CC BY
74
/88 Civil Securitiy Technology, Vol. 7, 2010, No. 3 (25)
УДК 621.396.2
Использование зон перекрытия сот как дополнительный ресурс повышения эффективности радиосвязи в чрезвычайных ситуациях
С.А. Качанов, Н.В. Медведев
Аннотация
В работе предлагается алгоритм организации доступа для увеличения эффективности использования ресурса радиоканала в сотовых сетях стандартов GSM на 25% и CDMA на 40%.
Ключевые слова: базовая станция, стандарты GSM и CDMA, абонентская станция, интенсивность возникновения запросов, зоны покрытия.
Use of Cell Overlap Zones as an Additional Recourse of Raising Radio Communication Efficiency in Emergency Situation
S. Kachanov, N. Medvedev Abstract
Article offers algorithm of approach organization for increasing efficiency of using radio channel in cell nets of GSM standard up to 25% and CDMA up to 40%.
Key words: basic station, GSM and CDMA standards, user station, claims intensity, coverage zones.
Один из основных дополнительных ресурсов для повышения эффективности использования радиоканала в чрезвычайных ситуациях связан с перекрытиями зон обслуживания базовых станций (БС), которые необходимы для обеспечения непрерывной связи. В работе [1] показано, что при усовершенствовании процедуры управления доступом можно поднять пиковую нагрузку системы без дополнительного увеличения ресурса.
Рассмотрим задачу управления ресурсом доступа, сосредоточенным в областях перекрытий сот.
В сотовых сетях планирование покрытия территории всегда выполняется с перекрытием соседних сот. В работе [2] показано, что в сотовых системах стандарта CDMA радиус зоны связи может доходить до 1,9 радиуса соты, и поэтому возможны зоны с трехкратным и даже четырехкратным перекрытием. В то же время в си-
стемах стандарта GSM радиус зоны связи обычно не превышает 1,4 радиуса соты.
Таким образом, при нахождении в зонах перекрытия абонентская станция (АС) может работать с любой из БС, а в стандарте CDMA — даже с несколькими. При этом естественно, что в случае чрезвычайной ситуации имеет смысл ввести усовершенствование управления доступом, в котором для подключения используется наименее загруженная БС, что позволит рационально распределять нагрузку и в конечном счете обеспечивать заданные характеристики по показателям отказов.
В качестве модели системы массового обслуживания, как и в работе [3], будем рассматривать модель с пуассоновским потоком требований с интенсивностью X, показательным законом обслуживания с интенсивностью р и дисциплиной обслуживания с чистыми потерями.
Рассмотрим количественные соотношения для анализа достижимого выигрыша при использовании зон перекрытия, в соответствии с результатами работ [4,5], для стационарного распределения нагрузки в условиях однородного покрытия площади сотами с перекрытием зон.
Кратность перекрытия к может изменяться до максимально возможной кратности покрытия территории в сотовой сети, т. е. до 4 [6].
Введем следующие обозначения.
Суммарную интенсивность входящих запросов на площади радиосвязи БС с к-кратным покрытием обозначим Хк . Примем, вслед за [6], модель с равномерным распределением плотности интенсивности возникновения запросов по территории, при этом
Его решение дает следующий результат:
Хк = ХС^ ■ к.
к с '
(1)
где: Хс — общая суммарная интенсивность возникновения запросов на территории выделенного сектора соты, Бк — площадь выделенного сектора, на котором наблюдается к-кратное покрытие, Бс — общая площадь выделенного сектора соты.
Выражение (1) означает, что интенсивности Хк (к = 1,2,..., К ) пропорциональны относительным площадям к-кратных покрытий в пределах зоны радиосвязи выделенной БС. х
Очевидно, что величина — будет определять инк
тенсивность возникновения запросов на территории к-кратного покрытия, находящегося на территории
К Х
сектора соты. То есть £— = ХС — средняя интенсив-
к=1 к
ность входящего потока в расчете на сектор соты.
Определим через Р. — вероятность нахождения в системе I — требований в установившемся режиме.
В работе [4] для практических приложений, когда при к>3 Хк ~ 0 показано, что вполне допустимо ограничиться приближением:
Хс ~Х + Х2х + Хх2,
(2)
где х = £ Р .
1=к
т2. (3)
N 1
*= £Р = 2
Н<) 2
На рис. 1 показана зависимость х = £ Р! от значе-
„ Х2 1 = «
ния отношения интенсивностей — возникновения за-
Хз
просов в зонах двойного и тройного покрытия.
Очевидно, что решение находится в пределах значения 0,5.
В предположении равномерной поверхностной плотности распределения интенсивности входящих запросов предположены замены Х ^ Sk, ХХ ^ — 42.
Х
3 S3
В работе [5] найдено соотношение для Б{, Б2, Бу
(язи _
= гс, в приближении круговых зон связи дающее
возможность производить оценки предельных нагрузок.
Полученные соотношения (4) можно использовать
2 S2
для расчета зависимости--2 от гс, представленной
3 Sз
на рис. 2.
Как можно видеть, даже при предельном значении
с гс =у/3 значение — = — — остается порядка 0,1, что Х3 3 Sз
N
обеспечивает в расчете по (3) £ Р! ~ 0,57.
1=( /)
N
£Р, 0,58
0,56 --
0,54 -
0,52 --
Х2
10
Рис.1. Зависимость х = £ р
от интенсивностеи возникновения запросов в зонах двойного и тройного покрытия
Г
Г
0
/90
Civil Securitiy Technology, Vol. 7, 2010, No. 3 (25)
2 S2
13 sT 1 ■ 103
100 --
10 -
1 --
0,1 -
0,01
Рис. 2. Зависимость отношения площадей 2-кратного и 3-кратного перекрытий от параметра гс, задающего запас
по дальности связи для БС
r
c
Расчетная формула для вероятности полной загрузки БС записывается в виде:
Л"
Если же обратиться к рис. 4, то можно получить
J_
1 N! 4
у k (S"S )
n 4k-1
И k=1 4
N 1 1 K
у 1 (Xc у
=( i)J
(SJSC)
y-«
(5)
n k=
где: Sk (k = 1,2,3) — определяются согласно (4), Xc — интенсивность входящих запросов, рассчитанная на соту (или сектор соты).
Рассмотрим предельный уровень нагрузки на соту для рассмотренной модели (5). Предположим, например, что обслуживание каждого вызова длится ровно ц-1 = 40 секунд и на БС доступно 66 абонентских каналов.
Тогда при организации управления потоком входных запросов потенциально достижимым будет уровень интенсивности, равный Xc max = 66/40 = 1,65. При традиционной же организации доступа, как можно видеть из результатов эксперимента, уровень потерь соединений из-за перегрузок порядка 0,01, обеспечивается при Xc = 1,04 [выз./(БС*с)].
То есть обеспечивается средний уровень использования ресурса радиоканала
Р„а « ^100% « 63,0%.
1,65
Применение адаптивного алгоритма доступа при радиусе связи, превосходящем радиус соты в 1,3 раза, как видно из рис. 3, позволяет достигнуть уровня использования радиоканала
1 29
р(1,3) « —100% « 78,2%.
1,65
Это означает, что для систем стандарта GSM можно обеспечить повышение эффективности использования радиоканала на 15%, путем усовершенствования алгоритма организации доступа.
1,46
р(1,75) 100% = 1,65
8,5% .
То есть для сотовых сетей с организацией разделения каналов по стандарту CDMA потенциальный уровень использования ресурса радиоканала оказывается большим, чем для систем GSM, примерно на 10%. Общий же выигрыш от введения предлагаемого управления доступом в сети стандарта CDMA достигает 25% в повышении эффективности использования ресурса радиоканала.
Если выигрыш измерять в единицах увеличения предельной нагрузочной способности в «час наибольшей нагрузки» (ЧНН) — период времени, в течение которого загрузка в сети становится максимальной, то выигрыш оказывается несколько большим. Это объясняется тем, что в этом случае в качестве базового значения выступает не потенциально достижимый уровень, а значительно меньшее значение, определяемое предельной нагрузкой системы с традиционной организацией доступа. Для сетей стандарта GSM при этом получаем РЧНН « 24%, а для стандарта CDMA Р ЧНН « 40%.
На основании этого можно сделать вывод, что проведенные исследования подтвердили возможность увеличения эффективности использования ресурса радиоканала в сотовых сетях стандартов GSM и CDMA в результате введения в них предлагаемого алгоритма организации доступа. Получены расчетные формулы, позволяющие оценить выигрыш в абонентской емкости сотовых систем при использовании предлагаемого алгоритма. Проведенные расчеты и имитационное моделирование показали, что в системах CDMA при использовании алгоритма выбора выигрыш в абонентской емкости может достигать 40%, а в системах GSM — 25%.
Интенсивность потока входящих запросов на соту
Рис. 3. Зависимости вероятности возникновения отказов в соединении от интенсивности входящих запросов
при запасе по дальности связи 1,3 (GSM)
N
Уровень потерь
Гс = 1,75
Традиционный метод лУ
/ J Г N Допустимый уровень потерь, устанавливаемый рекомендациями
А ЧЧЧЧПредлагаемый адаптивный вариант
-1 \ Теоретический расчет по (4.18)
1,000 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,600 %c [выз./с.] Интенсивность потока входящих запросов на соту
Рис. 4. Зависимости вероятности возникновения отказов в соединении от интенсивности входящих запросов
при запасе по дальности связи 1,75 (CDMA)
Литература
1. Шорин О.А., Тимофеев И.М. Алгоритм планирования радиочастот // Труды межд. конф. «Телекоммуникационные и вычислительные системы». М.: МТУСИ, 2001.
2. Демьянов А.И. Оценка параметров скачков нагрузки в сотовых сетях подвижной связи // Электросвязь, 2002. № 1. С. 33—36.
3. Башарин Г.П. Лекции по математической теории телетрафика. М.: Изд-во РУДН, 2004. 186 с.
4. Ojanpera T., Prasad R. Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications. London: Artech House Publishers, 1998.
5. Prasad R., Mohr W., Konhauser W. Third Generation Mobile Communication Systems. London: Artech House Publishers, 2000.
6. Procedures for simulation mature deployment of cellular networks in the mobile service/ Doc ITU-R 8F/24-E. 2000.
Сведения об авторах:
Качанов Сергей Алексеевич, д.т.н., профессор, ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), заместитель начальника института по научной работе, 121352, г. Москва, ул. Давыдковская, 7.
Медведев Николай Викторович, к.т.н., доцент, МГТУ им. Н.Э. Баумана, начальник научно-исследовательской лаборатории, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, стр. 1.
