Перспективы применения интеллектуальных антенных систем. Пути развития

Перспективы применения интеллектуальных антенных систем. Пути развития

Ключевые слова: интеллектуальные антенные системы, диаграмма направленности, локальные перегрузки, качество обслуживания.

Статья посвящена проблеме развития интеллектуальных антенных систем, применяемых в сетях подвижной связи. Проанализированы наиболее перспективные пути развития алгоритмов, использующих интеллектуальные антенные системы, определены области применения технологий управления диаграммой направленности. Предложен и проанализирован метод устранения локальных перегрузок — одной из ключевых причин снижения качества обслуживания абонентов. Доказана целесообразность применения ИАС с функциональностью наклона ДН антенны базовых станций.

Щучкин В.М., аспирантМТУСИ, vlad.sh86@yandex.ru

Интеллектуальные антенные системы

На сегодняшний день существует множество типов перспективных интеллектуальных антенных систем (ИАС), позволяющих улучшить качество обслуживания в сетях подвижной связи (СПС) за счет совершенствования алгоритмов множественного доступа.

Наиболее востребованными на сегодняшний день являются следующие типы систем:

- Адаптивное формирование луча - BeamForming (BF). Beamforming формирование электромагнитного поля антенны базовой станции в дальней зоне в виде узконаправленного главного лепестка, ориентированного в сторону абонентского устройства или группы устройств. Данный метод позволяет изменять направленные свойств при изменении количества абонентов на обслуживаемой территории. Примеры использования данного вида интеллектуальных антенн приведены в работах [4, 10, 11]. Используя подобные системы возможно регулировать диаграмму направленности (ДН) базовой станции с высокой точностью. Минусом алгоритмов использующих Beamforming является: высокая техническая сложность, дороговизна реализации, высокие операционные затраты.

— Применение антенных систем с фиксированным количеством переключающихся положений луча ДН - Switched Beam Smart Antenna (SBSA). Интеллектуальные антенные системы с переключающимся положением луча диаграммы направленности позволяют изменять направление максимума излучения основного лепестка ДН с определенным шагом. Подобные антенные системы, в основном, получили распространения в алгоритмах, позволяющих подавлять сильную интерференционную помеху, путем формирования наименьшего усиления ДН антенны в сторону прима мешающего сигнала [II]. Техническая реализация алгоритмов использующих SBSA проще, чем в случае BF.

— Применение антенны с изменяющимся углом наклона ДН - Down Tilt Antenna System. Существуют разновидности данных систем: с электрическим (ETilt) и механическим (MTilt) принципом наклона. АИС данного класса позволяют регулировать угол наклона ДН в вертикальной плоскости. MTilt позволяет осуществлять наклон луча антенны в вертикальной плоскости — при этом используется механический узел для наклона полотна антенны. Однако, при использовании данного метода искажается форма ДН антенны в горизонтальной плоскости, появляется зависимость угла наклона и коэффициента усиления антенны (КУ) от азимуга, что не всегда учитывается в сетевом плакировании. Использование метода электрическом наклоне луча антенны устраняет этот недостаток. В случае ETilt угол наклона не зависит от азимуга, а форма ДН антенны остается неизменной см. рис. 1.

- Наибольшее распространение, получили системы с возможность наклона луча ДН, в силу простоты реализации и дешевизны внедрения на сети оператора связи. Подкласс систем данного вида, при котором используется электронный наклон ДН, в англоязычной литературе принято называть RET системами (Remote Electrical Tilt).

Electrical Downtilt Only Mechanical Down tilt Only

Рис. 1. Диаграмма направленности антенны базовой станции для случая электрического и механического наклона луча

Интерфейс для управления системами RF.T стандартизирован консорциумом 3GPP для сетей связи третьего поколения (UTRA), см. спецификацию 3GPP TS 25.460. В настоящее время ведутся работы по стандартизации RET для сетей E-UTRA.

Интерфейс взаимодействия между системой мониторинга и управления оператора связи ОМ&Р и модулем RET на базовой станции Iuant (3GPP TS 25.466). В качестве протокола взаимодействия используется RETAP (Remote Electrical Tilting Application Part TS 25.463).

Производителями подобных антенных систем являются компании Kathrein, Allgon, PowerWave и др. [1,5, 6]. В зависимости от производителя и типа антенны, возможный угол наклона ДН варьируется в диапазоне от 0 до 15”. Время подстройки угла не более 15-20 с.

Перспективные алгоритмы применения

интеллектуальных антенных систем

В рамках данной статьи рассмотрим наиболее подробно алгоритмы, которые возможно синтезировать, используя ИАС с функциональностью наклона луча ДН базовой станции.

Исходя из анализа современной технической и научной литературы [7-9] и тенденций развития международных институтов стандартизации (3GPP), занимающихся проблемами применения ИАС в самоорганизующихся сетях (SON), можно выделить следующие направления разработки и совершенствования алгоритмов множественного доступа:

— Inter-Cell Interference Coordination (ЮС) — данный метод позволяет уменьшить взаимную интерференцию сот внутри сети, тем самым увеличивая потенциальную емкость, что особенно актуально для сетей 3-го поколения. ЮС отслеживает и перераспределяет доступный физический частотно временной ресурс между сотами. В качестве индикатора наличия высокого уровня интерференции, в данном случае, выступают отчеты системы RRM, корреляция которых, обеспечивает своевременное обнаружение подобных проблем. Снижать взаимную интерференцию возможно управляя углом наклона ДН БС.

- Mobility Robust Optimization (MRO) - позволяет оптимизировать настройки handover для соседних базовых станций, при этом происходит управление зоной пе-

рекрытия соседних ячеек сотовой сети. Процесс эстафетной передачи может осуществляется как внутри сети одного стандарта, так и возможен handover со сменой метода доступа RAT-handover. Задачей данного алгоритма является минимизация числа неудачных попыток абонентов совершить handover и снижение сигнальной нагрузки на сеть. При использовании MRO определяются пороги запуска процедуры эстафетной передачи, при этом используются отчеты RRM, генерируемые UE при потере соединения.

— Cell Outage Detection and Compensation (CODC) - детектирование и компенсация вышедших из строя БС. В данном случае необходимо осуществлять мониторинг состояния оборудования базовых станций, и в случае детектирования поломки обеспечить перекрытия зоны обслуживания вышедшей из строя БС, что возможно за счет управления ДН.

— Mobility Load Balancing Optimization (MLBO) -процесс перераспределения нагрузки. Данный метод позволяет перераспределить нагрузку, в случае если абонент находится в зоне действия двух и более базовых станций. Детектирование перегрузки осуществляется по загрузке на радиоитерфейсе, на уровне транспортной сети. В качестве решения данной задачи часто используют возможность инициации эстафетной передачи активного соединения с одной БС на другую по загрузке на радиоинтерфейсе.

Наиболее перспективными, с практической точки зрения, являются алгоритмы, обеспечивающие перераспределения нагрузки в сотовых сетях, поскольку позволяют своевременно устранять одну из важнейших причин ухудшения качества обслуживания абонентов, предугадать появление которой при начальном планировании сети практически невозможно: локальные перегрузки.

Устранение локальных перегрузок

Локальные перегрузки происходят из-за долговременного повышения числа абонентов на территории соты [2], что, со временем, приводит к значительному росту информационной нагрузки. Скопление абонентов может происходить по различным причинам, например организация затора на дороге вследствие аварии, предугадать за ранее появление возможных «горячих точек», как уже было сказано, невозможно. В подобных случаях решение проблемы может быть следующее:

1. Предсказать рост информационной нагрузки, используя сведения полученные при контроле межсотовых перемещений абонентов;

2. Отрегулировать площадь покрытия соты согласно числу абонентов на ее территории.

Пример работы подобного алгоритма иллюстрирован на рис. 2.

Алгоритм, позволяющий одновременно решить обе задачи описан в работе [3]. Представлена методика оценки зависимости нагрузки, формируемой абонентами на радиоинтерфейсе, от угла наклона диаграммы направленности базовой станции.

До оптимизации. детектирование перегрузки

После олтимииции. устранение перегрузки

^1 - сота, ислытьваюцая перегружу

Рис. 2. Пример работы алгоритма устранения локальных перегрузок

Данная методика разработана при условии, что абоненты распределены на территории соты 5с равномерно с плотностью а" отсюда, число абонентов в соте определяется как I = 5 <у. Задавшись удельным значением абонентской нагрузки р)ч1, которая является показателем потребления услуга и слабо отклоняется ог своего среднего значения Ру* * А»«г ’ ГЮЛУЧИМ суммарную нагрузку в соте д. =5 •

Используя процедуры контроль межсотовых перемещений абонентов, возможно точно определить значение с"

В качестве оценки площади покрытия можно использовать формулой:

г(/, а)+ г(/ + 1, от)']

5

(О

где /•(/, а) - дальность связи (ДС) в заданном направлении N = 360/6, / = 1,2..ДО, 3 - угол между двумя соседними отсчетами /•(/,«), а - угол наклона ДН БС. г(/,а) в /-ом направлении зависит от многих факторов (модели расчета затухания, частотного диапазона, излучаемой мощности БС и АС, чувствительности приемников БС и АС, высот подвеса антенн), однако основным параметром, определяющим ДС является КУ антенны БС в заданном направлении, при условии, что антенна АС имеет круговую ДН.

Пример зависимости площади обслуживания от угла наклона ДН базовой станции представлен на рис. 3.

„ 1.20 1 I 100

~ во ^

-А1

-А2

-АЗ

10 12 Угол наклона ДН. град

Рис. 3. Относительное изменение 5, обслуживания от угла наклона ДН БС, для А1, А2, АЗ: А1 -антенна с ДН ф=120°в горизонтальной и 6=20“ в вертикальной плоскости,

А2 - антенна <р= 120" и 0=15", АЗ - антенна ф=120° и 0=10”

Из рис. 3 видно, что при условии ошибки установки угла наклона ДН, наименьшая ошибка при оценки площади будет для образца А1, из чего следует целесообразность применения антенных систем с более широкой ДН в горизонтальной плоскости.

При применение алгоритмов перераспределения зон обслуживания БС по факту наличия перегрузки, очевидно, что блокировки будут подвергаться требования, поступающие на интервале оптимизации покрытия. Для улучшения качества обслуживания необхдимо использо-ватьть методы обнаружения ЛП, основанные на контроле межсотовых перемещений пользователей. Более подробно даные методы описаны в [2].

Раннее обнаружение перегрузок рассматривается как ряд этапов, на которых решаются следующие задачи:

- Первый этап - обнаружение и оценка параметров изменившейся модели потоков, описывающей перемещения абонентов на границе соты;

- Второй этап - оценка задержки до возникновения перегрузки, формирования длительности интерваза дополнительного контроля и порога срабатывания;

- Третий этап - прогнозирования на базе анализа роста информационной нагрузки соты.

Целесообразность проведения этапов и расчетные соотношения, используемые для предсказания перегрузок и оценки мобильности абонентов, приведены в [2]. Для краткости приведем лишь результаты имитационного мо-

делирования алгоритма, полученного в [3]. На рисунке 3, представлен график зависимости вероятности блокировки в соте от времени, где двумя кривыми обозначены результаты полученные при имитационном моделировании в случае использования алгоритма перераспределения нагрузки при помощи ИАС и без него.

s 35% 30%

0 1 25%

20%

i 15%

§ 10%

1 5%

co 0%

- С использованием ИАС

- Без использования ИАС

5000

5500

6500

6000 Время, с

Рис. 3. Изменение вероятности блокировки во времени

В качестве исходных данных для расчета среднего значения интенсивности, спользуемого в моделировании, применялись следующие значения £ = З.бклг, v = 50к,и/ч (средняя скорость

передвижения абонентов), <т = 0,0005аб/.м2 (среднее значение плотности абонентов). При проведении моделирования изменения интенсивности полагалось, что средняя интенсивность вхождения числа абонентов на территорию соты увеличивается в 2 раза (/}''«2/1'*), по сравнению с первоначальным значением (с 15 до 30 аб/с). При регулировании угла наклона принято, что ошибка установки угла равно нулю.

Выводы

1. В статье проанализированы наиболее перспективные пути развития алгоритмов использующих интеллектуальные антенных систем, определены области применения технологий управления диаграммой направленности. Данный анализ показал перспективность развития методов перераспределения покрытия при помощи RET систем.

2. Проанализирована возможность применения методики оценки зависимости площади покрытия от угла наклона базовой станции, проведенная в [3], приведены графики изменения площади соты при изменения угла наклона ДН БС для трех типов антенн, даны рекомендации по выбору диаграммы направленности.

3. Рассматриваемый алгоритм позволяет обеспечить устойчивость сегмента сети подвижной связи к локальным перегрузкам, при этом уровень перегрузки при всплесках информационной нагрузки в макросотах, образованной за счет скопле-

ния абонентов при /К'«2А%, уменьшается до 30%, что

позволит улучшить качество обслуживание в сетях подвижной связи. Данный факт говорит о перспективности дальнейшей разработке подобных методов и применения их на проектируемых и существующих сетях операторов связи.

Литература

1. Материалы веб-сайтов: http://www .comba-telecom.com,

http://www.amphenol-jaybeam.com, http://www.powerwave.com, http://www.kathrein.com, www.motorola.com,http://www.ericsson.com/ai, http://www.kentrox.com, http://www.aisg.org.uk, http://www.raycom-w.ru, www.nokiasiemensnetworks.com.

2. Шорин О.А. Методы оптимального распределения частотно-временного ресурса в системах подвижной радиосвязи: Дис. ... д-ра. техн. наук /МТУСИ. - М., 2005.-351 с.

3. Шории О.А., Щучкин В.М. Использование интеллектуальных антенн в системах мобильной связи для снижения пере-грузок//Труды МАИ. - №53. - 2012.

4. Angeliki Alexiou, Monica Navarro Robert, W. Heath Smart Antennas for Next Generation Wireless Systems: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Hhttp://www.google.ru/url?sa=t&rct= j&q=smart%20antennas%20for%20next%20%20%20generation%20 wireless%20systems&source=web&cd=l&ved=0CClQFjAA&url= http%3A%2F%2Fdownloads.hindawi.com%2Fjourna!s%2Fspecialis sues%2F960787.pdf&ei=BARPUN3yLoSo4gStulC4Bg&usg=AFQj CNHquahXxxa4ZPptawlBlh0bQYMEGA&cad=rjt, свободный. -Загл. с экрана. - Яз. англ.

5. Base Station Antennas for Mobile Communication: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ebookbrowse.com/katalog-790-6000-mhz-base-station-antennas-for-mobile-communications-pdf-d361432785, свободный. — Загл. с экрана, - яз. англ.

6. Power wave. Product Catalog: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rayeom-w.ru/images/stories/catalogue/

Powerwave_Product_ Catalog_2010_DD20100224.pdf, свободный.

- Загл. с экрана. - яз. англ.

7. Chae Y. Lee, Hyon G. Kang and Taehoon Park A Dynamic Sectorization of Microcells for Balanced Traffics in CDMA: Genetic Algorithms Approach//Basic Research Program of the Korea Science & Engineering Foundation 1999.

8. Final Report on Semi-Smart Antenna Technology Project: [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://stakeholders. ofcom.org.uk/binaries /research/technology-research/finalb.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - яз. англ.

9. Kathrein Remote Electrical Tilt System: [Электронный ресурс].

Режим доступа: http://www.kathrein.de/en/mcs/techn-

infos/download/9981081 7.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - яз. англ.

Prospects of Application of Intelligent Antenna Systems. Path of Development

Shchuchkin Vladimir M. postgraduate student of Moscow Technical University of Communications and Informatics, vlad.sh86@yandex.ru

Abstract

This article is devoted to the development of intelligent antenna systems used in mobile networks. The author analyzes the development of the most promising algorithms using smart antenna systems and identify areas of technology management pattern. Proposed and analyzed by eliminating local overloads that result in one of the key reasons why the quality of customer service. The expediency of the use of intelligent antenna systems with tilt functionality of the antenna base stations to achieve the goals.

Keywotds: intelligent antenna systems, radiation pattern, local congestion, the quality of service.

References

1. http://www.comba-telecom.com, http://www.amphenol-iaybeam.com, http://www.powerwave.com, http://www.kathrein.com, www.motorola.com,http://www.ericsson.com/ru, http://www.kentrox.com, http://www.aisg.org.uk, http://www.raycom-w.ru, www.nokiasiemensnetworks.com.

2. Shorin O.A. Methods of optimal allocation of time-frequency resource in mobile radio systems. M.: MTUCI, 2005. — 351 p.

3. Shorin O.A. Tchoutchkin V.M. The use of smart antenna in mobile communication systems to reduce congestion // Proceedings of the MAI, 2012, no 53.

4. Angeliki Alexiou, Monica Navarro Robert, W Heath Smart Antennas for Next Generation Wireless Systems: http://www.google.ru/url?sa=t&rct= j&q=smart%20antennas%20 for%20next%20%20%20generation%20wireless%20systems&source=web&cd=1 &ved=0CCIQFjAA&url= http%3A%2F%2Fdownloads.hindawi.com%2 Fjournals%2Fspecialissues% 2F960787.pdf&ei=BARPUN3yLoSo4gStuIC4Bg&usg=AFQjCNHquahXxxa4ZPptawIB1h0bQYMEGA&cad=rjt.

5. Base Station Antennas for Mobile Communication: http://ebookbrowse.com/katalog-790-6000-mhz-base-station-antennas-for-mobile-communications-pdf- d361432785.

6. Power wave, Product Catalog: http://www.raycom-w.ru/images/stories/catalogue/ Powerwave_Product_ Catalog_2010_DD20100224.pdf.

7. Chae Y Lee, Hyon G. Kang and Taehoon Park A Dynamic Sectorization of Microcells for Balanced Traffics in CDMA: Genetic Algorithms Approach//Basic Research Program of the Korea Science & Engineering Foundation 1999.

8. Final Report on Semi-Smart Antenna Technology Project. http://stakeholders.ofcom.org.uk/binaries /research/technology-research/finalb.pdf.

9. Kathrein Remote Electrical Tilt System: http://www.kathrein.de/en/mcs/techn-infos/download/9981081 7.pdf.