Эффективность взаимодействия сотовой и «Широкозоновой» систем связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Зельманов Самуил Соломонович

Московский технический университет связи и информатики (Волго-Вятский филиал).

E-mail: zelmanss@yandex.ru

603011, г. Нижний Новгород, ул. Менделеева, 15.

Тел.: 88312457505.

Zelmanov Samuil Solomonovich

Moscow Technical University of Communication and Information Sciens (Volgo-Vyatskiy Branch).

E-mail: zelmanss@yandex.ru.

15, Mendeleev street, Nizhny Novgorod, 603011, Russia.

Phone: +78312457505.

УДК 621.396

Ю.М. Туляков ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СОТОВОЙ И «ШИРОКОЗОНОВОЙ» СИСТЕМ СВЯЗИ

Дается оценка эффективности дополнения сотовых систем «широкозонными»

()

связи с заданной помехоустойчивостью. Определяется методика оценка повышения пространственной надежности за счет такого дополнения.

Помехоустойчивость и надежность связи; сотовая и радиальная связь; вероятность ; .

Yu.M. Tulyakov EFFICIENCY OF INTERACTION OF THE CELLULAR COMMUNICATION SYSTEM AND SYSTEM WITH THE BIG RADIUS OF ACTION

The estimation of efficiency of the cellular systems added with radial systems of communications, is made. Criterion of an estimation is spatial reliability of communication with the specified noise stability. The technique of an estimation of increase of spatial reliability at the expense of such addition is defined.

Noise stability and reliability of communication; Cellular and radial communication; Probability of an error; Integrated function of distribution ofprobability of a random variable.

Сотовые системы подвижной связи обладают рядом преимуществ по сравнению с «широкозоновыми» наземными системами, строящимися в основном на радиальных или много радиальных принципах. При радиальном построении системы связи базовые станции (БС) работают синхронно с одинаковыми сигналами,

« ». -( ). -

темах стараются увеличить зону действия каждой БС, например, за счет увеличения мощности ее радиопередатчика, повышения чувствительности радиоприем-( ) .

Из-за того, что все абоненты находятся в такой единой зоне, абонентские трафиковые возможности таких систем весьма ограничены, чего нельзя сказать о системах сотовой связи, в которых ограниченные размеры зоны действия БС (со), ( , ), -ны, главным образом, способностью обслужить (пропустить трафик) необходимого количества абонентов.

Несмотря на такое явное преимущество сотовых систем, особенностью их является отсутствие 100 %-го охвата связью всей территории обслуживаемого региона (например, области). Скорее всего, это связано не с техническими проблемами, а с коммерческим подходом операторов сотовой связи - охватить связью, главным об, .

Для использования достоинств и исключения недостатков этих двух видов систем в [1] предлагается дополнить сотовые системы связи радиальными системами. Зона действия радиальной системы «накладывается» на зоны действия (соты) сотовой связи и тем самым восполняет своей связью участки неохваченные связью со. , , -дается сотовой связи. Радиальная система может работать на основе протоколов и

, « », « » . Рассмотрим эффективность такого взаимодействия сотовой и радиальных систем по основному показателю систем подвижной связи - полноте покрытия ею

. -теризовать пространственной надежностью - £ [2]. Она показывает, какой процент территории региона охвачен связью с заданной помехоустойчивостью (заданным ). , « заданной помехоустойчивостью». Так, при £ = 100 % имеет место полное покры-.

для различных регионов показывает, что существующая пространственная надежность достигает от 60 % и максимум до 75 %.

На рис. 1 упрощенно показаны в абстрагированном виде зоны (площади) действия сотовой и радиальной систем: пунктирная линия (окружность) - граница зоны действия радиальной системы с площадью этой зоны - Ярс; сплошными ли-

- ( ) -

П

Ясс= Е ПБС/ , с п числом базовых станций (БС), каждая из которых обслуживает /' = 1

свою зону площадью ЯБС1 (это условие практически сохраняется и для случая, когда БС сотовой связи может секторно переориентировать направление своего дей). , может дополнить отсутствие сотовой связи, плошадью - Пти. Из рис. 1 видно, что

ПДОП= Прс - ПСС. (1)

Участки зоны действия радиальной системы, дополняющие зоны действия сотовой связи

Граница зоны действия радиальной системы

Рис. 1. Упрощенное представление зон действие сотовой связи и радиальной системы, дополняющей сотовую сеть

Пространственная надежность для заданной площади обслуживаемого региона П рег соответственно определится:

п

Ярс=100( Прс/ П рег); £с=100( 1и Прег) = 100[( ЕПБСл )/ Прег], % . (2)

/ =1

Повышение надежности за счет радиальной системы определится

п

ЯдоП = Яре - £с = 100{( Прс/ Прег) - [( ЕПБСл )/ Прег]}, % . (3)

/ =1

Заметим, что радиальная и даже много радиальная (радиально-зоновая) система не всегда покрывает связью всю территорию региона (см. рис.1) в отличии от абстрагированного случая на рис. 2, где П рег= П^. Например, при Ясс = 75 % и Ярс= 90 % и

,

оказывается меньше зоны действия сотовой связи, получим £доо = 15 %.

Пространственная надежность и ее зависимость от расстояния до БС.

Как указывалось выше, пространственная надежность рассматривается как процент территории зоны обслуживания системой связи, в которой связь осуществляется с заданным качеством, т.е. когда допустимая вероятность ошибки принимаемых сигналов (требуемое отношение сигнал/помеха) сохраняется в заданных пределах. С другой стороны, пространственную надежность можно трактовать по иному, как вероятность наличия (или превышения) требуемого отношения сигнал/помеха в зоне (или участках зоны) действия системы, и такую надежность правильнее назвать, как отмечалось выше, «пространственной надежностью при

».

В свою очередь пространственная надежность связи зависит от характеристик распространения и флуктуаций уровня сигнала - Ес и заданного минимально допустимого (порогового) уровня сигнала в зоне действия системы - Есо, и может быть оценена вероятностью превышения (или равенства) этого порогового уровня уровнем сигнала в канале - р. При известных функциях распределения вероятности для уровня сигнала ЩЕС) надежность будет определяться в процентах интегральной функцией

Я% = р(Ес > Есо)Ю0 = 100 Есс №(ЕС)<ЗЕС , %. (4)

Для подвижной наземной связи наибольшее применение находят радиоволны

( ) ( ) . -вует ряд моделей, характеризующих уровневую структуру радиоволн этих диапазонов при распространении в различных условиях (в условиях города, открытой равнинной местности и т.д.) [2,3,4,5]. Наиболее сложными условиями распространения радиоволн являются условия распространения в условиях города, которые и возьмем за основу дальнейшей оценки. Такой выбор можно считать вполне оправ, , для которых модели отличаются в основном за счет исключения или изменения отдельных эмпирических и расчетных коэффициентов.

Для условий распространения радиосигналов в условиях города, структура распространения которых представляется сложной многолучевой, надежность связи в зоне действия БС (пространственная надежность) в зависимости от расстояния до БС определяется [2,3,4] в виде

Б%0(Я’) = 100

42П<т/\п - в я'

ехр

Я' -

Е1М - Еп - р п - в

2[а/(п -в)]2

ЛЯ' =

(5)

= 501 -Ф

Я'(п -в) - Ем + Еп + р

а

где Ф(х) = (2 /л/2п )^ехр( -г2 / 2 )& - табулированная функция Крампа,

Е\м - математическое ожидание уровня (в дБ) сигнала (на улицах или в помещениях зданий города) на «единичном» Я = 1; Я -101^ (здесь Я - расстояние от базовой

относительно единицы измерения длины, например, отно-

,

сительно 1 км); а/\п - /?|= - среднеквадратическое отклонение распределения

£%(Я -1; а - среднеквадратическое отклонение для пространственных флуктуаций уровня сигнала и затуханий уровня сигнала при проникновении в помещения зданий, дБ; п - показатель потерь (затухания ) уровня поля сигнала, величина которого определяется типом модели, выбранной для оценки распространения радиоволн в условиях города; $ - коэффициент, характеризующий интенсивность убывания

уровня суммарных радиопомех с ростом Я; Еп +р' - величины, определяемые из

требуемого порогового уровня сигнала Ес0 = Е^ - \0filg Я + р , дБ, Ея- уровень помех, характерный ближней зоне базовой (передающей) станции, дБ, р - отношение сигнал/помеха по мощности (дБ), определяемое для минимально допустимых значений помехоустойчивости (вероятности ошибки принимаемых сигналов) в канале с постоянными параметрами и флуктуационной помехой. Заметим, что вели-

1 , -тенн БС и параметрами выбранной модели распространения радиоволн и в том чис-п.

Пространственная надежность при взаимодействии сотовой и радиальной систем. На рис. 2, в качестве упрощенного примера, показаны зоны действия одной базовой станции сотовой связи - БСсс и одной базовой станции радиальной системы

- БСрс с совмещенными координатами их расположения. Зона действия БСсс ограничена радиусом Ясс, определяемым требуемой надежностью - £ (например, £ =90 %), а зона действия БСрс - радиусом - Ярс при такой же надежности £. На рис. 2 видно, что Ярс > Ясс. Объяснение этому является большая излучаемая мощность радиопередатчиков и высоты подвеса антенн БСрс по сравнению с БСсс и как следствие, увеличение величины £ш (см. (5)) радиальной системы, т.е. £Шрс >£шсс.

Другой особенностью взаимодействия сотовой и радиальной систем является приоритет работы сотовой системы над работой с радиальной системой в условиях, когда сотовая связь удовлетворяет требуемому качеству (требуемой надежности). Иными словами радиальная система является дополняющей (вспомогатель-) .

, . 2, , -считаны по (5) и показаны на рис. 3 графики пространственной надежности для сотовой и радиальной БС в зависимости от нормированного расстояния до БС относительно расстояния Я '99н сс с надежностью 99 % сотовой системы, приведенного согласно (5) к виду [(п-Д)Я '99н сс]. По оси абсцисс откладываются приращения расстояния [(п-/?) * (Я99н СС+Д Я)] в масштабе нормирующего расстояния.

2

1

Рис. 2. Зоны действия базовой станций сотовой связи - БСсс и базовой станции радиальной системы - БСрс. с совмещенными координатами га расположения: а - без учета доли участка обслуживаемого региона, б - с учетом доли участка обслуживаемого региона радиусом рег

РС

О*. = * = <. от 1

. /

/ \

V / / \

\ / / / / \

\ у V <>ч А /

ч / /

Ч / / г ' / _ Г/ — дБ

О ^ 1 I 4 5 ^ III» ^11 »1 «I

[(п-р) * /? * Л \кг] [(П-Р> * К Шрс]

йпкяняла

(т-р) • т-^*лю]

Рис. 3. Пространственная надежность сотовой и радиальных систем (БС) при нормировании расстояния до базовой станции к расстоянию (п-Р)К'99п «• с надежностью 8=99 % для сотовой систем

На этой оси также отмечено нормированное расстояние математических ожиданий [(п-р)Яш рс] для радиальной системы и [(п-/?)Ям сс] для сотовой системы. Обе кривые построены для одинакового значения среднеквадратического отклонения распределений надежности =Ы\п-^то^. Кажущееся отличие для этих кривых объясняется различием для них масштаба по оси абсцисс, сравните величины математических ожиданий (п-Д)Я'м сс (при £=50 % для сотовой системы) и (п-Д)Я'м рС (при £=50 % для радиальной системы).

Сопоставление зависимостей на рис. 3 показывает, что основным парамет-, ( ), можно считать их математическое ожидание. Согласно интегральной функции (5)

М = Мк, =

Ещ - ЕП - Р' п-в

(6)

и изменение £ш от величины £шсс Д° величины £шрс изменяет математическое ожидание М на величину

Ещрс - ЕП -р ЕШсс -Еп-р'

АМ=-

п - в

п -в

или

АМ(п в) ЕШрс Е1Мсс.

(7)

Для определения величины изменения надежности при изменение математического ожидания от М (с надежностью £0) ДО М+АМ (с надежностью £дм) можно записать

где хп - пороговый уровень сигнала, удовлетворяющий требуемой помехоустойчивости (расстояние от БС, на котором это условие соблюдается), £ (без процентов) = ^-вероятность, Я -х;

Эта зависимость может быть преобразована к виду, основанному на использовании табулированных функций, и позволяет сделать заключение, что величина £ , -иться в трехмерных координатах. Чтобы построить график этой зависимости в двумерных координатах (для практически удобного пользования), необходимо одну из переменных принимать как фиксированный параметр. Для этого введем величину Амп = (ДМ - хп Уоя'. Тогда будем иметь ДМ/оя = х п/оя + Дмп и х п/оя' = ДМ аЯ' - Дмп. Задаваясь фиксированной величиной Дмп, определяющую переменную (ДМ - хп )/етЯ', и изменяя другую переменную х п / о Я' с последующим уточнением Д М/а Я', можно построить график зависимости Д£=Е(ДМ/о Я').

, ,

(ДМ - хп)/ег Я' предельную (нормирующую) величину надежности £н. Проведя расчеты величины £н для задаваемых значений Дмп, ее можно использовать также

£, -

пользования (например, на рис. 3 такой величиной могут быть значения £ при нормирующих расстояниях [(п-/Т)Я '99н], соответствующих сотовой [(п - р)Я '99н сс] радиальной [(п-$)Я '99н рс] систем.

На рис. 4 построено семейство зависимостей Д£=Е(ДМ/ег Я') (для Д£ в процентах) при различных фиксированных, практически полезных, значениях величины £н. Заметим, что величина хп, соответствующая Яп, может служить расстоянием до базовой станции, на котором производится оценка надежности связи или

. £ = 99 % -

зоваться для случаев, представленных на рис. 3, остальные кривые могут приме-

няться для других практически встречающихся случаев при £н = 70 % и £н = 50 %.

,

надежности при внедрении радиальной системы в сотовую сеть, за счет сопоставления медианных уровней их сигналов на «единичном расстоянии» от БС £шрс и £1Мсс по (7), которые могут легко рассчитываться для принятых моделей распространения радиоволн или определяться путем немногочисленных контрольных измерений уровня электромагнитных волн.

Полезно заметить, поскольку Я' в выражении (5) является логарифмом величины Я (Я -101^'), и площадь круга с радиусом Я определяется П = яЯ2, то зависимость пространственной надежности от расстояния до базовой станции можно использовать для определения площади зоны действия системы с заданной надежностью или для нахождения доли этой площади относительно площади нормирования с удобной для оценки величиной Ян и площадью Ян = яЯн2 в виде

Я/Ян = лЯ2/(лЯн2) = Я2/(ЯН2) или (Я/Ян)' = 101я[Я2/ (Ян2)] = 201я(Я/Ян), дБ. Возможно и использование «обратного» перехода от площади П к радиусу Я, применяя известную взаимосвязь Я =^П/ п .

Рис. 4. Изменение (увеличение) надежности при изменениях математических ожидании уровня сигнала за счет добавления радиальной системы к сотовой

Оценка надежности при действии нескольких БСсс в зоне действия радиальной системы с одной БСрс. Таким образом, для упрощенного варианта рис. 2,а определены все необходимые характеристики оценки и сама методика оценки пространственной надежности радиально - сотовой системы. В реальных возможных ситуациях зоны действия сотовой сети внутри зоны радиальной системы как по ко, , отличаются от рассмотренного случая (см. рис. 1) и является более громоздкой задачей. Для наглядности на рис. 5 представлены частные случаи этой задачи.

На рис. 5 показаны два случая: а) - случай с одной БСрс и одной БСсс, с различными координатами их размещения; б) - с тремя «смещенными» БСсс относительно координат одной БСрс. Велич ины AЯ показывают расстояние смещения координат БСсс от координат БСрс.

Рис. 5. Зоны действия БСрс и БСсс с различными координатами га размещения: а - для одной БСсс, б - для случая с тремя БСсс

Для использования вышерассмотренной методики необходима коррекция

Я ,

или ДЯ -101^ДЯ, размещения БСсс относительно размещения БСрс. Такая коррекция делается для каждой БСсс с использованием соотношения (5), и затем определяется увеличение надежности Д^Д^д^д.) за счет радиальной системы по мето-

дике, основанной на соотношениях (5) и (8). Возможен дополнительный, для удобства, расчет зависимостей Д£=Р(ДМ/ о Я.), но при этом необходимо учитывать, что подобные рассчитанные зависимости, приводимые на рис. 4, сделаны для изменения величины математического ожидания ДМ, которое сохраняется, а дополни-

Я.

Для определения суммарного увеличения надежности Д^ за счет рассчитанных значений Д^двлд'), Д^д^д), Д£(дклд) для каждой БСсс проведем оценку на основе площадей зон действия обеих систем. Площади увеличения зоны действия за счет радиальной системы для зоны каждой БСсс в отдельности составят

А#1 = Д>с - Лесь А/72 = Т7РС - Т7сс2 ; АД = ПРС - ПСС1 и т.д,

- ( ),

Яса - площадь зоны действия каждой БСсс.

Откуда ЯСС1 = 1Гр£ — ДП1; Я^-^ = Яр^- — ^^2; = ^рс — ДЯ^ .

Тогда суммарное увеличение площади зоны действия при п БСсс будет определяться

П

АПЪ =ЯРС -(ЯРС -ДД +ЯРС -АП2 +ПРС - ДЯ; )= ( £Ш,) - (п -1 )ПРС . (9)

1 =0

Поскольку пространственная надежность характеризует размеры зон действия с заданной помехоустойчивостью, то для суммарного увеличения надежности согласно (2) и (3) можно записать

п

= ('^Ш^(АЯ'1Я')) - (п - 1)ЯРС . (9')

1=0

При расчетах следует учесть, как упоминалось выше, что соотношение пло-( )

(расстояния) в лагорифмическом виде как 10^(Я/ЯН)=10^[Я2/(ЯН2)]=20^(Я/ЯН), дБ.

(9 )

, . 1 5.

Пространственная надежность при добавлении к сотовой сети многорадиальной системы. Для много радиальной системы, например, с т количеством

,

. ,

приходится часть обслуживаемого региона, £Крс < 100 %, (см. рис. 2,6) и увеличение надежности в зоне действия такой БСрс происходит относительно этой величины. С учетом этого условия суммарное повышение пространственной надежности в регионе за счет добавления много радиальной системы будет определяться

т

Д<%РС = 2 , (10)

1 =0

где ШЯ; - увеличение надежности за счет каждой БСрс.

.

счет взаимодействия сотовых и радиальных систем показывает его эффективность за счет повышением пространственной надежности, увеличения зоны действия и .

надежности за счет добавления радиальных систем к сотовым системам связи получены необходимые соотношения и даны рекомендации их применения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Туляков Ю.М. Система сотовой связи. Заявка на изобретение № 2009109960 от 20.03.2009.

2. Туляков Ю.М. Системы персонального радиовызова. - М.: Радио и связь, 1988. - 168 с.

3. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. УХ. Джейкса: Пер. с англ. / Под ред. М.С. Ярлыкова, МБ. Чернякова. - М.: Связь, 1979. - 520 с.

4. Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер. с англ./ Под ред. Пышкина И.М. - М.: Радио и связь, 1985. - 395 с.

5. Милютин Е.Р., Василенко ГО. Повышение точности расчета ослабления поля с помощью калибровки и цифровых карт местности // Электросвязь. - 2004. - № 2. - С. 38-40.

Туляков Юрий Михайлович

Московский технический университет связи и информатики (Волго-Вятский филиал). E-mail: yu.m.tulyakov@rambler.ru.

603006, . , . , . 15, . 15.

Тел.: 89107901111.

Tulyakov Yuri Mihaiylovich

Moscow Technical University of Communication and Information Sciens (Volgo-Vyatskiy Branch).

E-mail: yu.m.tulyakov@rambler.ru.

15-15, Osharskaja street, Nijniy Novgorod, 603006, Russia.

Phone: +79107901111.