CC BY
103
УДК 381.324:621.394.79
Рассматриваются особенности программных средств, используемых для планирования сетей радиосвязи. Приводится пример решения задачи Парето-оптимизации при планировании сотовых сетей связи. Дается описание созданного пакета программ для нахождения оптимальных проектных вариантов сетей с учетом совокупности показателей качества.
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ РАДИОСВЯЗИ Часть 2. Программные средства многокритериальной оптимизации сетей радиосвязи
В.М. Безрук
Доктор технических наук, профессор кафедры* Контактный телефон: +380-67-722-31-18 е-mail: bezruk@kture.kharkov.ua
Д.В. Чеботарёва
Ассистент кафедры Контактный телефон: +380-63-380-02-63 е-mail: dasha-che@ukr.net
А.В. Анищенко
Студент кафедры* Контактный телефон: +380-93-807-95-52
*Кафедра «Сети связи» Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, Украина, 61166
1. Введение
Выполнение требований по сокращению сроков и затрат по созданию сетей радиосвязи обеспечивает применение методов автоматизированного проектирования, которые определяет новые технологии в планировании сетей радиосвязи [1-4]. Их основу составляют реализованные на ЭВМ методы многокритериальной оптимизации сетей радиосвязи для выбора оптимальных проектных вариантов сетей с учетом совокупности показателей качества.
Поэтому актуальной задачей является разработка программных средств для реализации методов многокритериального выбора проектных вариантов сетей радиосвязи. В предыдущей части данной статьи изложена методология выбора проектных вариантов на основе теории многокритериальной оптимизации. В работах [4-6] приведены некоторые результаты решения задач оптимального планирования с учетом совокупности показателей качества на начальных этапах проектирования сетей радиосвязи.
В данной статье выполнен анализ существующих программных комплексов, используемых при планировании сетей радиосвязи. Дается описание созданного программного средства для выбора оптимальных
проектных решений при учете совокупности показателей качества. Приводится пример решения задачи планирования сотовой сети связи, который иллюстрирует особенности начальных этапов проектирования сетей радиосвязи с использованием методологии многокритериальной оптимизации.
2. Анализ существующих программных комплексов планирования сетей радиосвязи
Под планированием сети радиосвязи принято понимать процесс выбора конфигурации и параметров системы базовых станций (БС) для обеспечения: радиопокрытия заданной территории, необходимой емкости сети, высокого качества услуг связи, управляемого и экономически целесообразного расширения зоны действия сети [7,8]. При этом можно выделить несколько этапов планирования сети радиосвязи: создание начального плана сети, включающего расчет основных параметров сети и определение возможного размещение БС на обслуживаемой территории, а также последующее планирование с учетом реальной топографии (рельефа, построек), плотности абонентов и распределения их по местности,
прогнозов неравномерности трафика и т.д., анализ работы и оптимизация сети.
В настоящее время существуют несколько пакетов программ для решения задач проектирования на втором этапе планирования радиосетей. Это такие программные комплексы: PLANET, ASTRIX, RADIUS, RPS-2, которые предназначены для автоматизированного проектирования сетей радиосвязи [8]. Они используют цифровую карту местности как основу для проведения необходимых расчетов, содержат пополняемую базу данных с характеристиками антенн, передатчиков и приемников, отображают на экране схему размещения радиосети с возможностью редактирования ее элементов, позволяют проводить необходимые расчеты (уровень принимаемого сигнала, профиль радиотрассы и т.д.) с возможностью сохранения и печати результатов. В приведенном перечне зарубежные пакеты программ PLANET, ASTRIX отличаются высокой ценой и необходимостью иметь дорогостоящую рабочую станцию для их использования.
Рассмотрим некоторые возможности и основные технические характеристики указанных пакетов программ. Исходными данными для проектирования сети радиосвязи, например, сети сотовой связи, являются общие данные: стандарт; число и частоты разрешенных радиоканалов; требуемая емкость; план сети с указанием возможных пунктов размещения БС. Используются также географическая карта в цифровом виде, карта типов местности и застройки, карта рек и водоемов, карта автомагистралей, карта рельефа местности и др.
Эти программные комплексы позволяют:
■ размещать базовые станции в заданном месте рассматриваемой территории;
■ редактировать карту путем добавления пользователем отдельных препятствий из имеющегося списка;
■ анализировать системы, работающие в любом из известных стандартов, выбирая из предлагаемого списка;
■ определять для радиостанций состав оборудования из базы данных, которая может пополняться и редактироваться пользователем;
- задавать и редактировать распределение плотности трафика в рассматриваемом регионе (для систем радиодоступа, сотовых и транкинговых систем), что позволяет анализировать характеристики системы в условиях различной ее загрузки;
■ рассчитывать, отображать на экране и выдавать на печать основные характеристики анализируемой сети;
■ оптимизировать параметры планируемой сети путем изменения местоположения радиостанций, а также варьируя состав и технические характеристики размещаемого на них оборудования;
■ анализировать показатели электромагнитной совместимости планируемой сети; для решения этой задачи программа рассчитывает помехи от всех расположенных в рассматриваемом регионе передатчиков, а в случае, если несколько передатчиков находится в одном месте, выдает предупреждение о возможных интермодуляционных помехах третьего или пятого порядка;
■ отображать результаты измерений уровня принимаемого сигнала и сравнивать их с результатами расчета,
■ готовить итоговую документацию о проекте в текстовой и графической формах.
Разрабатываемый при этом проект радиосети может быть как совершенно новым, так и являться развитием уже действующей в данном регионе сети радиосвязи.
Сравнительный анализ программных комплексов, приводит к выводу о примерно одинаковых возможностях этих программ по функциональным возможностям и достигаемой точности вычислений.
Следует отметить, что указанные процедуры планирования выполняются, как правило, для заданного предварительно проекта сети радиосвязи. Отличительной особенностью настоящей работы является то, что здесь предлагается выбрать предварительный вариант сети радиосвязи в результате решения задачи многокритериальной оптимизации при учете совокупности технико-экономических показателей сети.
3. Методы выбора оптимальных проектных решений на основе теории многокритериальной оптимизации
Сети радиосвязи оцениваются не одним, а некоторой совокупностью технико-экономических показателей. Как правило, эти показатели качества сети тесно связаны и антагонистичны между собой, т.е. улучшение одного показателя приводит к ухудшению другого. Поэтому для выбора оптимальных вариантов построения таких сетей радиосвязи необходимо использовать методы многокритериальной (векторной) оптимизации [2].
Следует отметить, что для заказчика сетей желательно по каждому показателю получить наилучшее значение. Однако при связанных и антагонистичных показателях качества может быть достигнут лишь их согласованный оптимум - оптимум по критерию Парето. Такой оптимум означает, что дальнейшее улучшение каждого из показателей может быть достигнуто лишь за счет ухудшения остальных показателей качества системы.
Согласованному оптимуму в критериальном пространстве соответствует множество Парето-оптималь-ных оценок показателей качества, которые соответствуют недоминируемым вариантам сети. Вариант сети ф° включается в множество Парето, если на множестве допустимых вариантов Фд отсутствуют другие варианты системы ф, которые бы доминировали по отношению нестрогого предпочтения. В критериальном пространстве это означает включению в множество Парето соответствущих оценок показателей качества V = к(ф°)еР^) = optгV , если отсутствуют варианты сети ф, для которых выполнялось бы векторное неравенство
к(ф) > к(ф°)
(1)
Последовательно выполняя перебор и сравнение всех вариантов сетей на множестве Фд по указанному критерию Парето, выделяют подмножество Парето-оптимальных вариантов сети. Остальные варианты сети являются безусловно худшими и исключаются из дальнейшего рассмотрения.
Если найденное подмножество Парето-оптималь-ных вариантов сети оказалось узким, то в качестве начального варианта сети для последующих этапов
планирования можно использовать любой вариант из подмножества Парето, поскольку они являются несравнимыми (равноценными) между собой по критерию Парето. Обычно подмножество Парето содержит много вариантов сетей. Поэтому возникает задача сужения найденного подмножества Парето с привлечением дополнительной информации об отношениях предпочтения заказчика сети. Однако все же окончательный выбор оптимальных проектных решений должен производится лишь в пределах найденного подмножества Парето, которое получено в результате исключения безусловно худших проектных решений из множества допустимых вариантов сети Ф
В частности, для выбора единственного проектного решения из подмножества Парето может быть использована скалярная целевая функции в виде [3,4]
F(k1,k2,...,km) = Х Ск,
(2)
j=i
Здесь c. - шкалирующие коэффициенты, f.(kj) -некоторые скалярные функции полезности, являющиеся оценками полезности варианта сети по j-му показателю k.. Существуют специальные методики опроса экспертов и пакеты программ, для оценивания на практике значений коэффициентов е..
4. Пример задачи выбора оптимальных вариантов сетей радиосвязи с учетом совокупности показателей качества
Рассмотрим некоторые практические особенности применения методов многокритериальной оптимизации при планировании сетей радиосвязи на примере сетей сотовой связи (ССС). Процесс нахождения оптимальных вариантов ССС включал такие этапы:
■ задание исходного множества вариантов сетей, которые отличаются стандартами, выделенной полосой частот, количеством и активностью абонентов, обслуживаемой территорией, секторизацией и высотой подвеса антенн, мощностью передатчиков базовых станций, параметром затухания радиоволн и др.;
■ выделение множества допустимых вариантов с учетом ограничений на структуру и параметры сетей, а также ограничений на значение показателей качества;
■ выбор подмножества Парето-оптимальных вариантов сетей с использованием безусловного критерия предпочтения;
■ анализ полученных Парето-оптимальных вариантов сетей, их многомерных потенциальных характеристик и многомерных диаграмм обмена показателей качества;
■ выбор единственного варианта сети из подмножества Парето.
В рассмотренном примере было сформировано множество допустимых вариантов ССС стандарта GSM, которые определялись различными исходными данными, в частности, это планируемое количество абонентов в сети, размеры обслуживаемой территории, активность абонентов, выделенная для организации сети ширина полосы частот, размеры кластеров, допустимая вероятность блокирования вызова, процент времени ухудшения качества связи.
Выбраны такие показатели качества ССС: вероятность ошибки, емкость сети, количество базовых станций в сети, эффективность использования радиочастотного спектра, вероятность блокировки, площадь покрытия. При их оценивании были рассчитаны следующие технические параметры ССС [7]:
1. Общее число частотных каналов, выделяемых для развертывания ССС в данном городе
N = int(AF/Fk),
(3)
где т^х) - целая часть числа х; Fk - полоса частот, занимаемая одним частотным каналом ССС.
2. Число радиочастот, необходимое для обслуживания абонентов в одном секторе каждой соты,
nS = int(Nk/C -M)
(4)
3. Величина допустимой телефонной нагрузки в одном секторе одной соты или в соте (для базовых станций, имеющих антенны с круговой диаграммой направленности), которая определяется соотношениями
A = nr
l-i 1-
при Р6л<Л- (5)
ЯПП
-(Р6лЛ/^Т2),п»
A = n0+^|+2n0ln(P6jI,/^72)-^, при Рь1>Д: (6)
где п0=п5-па, па - число абонентов, которые одновременно могут использовать один частотный канал (определяется стандартом).
4. Количество абонентов, обслуживаемых базовой станцией и зависящее от числа секторов, допустимой телефонной нагрузки и активности абонентов,
NaBTS = Mint(A/в)
(7)
5. Необходимое число базовых станций на заданной территории обслуживания
NBTS = int(Na/N
aBTS> '
(8)
где N - заданное число абонентов, которых должна обслуживать ССС.
6. Радиус соты, при условии, что нагрузка распределена по всей зоне равномерно,
R =
1,21-S0
(9)
7. Величина защитного расстояния между BTS с одинаковыми частотными каналами
D=R>/3C
(10)
8. Необходимая мощность на входе приемника, определяемая с использованием первого уравнения передачи
Рпр.м5 =Р™ +Свт5 -70-26,161^,МГц)+ (11)
+13,821 ^(ЬВТ5, м) - [45 - 6,55^(ЬВТ5, м)]1§(Л, км) - а;
где GBTS - коэффициент усиления антенны БС; f -средняя частота рабочей полосы частот; - высота
подвеса антенны базовой станции; Я- радиус соты; а - полные потери в фидере, в качестве которого используется высокочастотный коаксиальный кабель. 9. Вероятность ошибки в процессе сеанса связи
(12)
(V3c-ijk
10. Эффективность использования радиоспектра, определяемая числом активных абонентов, приходящихся на единицу полосы частот на передачу (или прием)
S
Y=1,21—— (13)
nR2FkC У '
После расчета основных параметров согласно (3) - (13) проведена разработка начального частотно-территориального плана сети. Распределение базовых станций по обслуживаемой территории осуществлено с условием обеспечения пространственного разнесения БС, работающих на одинаковых частотах.
Нахождение Парето-оптимальных вариантов сетей выполнено в критериальном пространстве оценок введенных показателей качества по критерию Парето согласно (1). Единственный вариант ССС из подмножества Парето был выбран из условия экстремума
1 —
скалярной целевой функции (2) при ci =—, i = 1,7 .
5. Программный комплекс для выбора оптимальных проектных решений
Для выбора оптимальных проектных решений на основе теории многокритериальной оптимизации был разработан программный комплекс ОРТ. Программный комплекс ОРТ состоит из двух частей, которые решают следующие задачи:
1. Задание исходных данных и расчет значений совокупности показателей качества для некоторого допустимого множества вариантов ССС (программа реализована в среде MathCad).
2. Выбор подмножества Парето-оптималь-ных вариантов ССС в критериальном пространстве и сужение его до единственного варианта сети (программа реализована в среде Delphi).
Созданный программный комплекс ОРТ использован для решения указанной выше задачи оптимизации ССС по совокупности показателей качества. В
рассмотренном примере сформировано множество из 100 допустимых
вариантов ССС, которое было представлено в критериальном пространстве оценок введенных показателей качества. Для каждого варианта ССС были найдены оценки значений показателей качества, выполнено их нормирование и приведение к сопоставимому виду.
На рис. 1 для иллюстрации представлена часть интерфейса программы ОРТ.
Показана часть таблицы со значениями 14-ти показателей для 19 вариантов ССС. Имеется возможность выбора («галочкой») конкретных показателей качества, которые будут учитываться при многокритериальной оптимизации сетей. Кроме того, здесь же задаются значения коэффициентов относительной важности выбранных показателей качества.
Интерфейс также содержит ряд пиктограмм.
1. «Открыть файл матрицы» (в таблицу загружаются данные с выбранного файла для рассчитанных в первой части программного комплекса значений показателей качества для выбранных вариантов сетей).
2. «Выполнить Парето-оптимизацию» (выбираются Парето-оптимальные варианты сети и отбрасывает безусловно худшие варианты, представленые в таблице в виде символов «8»). Выводится количество отброшенных безусловно худших вариантов сетей.
3. «Выполнить выбор единственного варианта» (находится единственный вариант сети из подмножества Парето). Выводится номер наилучшего варианта сети.
4. «Построить график» (строится изображение двумерного критериального пространства для выбранных двух показателей качества).
С помощью второй части программы по критерию Парето было выделено подмножество, включа-
Рисунок 1. Интерфейс программы ОРТ.
600 Nabts_(P) 400
200
0.4 p 0.6
Рисунок 2. МДО показателей качества (числа абонентов, обслуживаемых одной базовой станцией, нагрузки,
активности абонентов) для ССС стандарта GSM.
ющее 71 вариант сети, то есть отброшено 29 безусловно худших вариантов. Из условия минимума условного критерия предпочтения в виде (2) из подмножества Парето выбран единственный вариант (№72). Он характеризуется такими исходными и рассчитанными параметрами: количество абонентов в сети - 30000; площадь обслуживаемой территории - 320 кв.км; активность абонентов - 0,025 Эрл; ширина полосы частот - 4 МГц; допустимая вероятность блокирования вызова - 0,01; процент времени ухудшения качества связи - 0,07; плотность обслуживания - 94 акт. абон./кв. км; размер кластера - 7; количество базовых станций в сети - 133; количество обслуживаемых одной БС абонентов -226; эффективность использования радиочастотного спектра - 1,61410-4 акт. абон./Гц; телефонная нагрузка - 3,326 Эрл; вероятность ошибки - 5,27740-7; угол диаграммы направленности антенн - 120 град.
В результате Парето-оптимизации получены многомерные диаграммы обмена показателей качества (МДО), имеющих антагонистический характер. Для иллюстрации некоторые МДО представлены на рис. 2. Каждая точка МДО определяет потенциально наилучшие значения каждого из показателей, которые могут быть достигнуты при фиксированных, но произвольных значениях других показателей качества.
6. Выводы
1. Рассмотрены практические особенности многокритериальной оптимизации сетей радиосвязи, которую предлагается выполнять при получении начального варианта сети для проведения традиционного частотно-территориального планирования сетей радиосвязи.
2. При этом вначале задается множество допустимых проектных вариантов сетей радиосвязи. Затем по безусловному критерию предпочтения выделяется подмножество Парето-оптимальных вариантов. И наконец, с введением условного критерия предпочтения из подмножества Парето выбирается единственный
проектный вариант, который используется на следующем этапе планирования.
3. Создан программный комплекс, реализующий предложенную методологию выбора оптимальных проектных вариантов с учетом совокупности показателей качества. Программный комплекс реализует новую технологию автоматизированного проектирования на начальном этапе планирования сетей радиосвязи.
Литература
1. Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1989.
2. Винницкий В.П., Хиленко В.В. Методы системного анализа и автоматизации проектирования телекоммуникационных сетей. - К.: Интерлинк, 2002.
3. Безрук В.М. Векторна оптимiзацiя та статистичне моделювання в автоматизованному проектуванш систем зв'язку. - Харюв: ХНУРЕ, 2002.
4. Рыбалко Д.В., Безрук В.М. Парето-оптимизация при планировании сетей сотовой связи // Пращ Мiжнародноï науково-практично'1 конференцп «Обробка сигналiв i негаусивських процеив»: Тези доповщей. - Черкаси: ЧДТУ, 2007. - С.153-155.
5. Bezruk V.M., Rybalko D.V. Automation of communication systems design // IEEE «East-West Design & Test» (Sym posium EWDTS'07).- Yerevan, 2007. - Р.581-584.
6. Безрук В.М., Рыбалко Д.В. Многокритериальная оптимизация в планировании телекоммуникационных сетей // 17-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2007): Материалы конференции. - Севастополь: Вебер, 2007. - С.338-340.
7. Емельянов В.В. Системы сотовой подвижной радиосвязи. - Харьков: Торсинг, 2007..
8. Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети: Том 2. Радиосвязь, радиовещание и телевидение. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004.
