL, выставляется от 0 до 7).
Если показатель AV_RXLEV измеряется в дБм и соответсвует среднему уровню сигнала за определенный интервал времени, то качество связи RXqual измеряется в баллах (от 0 до 7) и соответсвует параметру BER (Bit Error Ration — относительное число ошибок на бит сообщения). Поэтому качество связи в радиоканале измеряется путем подсчета процента битовых ошибок в принятой тестовой (обучающей) последовательности. Для более удобного анализа качества в радиоканале и установления соответствия процента ошибок на бит сообщения балам RXqual используется таблица.
Взаимосвязь процента ошибок на бит и балов
Рис. 1. Процедура хендовера, вызванного внутрисистемной помехой
Для инициирования хендовера за счет влияния внутрисистемных помех необходимо выполнение двух условий: уровень полезного сигнала должен быть хорошим (выше порогового), а качество в канале связи AV_RX quality value — плохим (выше порогового), как показано на рис.1. Если же уровень сигнала будет ниже порогового — плохой уровень сигнала, а качество будет ниже порогового — хорошее, то хендовер вызванный помехой не будет инициирован. В таком случае будет инициирован хендовер по уровню сигнала, который описан далее. Алгоритм хендовера, вызванного внутрисистемной помехой, приведен на рис. 2.
Рис. 2. Алгоритм хендовера, вызванного внутрисистемными помехами
Хендовер, вызванный плохим качеством связи
Взаимосвязь процента ошибок на бит и балов
Процент ошибок на бит (BER), %
> 12,8
6,4-12.8
3,2-6,4
1,6-3,2
0,8-1,6
0,4-0,8
0,2-0,4
0-0,2
Бальная оценка параметра RX Quality (чем больше балл, тем хуже качество)
В процедуре хендовера, вызванным плохим качеством связи, используются следующие измеряемые в сети GSM параметры:
• среднее значение параметра качество связи (Параметр AV_RX quality value, принимает значения от 0 до 7);
• порог качества связи в линии вниз/вверх (Параметр hoThresholdsQualDL/UL принимает значения от 0 до 7).
При инициировании в сети GSM процедуры хендовера по уровню качества связи в линии вниз/верх необходимо выполнения условия: уровень качества в канале связи в обслуживаемой соте становиться настолько плохим, что превышает его допустимый порог, происходит хендовер и абонентский терминал переключается в соседнюю соту с лучшим качеством связи, как показано на рис. 3. При этом уровень сигнала также должен быть плохим (иначе будет инициирован хэндовер 1). Алгоритм хендовера, вызванного плохим качеством связи, приведен на рис. 4.
Рис. 3. Процедура хендовера, вызванная плохим качеством связи
AV_RX quality value > hoThresholdsQualDL
ДА
Г
Проверка соседних сот для хендовера, соседняя сота подходит?
Хендовер
завершен
успешно
НЕТ
1
Хендовер не завершен
Рис. 4. Алгоритм хендовера, вызванного плохим качеством связи
Рис. б. Алгоритм хендовера, вызванного низким уровнем сигнала
Хендовер, вызванный низким уровнем полезного сигнала
В хендовере вызванным плохим уровнем используются следующие измеряемые в сети GSM параметры:
• уровень сигнала в линии вниз/вверх (Параметр AvRxLevelDL/UL, в дБм);
•порог уровня полезного сигнала в линии вниз/вверх (Параметр hoThresholdsLevDL /UL, изменяется от -110 до -67 дБм);
При движении абонента уровень принимаемого им полезного сигнала все время изменяется за счет влияния переотражений от зданий и других факторов. Поэтому в сети GSM значение уровня принимаемого полезного сигнала усредняется по времени. При инициировании процедуры хендовера из-за низкого уровня полезного сигнала усредненное значение уровня полезного сигнала в канале связи становиться ниже, чем его допустимое пороговое значение, после чего происходит хендовер абонентского терминала в соседнюю соту с лучшим уровнем полезного сигнала, как показано на рис. 5. При этом качество связи должно быть хорошим (иначе будет инициирован хэндо-вер 2). Рассмотерный вариант, когда уровень полезного сигнала низкий, а качество хорошее соответствует условиям ведения радиосвязи в открытой местности, где имеет место слабая многолучевость. Алгоритм хендовера, вызванного низким уровнем полезного сигнала, приведен на рис. 6.
Хендовер, вызванный значительной удаленностью АТ от обслуживающей БС
В процедуре хендовера, вызванной значительной удаленностью АТ от БС, используются следующие параметры сети GSM:
• усредненное значение параметра временной задержки ТА (Timing Advance, пара-
метр принимает значения 0...63);
• порог временной задержки сети GSM (msDistanceThresholdParam, параметр принимает значения 0...63).
Параметр ТА может принимать любое из 64 значений от 0 до 63. Одна градация параметра ТА соответствует расстоянию от АТ до БС равному 547 метров, суммарное расстояние между АТ и обслуживающей БС в метрах можно вычислить по следующему правилу TA 547 (соответственно с точность 547 метров) [1].
При инициировании хендовера по дистанции необходимо условие: параметр ТА должен превысить пороговое значение. Когда происходит превышение порога, то происходит хендовер в соседнюю соту с меньшим значением ТА, рис. 7. Алгоритм реализующий процедуру хендовера, вызванного большой удаленностью АТ от БС приведен на рис. 8.
Хендовер, вызванный быстрым падением принимаемого сигнала
В процедуре хендовера, вызванного быстрым падением принимаемого сигнала, используют следующие параметры сети GSM:
• порог количества мгновенных измерений уровня сигнала в линии "вверх" (hoThresholdsRapid LevU IN, параметр изменяется в пределах значений от 0 до 32);
• мгновенное значение уровня сигнала в линии вверх. Используется несколько взятых подряд мгновенных значений сигнала (raw uplink. RX level, параметр измеряется в дБм);
• количество мгновенных измерений уровня полезного сигнала в линии вверх, берется подряд несколько мгновенных значений сигнала (N);
• порог уровня сигнала в линии вверх (hoThresholdsRapidLevUL, параметр измеряется в дБм и изменяется оператором сети GSM в пределах -110...-47 дБм);
Данный вид процедуры хендовера очень похож на хендовер, вызванный плохим уровнем сигнала, но в отличие от последнего в этой процедуре используется мгновенное значение уровня полезного сигнала. Например, если параметр hoThresholdsRapidLevUlN задать равным 2 и в течении двух следующих друг за другом интервалах измерений полезный сигнал оказывается ниже порогового значения, то происходит хендовер, как показано на рис. 9.
Алгоритм, реализующий процедуру хендовера, вызванного быстрым падением при-
Рис. 5. Процедура хендовера, вызванного низким п..-гм - ^ ,т гг-
г /г г РИс. /. Хендовер, вызванный большой удаленностью АІ от ЬС
уровнем полезного сигнала
Рис. 9. Хендовер, вызванный быстрым падением принимаемого сигнала
нимаемого сигнала приведен на рис.10.
Ситуация быстрого падения сигнала может возникнуть в случае, когда абонентский терминал, обслуживаемый внешней базовой станцией и соответствующей сотой, перемещается внутрь помещения, и уровень принимаемого сигнал резко падает, происходит хендовер во внутреннюю соту и переключение на внутреннюю БС, которая обслуживает данное помещение.
Хендовер, вызванный разницей расчетного затухания сигнала на трассе распространения
В процедуре хендовере, вызванным нарушением баланса мощностей в радиолинии АТ — БС, то есть разницей расчетного затухания полезного сигнала на трассе распространения и энергетическим бюджетом радиолинии АТ — БС, используют следующие параметры сети GSM:
• пороговое значение хендовера, вызванного разницей расчетного затухания сигнала на трассе распространения;
• расчетное значение затухания сигнала на трассе распространения от обслуживающей и соседней сот.
Этот вид процедуры хендовера выполня-
ется в сети GSM, если уровень сигнала от соседней соты (скорректированный с учетом фактических мощностей излучения БС и АТ, то есть с учетом функции управления мощности) превосходит уровень сигнала от обслуживающей соты, даже, если усредненные измерения полезного сигнала для обслуживающей соты не превышают заданные пороговые значения (хендовер по плохому уровню сигнала не инициируется), как показано на рис.11. Таким образом, всегда после выполнения процедуры хендовера затухание полезного сигнала на трассе распространения БС — АТ остаются минимальными по отношению к другим близко расположенным БС сети.
Если АТ принимает более высокий уровень полезного сигнала БС от соседней соты чем от обслуживающей БС, скорректированный с учетом функции управления мощности, и достаточный для качественной связи, а также уровень полезного сигнала БС от соседней соты по сравнению с пороговым значением достаточен для инициализации хендовера, вызванного разницей расчетного затухания сигнала на трассе распространения, то происходит хендовер. Алгоритм для данного вида хендовера показан на рис.12.
В правильно спроектированной сети радиодоступа, хендоверы по уровню помех, качеству, уровню сигнала, расстоянию и по быстрому падению сигнала должны составлять меньшую часть, чем хендоверы по расчетному затуханию сигнала на трассе распространения, как показано на рис.13. Данное распределение получено на основе анализа работы сети GSM ЗАО "Соник Дуо". Так как эти хендоверы, за исключением хендовера вида 6, можно отнести к разряду "аварийных", то они инициируются только тогда, когда на стороне абонента возникает критическая ситуация. Подобные критические ситуации, в свою очередь, могут приводить к разрыву соединения. Это может быть связано либо с низким уровнем принимаемого сигнала, что вызвано не сплошным покрытием в зоне обслуживания сети GSM или удаленностью абонента от базовой станции; либо с воздействием помехи высокого уровня и плохим качеством связи, когда абонент слышит искажения в речи.
Нормальной ситуацией для инициализации процедуры хендовера в сети GSM является ситуация, когда возникают условия для процедуры хендовера по расчетному затуханию сигнала на трассе распространения.
Рис. 11. Хендовер, вызванный разницей расчетного затухания сигнала
Рис. 12. Алгоритм хендовера, вызванный разницей расчетного затухания сигнала
Он инициируется, когда на стороне АТ не возникает критическая ситуация, а просто соседняя базовая станция может предоставить лучшие условия его обслуживания, чем базовая станция обслуживающая АТ в данный момент времени. Тем самым критическая ситуация в сети радиодоступа GSM предотвращается заблаговременно и уменьшается риск разрыва соединения, что увеличивает уровень качества речевых услуг в сети оператора.
Заключение
Разнообразие процедур и используемых критериев хендовера в сетях GSM связано со стремлением разработчиков и операторов эффективно использовать радио и сетевые ресурсы, снизить долю служебного трафика в его общем объеме, циркулирующем в сети.
Рис. 1S. Распределение причин хендоверов в сети радиодоступа GSM
Анализ статистики работы сети позволил выявить основные причины возникновения хендоверов в действующих сетях GSM. Первая причина возникновения хендоверов связана с тем, что соседняя базовая станция может предоставить лучшие условия обслуживания абонента, чем БС, обслуживающая его в данный момент времени, что свидетельствует о нормальном режиме работы радиосети. Риск возникновения критических ситуаций минимален. Последующие причины возникновения хендоверов связаны с недостаточным уровнем полезного сигнала и свидетельствуют о недостатках частотнотерриториального планирования, нехватке базовых станций или плохой настройке режимов работы радиосети (например, режим хендовера).
Особую актуальность рассмотренная проблема приобретает в условиях необхо-
димости обеспечения межсистемного хэндо-вера между радиосетью UTRAN сети и сетью стандарта GSM и межсистемный повторный выбор ячеек с переходом из режима HSPA в режим GPRS. Этот вопрос будет рассмотрен в последующих статьях автора.
Литература
1. GSM, GPRS and EDGE performance. Evolution Towards 3G/UMTS. Edited by Timo Halonen, Javier Romero and Juan Melero. John Wiley & Sons Ltd., 2004.
2. Закиров З.Г., Надев А.Ф., Файззулин Р.Р. Сотовая связь стандарта GSM. — М.: Экотрендз, 2004.
3. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. — М.: Экотрендз, 2005.
