Пример

Пусть f_c = 900 МГц, h_t, = 40 м, h_r = 5 м и d = 10 км. Оцените потери на тракте для города средней величины.

A(h_r) = (1,1 lg 900 - 0,7) 5 - (1,56 lg 900 - 0,8) дБ = 12,75 - 3,8 = 8,95 дБ,

L _дБ = 69,55 + 26,16 lg 900 - 13,82 lg 900 - 8,95 + (44,9 - 6,55 lg 40) lg 10 - 69,55 + 77,28 - 22,14 - 8,95 + 34,4 = 150,14 дБ.

Переключение

Переключение[2] — это процедура изменения "прописки" мобильного устройства с одной базовой станции на другую при переходе мобильного пользователя из од ной ячейки в другую. Переключение пользователя осуществляется в разных системах по-разному, при этом задействовано множество факторов.

Переключение может инициироваться сетью, тогда решение о переключении принимается исключительно на основе сетевых измерений сигналов, принимаемых от мобильного устройства. Существуют альтернативные схемы переключения с участием пользователя, которые позволяют мобильному устройству участвовать в принятии решения о переключении, предоставляя возможность обратной связи с сетью по сигналам, принимаемым мобильным устройством. В любом случае для принятия решения могут использоваться различные метрики производительности. Например.

· Вероятность блокирования вызова. Вероятность того, что новая ячейка окажется заблокированной вследствие превышения возможностей (пропускной способности) базовой станции. В таком случае решение о передаче мобильного устройства соседней ячейке принимается не на основе качества сигнала, а в зависимости от степени использования пропускной способности.

· Вероятность потери соединения. Вероятность того, что в процессе переключения звонок будет потерян.

· Вероятность завершения звонка. Вероятность того, что разрешенный звонок не будет прерван до его завершения.

· Вероятность неудачного переключения. Вероятность того, что переключение будет выполнено при неподходящих условиях приема.

· Вероятность блокирования переключения. Вероятность того, что переключение не будет завершено успешно.

· Вероятность переключения. Вероятность того, что до завершения разговора произойдет одно переключение.

· Частота переключений. Число переключений за единицу времени.

· Длительность прерывания. Промежуток времени в ходе переключения, в течение которого мобильный пользователь не будет соединен с базовой станцией.

· Задержка переключения. Расстояние, на которое переместится мобильное устройство от точки, где должно было произойти переключение, до точки, в которой оно действительно произошло.

Основным параметром, используемым при принятии решения о переключении, является измеренная интенсивность сигнала от мобильного устройства к базовой станции. Обычно на базовой станции сигнал усредняется по времени движения, чтобы отбросить быстрые флуктуации, возникающие вследствие эффектов многолучевого распространения. На рис. 8, а показана усредненная мощность, принимаемая на двух смежных базовых станциях от мобильного устройства, которое движется от станции А, находящейся в точке L_A, кстанции В, находящейся в точке L_B. Этот рисунок служит иллюстрацией различных стратегий переключения, используемых для определения момента переключения.

· Относительная интенсивность сигнала. Обслуживание мобильного устройства передается с базовой станции А базовой станции В в тот момент, когда интенсивность сигнала, принимаемого на станции В, впервые превысит интенсивность на станции А. Если в дальнейшем интенсивность сигнала на станции В упадет ниже значения, регистрируемого на станции А, то мобильное устройство снова будет переключено на станцию А. На рис. 8, а переключение происходит в точке L₁. В этой точке интенсивность сигнала, регистрируемого на базовой станции А, все еще достаточна, но имеет тенденцию к снижению. Поскольку вследствие эффектов многолучевого распространения интенсивность сигнала флуктуирует, то даже при усреднении мощности такой подход может дать эффект пинг-понга, когда устройство периодически переключается между двумя базовыми станциями.

Рис. 8. Переключение между двумя ячейками

Интенсивность сигнала относительно порога. Переключение происходит, если (1) сигнал на текущей базовой станции становится довольно слабым (ниже установленного порога) и если (2) появляется другой, более сильный сигнал. Смысл этой стратегии состоит в том, что пока сигнал на текущей базовой станции является достаточно сильным, переключать мобильное устройство необязательно. Если использовать большой порог, например Th₁ эта схема будет равносильна схеме с определением относительной интенсивности сигнала. При пороговом значении Th₂ переключение произойдет в точке L₂. Если задать достаточно низкий порог по сравнению с критической интенсивностью сигнала (т.е. с интенсивностью сигнала в точке l₁), например Th₃, то мобильное устройство может зайти довольно глубоко в новую ячейку (L₄), прежде чем произойдет переключение. Это снизит качество канала связи и способно привести к разрыву соединения. Пороговое значение нельзя определять, не учитывая другие параметры, поскольку его эффективность зависит от предварительных знаний о критической интенсивности сигнала между текущей базовой станцией и потенциальной новой базовой станцией.
Относительная интенсивность сигнала и гистерезис. Переключение происходит только в том случае, если сигнал на новой базовой станции значительно сильнее (на величину H, показанную на рис. 8, а), чем на текущей станции. Тогда переключение происходит в точке L₃. Эта схема предотвращает эффект пинг-понга, так как если переключение уже произошло, знак порогового значения H меняется на противоположный.

Термином гистерезис обозначается явление, известное как магнитный гистерезис, которое можно пояснить с помощью рис. 8, б. Механизм переключения можно представить состоящим из двух состояний. Пока мобильное устройство относится к станции А, переключение произойдет только тогда, когда относительная интенсивность сигнала достигнет порога Н или превысит его. Мобильное устройство, переданное станции В, останется там до тех пор, пока относительная интенсивность сигнала не упадет ниже –Н, и только тогда устройство будет передано обратно станции А. Единственный недостаток этой схемы: первая передача может все еще быть необязательной, если базовая станция А имеет достаточно интенсивный сигнал.

Относительная интенсивность сигнала, гистерезис и порог. Переключение происходит, только если (1) текущий уровень сигнала упадет ниже порога и (2) базовая станция-кандидат окажется сильнее, чем текущая станция, на величину Н. В нашем примере переключение мобильного устройства произойдет в точке L₃, если пороговое значение будет либо Th₁, либо Th₂, и в точке L₄ — если пороговое значение будет равно Th₃.
Технологии прогнозирования. Решение о переключении принимается на основе ожидаемого в будущем значения интенсивности принимаемого сигнала.

Принятие решения о переключении осложняется использованием схем регулирования мощности, которые позволяют базовым станциям динамически настраивать мощность сигналов, передаваемых мобильными устройствами.

Регулирование мощности

Учитывая наличие многих спорных моментов, при проектировании в сотовой системе желательно предусмотреть возможность динамической регулировки мощности.

1. Чтобы сообщение проходило эффективно, мощность принимаемого сигнала должна существенно превышать фоновые шумы, в связи с этим предъявляются повышенные требования к мощности передатчика. По мере того как мобильное устройство удаляется от передатчика, принимаемая мощность уменьшается из-за обычного затухания. Кроме того, эффекты отражения, дифракции и рассеяния могут вызвать быструю смену уровней принимаемой мощности даже на небольших расстояниях. Ведь уровень мощности является суммой сигналов, приходящих по множеству различных путей, а фазы, соответствующие этим путям, являются случайными, так что при их сложении сигнал иногда усиливается, а иногда ослабляется. Отметим так же, что при движении мобильного устройства воздействие сигналов, поступающих разными путями, может меняться.

2. В то же время желательно минимизировать мощность сигнала, передаваемого мобильным устройством, чтобы уменьшить интерференцию с каналами удаленных ячеек, использующих одну и ту же полосу частот, уменьшить вред, наносимый здоровью людей, и сэкономить энергию батарей.

В системах с расширенным спектром (SS), использующих множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), желательно выровнять уровни мощности сигналов, принимаемых базовой станцией от разных мобильных устройств. Это влияет на производительность системы, так как всем пользователям выделены одни и те же частоты.

На рис. 9 показано два варианта регулирования мощности. Регулирование мощности по разомкнутому циклу зависит исключительно от мобильного устройства, без учета ответной реакции базовой станции, и используется в некоторых системах расширенного спектра. В таких системах базовая станция непрерывно передает немодулированный пилот-сигнал. Этот сигнал позволяет мобильному устройству синхронизироваться с прямым каналом (от базовой станции к мобильному устройству) CDMA и дает эталонную фазу для демодуляции. Его можно также использовать для контроля мощности. Мобильное устройство следит за уровнем мощности принимаемого контрольного сигнала и устанавливает передаваемую мощность в обратном канале (от мобильного устройства к базовой станции), обратно пропорциональную мощности сигнала.

Рис. 9. Регулирование мощности в обратном канале

При таком подходе предполагается, что интенсивности сигналов в прямом и обратном каналах связи сильно коррелируют, как обычно и бывает. Регулирование по разомкнутому циклу не такое точное, как регулирование по замкнутому циклу. При этом первая схема позволяет оперативнее реагировать на быстрые флуктуации интенсивности сигнала, например, подобные тем, что возникают при появлении мобильного устройства из-за большого здания. Такая быстрая реакция требуется в обратном канале связи систем CDMA, где при случайном увеличении интенсивности принимаемого сигнала на базовой станции могут подавляться все прочие сигналы.

При регулировании мощности по замкнутому циклу выравнивается интенсивность сигнала в обратном канале (от мобильного устройства к базовой станции). При этом учитываются характеристики этого обратного канала, такие, как

уровень мощности принимаемого сигнала,

отношение сигнал/шум

или частота появления в принимаемом сигнале ошибочных битов.

Базовая станция принимает решение о регулировании мощности и передает команды регулирования мощности в канал управления мобильного устройства. Регулирование по замкнутому циклу также используется для выравнивания мощности в прямом канале. В этом случае мобильное устройство предоставляет базовой станции информацию о качестве принимаемого сигнала, а базовая станция затем регулирует передаваемую мощность.

В табл.2 показаны классы мощности, используемые в стандарте GSM, который является стандартом для систем TDMA. В соответствии с мощностью выходных сигналов стандарт GSM определяет восемь классов каналов базовых станций и пять классов мобильных станций. Регулирование в обоих направлениях проводится по схеме замкнутого цикла.

Таблица 2. Классы передатчиков согласно стандарту GSM

Класс мощности	Мощность базовой станции, Вт	Мощность мобильной станции, Вт




		0,8


	2,5

Регулирование трафика

Для систем FDMA пропускная способность ячейки равна количеству выделенных ей частотных каналов. В идеальной ситуации количество доступных каналов в ячейке должно равняться общему числу абонентов, которые могут быть активны в любой момент. На практике же невозможно достичь такой пропускной способности, которая позволяла бы выдержать любую возможную нагрузку в любой момент времени. К счастью, не все абоненты заказывают разговоры одновременно, поэтому разумно иметь сеть такого размера, чтобы она могла выдерживать некоторый ожидаемый уровень трафика. Во многом производительность системы зависит от схемы регулирования трафика.

Концепция регулирования трафика была разработана при проектировании телефонных коммутаторов и телефонных сетей с коммутацией каналов, однако эта концепция в равной степени применима и к сотовым сетям. Рассмотрим ячейку, способную обслуживать N пользователей одновременно (т.е. пропускная способность которой равна N каналов), у которой есть L потенциальных абонентов (L мобильных устройств). Если L < N, систему называют неблокируемой; одновременно могут быть обработаны все звонки. Если L>N, систему называют блокируемой; абонент, пытающийся заказать разговор, может обнаружить, что пропускная способность использована полностью, т.е. заблокирована для него. Для блокируемых систем основными интересующими нас вопросами производительности являются следующие.

1. Какова степень блокирования, т.е. какова вероятность того, что запрос соединения будет блокирован? Или какая пропускная способность (N) необходима для того, чтобы достигнуть определенной верхней границы вероятности блокирования?

2. Если заблокированные соединения ожидают предоставления услуги, то каково среднее время задержки? Или какая пропускная способность нужна для достижения определенного значения средней задержки?

Кратко изложим соответствующие концепции регулирования трафика и приведем примеры их применения.

Величину загрузки системы определяют два параметра:

· — средняя частота звонков (запросов соединения), поступающих в единицу времени;

· h — среднее время разговора.

Основной мерой нагрузки является интенсивность трафика, которая выражается в безразмерных единицах, эрлангах.

(4)

Величину А можно интерпретировать несколькими способами. Это нормированная версия : А равно среднему числу звонков, поступающих в течение среднего времени разговора.

Можно также рассматривать ячейку как систему обслуживания с несколькими серверами, в которой количество серверов равно пропускной способности N. Среднее время предоставления услуги на сервере равно h. Основным соотношением в системе обслуживания с несколькими серверами является h = pN, где р — использование сервера, или часть времени, в течение которого сервер занят. Отсюда А = pN, и параметр А является мерой среднего числа требуемых каналов.

Пример. Если частота вызовов в среднем составляет 20 вызовов в минуту, а среднее время разговора — 3 минуты, тогда А = 60. Можно ожидать, что ячейка с пропускной способностью 120 каналов будет использоваться наполовину в любой момент времени. В то же время коммутатора с пропускной способностью 50 будет явно недостаточно. Пропускная способность в 60 каналов будет удовлетворять средний спрос, однако из-за флуктуации около среднего значения А временами ее будет не хватать.

Пример. Чтобы прояснить эти концепции, рассмотрим рис. 10, на котором показана модель функционирования ячейки с пропускной способностью 10 каналов в течение одного часа.

Частота вызовов в минуту составляет 97/60. Среднее время разговора на один вызов в минутах составляет 294/97. Таким образом, А = (97/60)´(294/97) = 4,9 эрлангов.

Другой способ трактовки параметра А — рассматривать его как среднее число обрабатываемых вызовов. Т.е. в среднем задействовано 4,9 канала. В то же время последняя интерпретация соответствует действительности только для неблокируемых систем. Параметр , был определен как частота попыток соединения, а не обслуживаемого трафика.

Обычная блокируемая система ограничивается некоторым верхним пределом интенсивности трафика. Считается неразумным проектировать систему с учетом трафика, ожидаемого в пиковое время. Чаще всего системы проектируются в расчете на среднюю частоту попыток соединения, имеющую место в час наибольшей нагрузки. Час наибольшей нагрузки определяется как 60-минутный период в течение дня, когда трафик наибольший. Союз ITU-T рекомендует усреднять трафик в часы пик по 30 самым загруженным дням года; данный параметр называется "средним трафиком в часы пик". В Северной Америке практикуют усреднение по 10 наиболее загруженным дням. Отметим, что это типичные измерения обработанного, а не запрашиваемого трафика, и они являются лишь оценкой истинной нагрузки.

Параметр А — мера трафика в часы пик — является входным при моделировании нагрузки. Затем, исходя из конкретной модели, ищутся ответы на вопросы, подобные тем, что приведены в начале. Природу модели определяют два ключевых фактора:

• способ обработки блокированных звонков;

• число источников трафика.

Блокированные звонки можно обрабатывать двумя способами. Во-первых, их можно помещать в очередь ожидания свободного канала. Эта практика называется задержкой неудачного вызова (LCD), хотя в действительности вызов не является неудачным, он просто отложен. Во-вторых, блокированный вызов можно отклонить или прервать. Это, в свою очередь, приводит к двум предположениям по поводу действий пользователя. Если пользователь вешает трубку, ожидает в течение некоторого случайного интервала времени и только потом возобновляет попытку дозвониться, то это называется очисткой неудачного вызова (LCC). Если же пользователь периодически пытается дозвониться, то это называется удержанием неудачного вызова (LCH). Для каждой их этих двух возможностей блокирования выведены формулы, которые характеризуют производительность системы. Для сотовых систем обычно используется модель LCC, которая, как правило, более точно описывает систему.

Вторым ключевым элементом модели трафика является предположение о том, конечно или бесконечно количество пользователей. В модели с бесконечным количеством источников нагрузки предполагается фиксированная частота прибытия звонков. Для конечного числа источников частота прибытия звонков зависит от числа уже занятых источников. В частности, если общее число пользователей равно L и каждый пользователь заказывает соединения со средней частотой /L, тогда, если ячейка совсем не занята, частота прибытия звонков равна .

В то же время, если в момент времени t обслуживаются K пользователей, тогда мгновенная частота прибытия звонков в этот момент равна (L - K)/L. Отметим, что модели с бесконечным числом источников аналитически проще, а применять их стоит, если число источников, по крайней мере, в 5-10 раз превышает пропускную способность системы.

Рис. 10. Пример распределения нагрузки в ячейке с пропускной способностью 10 каналов

Модель с бесконечным числом источников и очисткой неудачных вызовов

Для модели LCC с бесконечным числом источников ключевым интересующим нас параметром является вероятность потери вызова, или уровень обслуживания. Итак, уровень обслуживания 0,01 означает, что в течение часа повышенной нагрузки вероятность блокирования вызова равна 0,01. Вполне приемлемыми считаются значения вероятности в пределах 0,01-0,001.

Уравнение для модели LCC с бесконечным числом источников имеет следующий вид:

(5)

Здесь

А — поступающий трафик в эрлангах;

N — количество серверов;

Р — вероятность блокирования (уровень обслуживания).

Это уравнение легко ввести в программу, кроме того, доступно множество таблиц с уже готовыми значениями параметра А (фрагмент одной из них приведен в табл. 3). Задавая поступающую нагрузку и количество серверов, можно подсчитать уровень обслуживания по формуле или определить его из таблицы. Чаще всего, правда, стоит обратная задача: определить трафик, который можно обслужить при данной пропускной способности, чтобы достичь данного уровня обслуживания. Еще одной задачей является определение пропускной способности, требуемой для обработки данного трафика при данном уровне обслуживания. Для решения таких задач нужны либо таблицы, либо подходящие программы, способные определить нужное значение методом перебора.

Таблица 3. Качество обслуживания

Изучая табл. 3, можно сделать два важных вывода.

1. При одинаковом уровне обслуживания более эффективны системы с большей пропускной способностью.

2. Системы с большей пропускной способностью более восприимчивы к снижению уровня обслуживания.

Пример. Для иллюстрации первого утверждения рассмотрим две ячейки,каждая из которых имеет пропускную способность 10 каналов. Их общаяпропускная способность равна 20 каналам, и вместе они могут справляться с поступающим трафиком интенсивностью 6,86, обеспечивая уровень обслуживания, равный 0,002. В то же время одна ячейка с пропускной способностью 20 каналов при уровне обслуживания 0,002 может обрабатывать: трафик в 10,07 эрлангов. Для иллюстрации второго утверждения рассмотрим ячейку с 10 каналами, имеющую уровень обслуживания 0,002 и трафик 3,43 эрланга. При увеличении трафика на 30% (до значения 4,46 эрланга) уровень обслуживания уменьшается до 0,01. В то же время для ячейки с пропускной способностью 70 каналов уровень обслуживания падает с 0,002 до 0,01 всего лишь при 10% -ном увеличении трафика.

В приведенном примере фигурировал поступающий трафик, но если измерения различных метрик производятся в системе, то в них входит обработанный трафик. Несложно разработать программу, которая в качестве входных данных будет принимать обработанный трафик, и превращать его в поступающий. Связь между обработанным трафиком С и поступающим трафиком А выглядит так:

(6)

Для малых значений Р и А является хорошим приближением С.

Эффект переключения

Одной из сложностей моделей трафика сотовой системы, отсутствующей в моделях других систем, является влияние переключения. Указанный эффект продемонстрирован на рис. 11. Частота поступления вызовов — это сумма двух величин: новые звонки, поступившие с мобильных устройств ячейки ( ₁), и звонки мобильных устройств, переданные ячейке при входе этих устройств в ячейку ( ₂). Общая частота поступления звонков: = ₁ + ₂ Точно так же, частота завершения звонков состоит из собственно прекращенных звонков и звонков, переключенных на другую ячейку. Таким образом, требуется соответствующая коррекция модели.