CC BY
91
УДК 681.3.001.63
Р. Р. Мухаджинов
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ «РАЗМЕЩЕНИЕ СТАНЦИЙ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ»
Введение
От рационального размещения станций мобильной связи в значительной степени зависит повышение эффективности систем мобильной связи, поскольку процесс размещения и эксплуатации станций связан с большими ресурсными затратами. Неправильное размещение может привести к большим издержкам ввиду необходимости размещения дополнительных станций. К сожалению, размещение станций мобильной связи часто жестко регламентировано социальными факторами, не имеющими прямого отношения к системам связи (защита от хищения, порчи, возможные протесты населения в жилых многоэтажных домах). Однако, несмотря на это, всегда имеются определенные варианты по размещению станций.
Об одном из вариантов решения задачи «Размещение станций мобильной связи»
Ниже рассматривается задача поиска оптимального положения базовых станций (БС) системы подвижной связи в зоне обслуживания произвольной формы. Положение БС определяется из условия обеспечения заданного уровня сигнала в каждой точке зоны обслуживания. При этом учитываются отражения от земной поверхности и от объектов урбанистической застройки. При проектировании мобильных систем связи необходимо решать задачу оптимизации положения БС в зоне обслуживания. Оптимальным считается такое положение, при котором заданный уровень качества сигнала min P (x, y) > P0 (Р0 - минимально допустимая мощность сигнала,
x, ye G
принимаемого мобильной станцией (МС); G - зона покрытия сети) обеспечивается в любой точке зоны обслуживания при минимальном числе БС. Условие минимизации количества БС -
min 2 Ci ■ Ki ,
i
где Ci - стоимость i-й станции; Ki - количество станций i-го типа.
Наиболее просто данная задача решается для случая, когда земная поверхность может быть аппроксимирована плоскостью, а для объектов застройки выполняется критерий Релея [1]. Сигнал в этом случае может быть представлен в виде суммы прямого сигнала и сигнала, отраженного от земной поверхности. Его уровень определяется электрофизическими параметрами земной поверхности в точке отражения. Положение точки отражения определяется высотой антенн БС и МС. В условиях урбанистической застройки определение сигнала в точке приема существенно усложняется, поскольку приходится учитывать дополнительные сигналы, переотра-женные от объектов застройки [2]. Нами рассматривается задача оптимизации положения БС в зоне обслуживания при наличии в ней искусственных и естественных препятствий. Для определения условий приема сигналов в различных точках зоны обслуживания она делится на микроячейки, в которых определяется уровень сигнала БС с учетом возможных отражений от естественных и искусственных препятствий. В качестве препятствий рассматриваются одиночные постройки, естественные перепады высоты, а также участки поверхности со скачкообразным изменением электрофизических параметров. Здания различного типа при решении задачи заменяются параллелограммами, габаритные размеры которых соответствуют размерам зданий, а граничные условия на их поверхности моделируют процессы отражения от реальных объектов. Наличие оконных проемов не учитывается. При определении условий приема в каждой микроячейке учитываются только лучи, претерпевшие не больше чем два отражения, поскольку при большем количестве отражений уровень такого сигнала в точке приема настолько мал, что им можно пренебречь. В случае, когда МС находится вне зоны прямой видимости антенны БС, считается, что сигнал в точке ее расположения определяется дифракцией плоской электромагнитной волны, возбуждаемой антенной БС, на краях крыш. Влияние искусственных и естест-
венных препятствий приводит к появлению теневых зон в зоне обслуживания, которые ухудшают качество работы системы связи. Уровень сигнала в точке приема оценивается в приближении метода физической оптики. Поставленная задача решается в два этапа. На первом этапе методами генетического поиска определяется такое положение БС в зоне обслуживания, при котором площадь теневых зон оказывается минимальной [3]. Использование таких методов поиска точек размещения позволяет существенным образом сократить время, необходимое для решения задачи. На втором этапе производится поиск теневых зон, обусловленных интерференцией основного сигнала с отраженными сигналами от подстилающей поверхности и объектов урбанистической застройки. После того как определены максимальные размеры теневых зон и влияние на их положение погодных условий, проводится поиск оптимального расположения дополнительных пассивных ретрансляторов, обеспечивающих приемлемый уровень сигнала приемопередающих станций в теневых зонах.
Схема поиска осуществляется следующим образом [3, 4].
На первом этапе случайным образом формируются несколько вариантов решения задачи (хромосомы). На втором этапе над этими хромосомами производятся генетические операции скрещивания (кроссинговер, (рис. 1, 2)) и мутация (рис. 3).
б
Рис. 1. Схема кроссинговера: а - до кроссинговера; б - после кроссинговера; х - точка разрыва (кроссинговера)
/
/
Рис. 2. Схема двойного кроссинговера: а - до кроссинговера; б - во время кроссинговера; в - после кроссинговера
Рис. 3. Схема мутации: а - до мутации; б - после мутации
а
а
б
в
б
На третьем этапе производится анализ выживания хромосом, по целевой функции определяются лучшие варианты решения задачи.
Далее хромосомами с наилучшими показателями по целевой функции выполняем второй и третий этапы поиска до нахождения решения задачи.
Заключение
Для реализации алгоритма необходимо разработать программный продукт. Данный продукт должен включать в себя описание алгоритма решения данной задачи, В настоящее данный программный продукт разработан и готовится заявка на его фиксацию в банке алгоритмов программ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маковеева М. М., Шинаков Ю. С. Системы связи с подвижными объектами: учеб. пособие для вузов. -М.: Радио и связь, 2002. - 440 с.
2. Попов В. И. Основы сотовой связи стандарта GSM. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 296 с.
3. Курейчик В. М. Генетические алгоритмы: учеб. для вузов. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. - 122 с.
4. Батищев Д. И. Генетические алгоритмы решения экстремальных задач: учеб. пособие. - Воронеж:
ВГТУ, 1995. - 65 с.
Статья поступила в редакцию 16.12.2008
APPLICATION OF GENETIC ALGORITHM TO THE DECISION OF THE PROBLEM "ARRANGEMENT OF STATIONS OF MOBILE COMMUNICATION SYSTEMS”
R. R. Mukhadginov
At designing a network of mobile communication systems the rational arrangement of Base Stations (BS) is one of the most basic problems. The methods of arrangement influence both quality of communication and financial expenses for network expansion (quantity of stations and a place of BS arrangement and maintenance service). The method of arrangement with the help of genetic algorithm (GA) is considered. The algorithm of search and basic GA functions is described. The signal power and financial expenses on arrangement and operation of the equipment are chosen as objective functions. The algorithm for calculation of minimum quantity of BS on the set area which covers the territory at the minimal economic expenses is described.
Key words: arrangement, genetic algorithm, power, objective function, Base Station, designing, maintenance service, quality of communication.
