СПОСОБ НАЗНАЧЕНИЯ РАДИОДАННЫХ В СОТОВОЙ СЕТИ
METHOD TO ASSIGN RADIO DATA IN CELLULAR NETWORK

Способ назначения радиоданных относится к области радиосвязи, в частности к системам коммуникации и обмена информацией.
В основе организации систем сотовой связи лежит разделение обслуживаемой территории на микрозоны - соты. В соте выделяют базовую станцию (БС), находящуюся в центре круга, называемого зоной связи БС. Для обеспечения непрерывной связи на заданной территории необходимо, чтобы зоны связи от смежных БС полностью, без зазоров, покрывали территорию обслуживания. Этим достигается условие, при котором территория, облучаемая радиостанцией БС, была как можно больше при сохранении условия обеспечения необходимого уровня принимаемого сигнала. Известны следующие основные геометрии размещения базовых станций, обеспечивающих полное покрытие обслуживаемой территории (см. книгу «Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ» / Под ред. У.К.Джейкса. - М.: Связь, 1979. - 520 с.): а) равносторонние треугольники, б) прямоугольники (квадраты), в) шестиугольники. Случаи а) и в) являются совпадающими, так как из равносторонних треугольников можно построить шестиугольные соты. Поэтому будут рассматриваться только первые две структуры в качестве аналогов. Оптимальное размещение БС станций достигается, когда расстояние между БС примерно равно удвоенному радиусу зоны связи БС (См. книгу Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер. с англ. М.: Радио и связь. 1985, С.121-123). В районе обслуживания осуществляется управление переключением каналов между радиозонами с таким расчетом, чтобы при переходе подвижной станции из одной зоны в другую радиообмен мог продолжаться без перерыва.
Для организации связи на сотовую сеть выделяют некоторый участок частотного спектра, который делится на несколько каналов с заданным разносом частот несущих. В сотовой сети обычно используется повторное использование фиксированных частот, что позволяет резко увеличить число абонентов сети. Принцип построения сотовых сетей дает возможность снизить дефицит радиоканалов за счет их повторного использования, однако это приводит к относительному избытку количества БС (см. книгу Бабаков В.Ю., Вознюк М.А., Никитин А.Н., Сиверс М.А. Системы связи с кодовым разделением каналов / СПбГУТ, СПб, 1999. 120 с.).
Для оценки эффективности применения радиоданных используют величину, называемую спектральной эффективностью назначения частот. Спектральная эффективность назначения канальных частот определяет вероятность ошибочного приема информации в сотовых сетях.
S
Спектральную эффективность E назначения частот определяют по формуле:
a
c
k
c
где  - интенсивность нагрузки (Эрл); ΔF - разность канальных частот; S - средняя площадь зоны обслуживания одной БС; С - кластерный фактор.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ построения сети сотовой связи, приведенный в книге Сухопутная подвижная связь: Кн.1. Основы теории / И.М.Пышкин и др.; Под ред. В.С.Семенихина и И.М.Пышкина. М.: Радио и связь, 1990. С.110, рис.3.22, представленный на фиг.1.
Способ прототип заключается в том, что в сотовой сети-прототипе, состоящей из БС, расположенных на пересечений линий связи (фиг.1), БС управляются с условием, чтобы при переходе подвижной станции из одной зоны в другую радиообмен подвижных объектов мог бы продолжаться без перерыва, назначение радиоданных производится согласно выделенному размеру кластера (7) с условием, что повторение радиоданных производится через два пролета.
Мощности передатчиков БС принимаются равными, используемые антенны имеют круговую диаграмму направленности, а радиусы зон связи каждой БС одинаковыми. На фиг.1 круги большого размера отображают радиус зоны связи, в центре которых расположены БС. Цифра обозначает номер частотного канала, присвоенного БС, находящейся в центре круга. БС располагаются на равном расстоянии друг от друга, образуя правильные треугольники. Для обеспечения эффективности радиосвязи путем расширения зоны обслуживания при сохранении числа БС в прототипе предлагается круговое сканирование с помощью фазированных антенных решеток, установленных на БС, куда поступают сигналы от подвижных объектов, оценка параметров принятых сигналов, на основе которых выбирается та БС, на которой принятый сигнал максимален. Использование фазированных антенных решеток требует запоминания азимутального угла подвижного объекта относительно БС и осуществление соединения с подвижным объектом только во время пересечения главного лепестка диаграммы направленности фазированной антенной решетки БС подвижного объекта. Для нормальной загрузки системы связи требуется равномерное распределение подвижных объектов по азимутальному углу диаграммы направленности.
Недостатком способа-прототипа является не оптимальное использование частотного ресурса.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение оптимального использования частотного ресурса размещением БС на заданной территории при условии полного покрытия территории для обеспечения непрерывности радиообмена при переходе из одной ячейки в другую.
Для решения поставленной задачи в способе назначения радиоданных в сотовой сети, состоящей из базовых станций, расположенных на пересечений линий связи, управляемых с условием, чтобы при переходе подвижной станции из одной зоны в другую радиообмен подвижных объектов мог бы продолжаться без перерыва, назначение радиоданных производится согласно выделенному размеру кластера с условием, что повторение радиоданных производится через два пролета, согласно изобретению,
пересечением взаимно перпендикулярных линий производят разбиение территории обслуживания на квадраты, в углах которых располагают первые базовые станции, а внутри квадратов располагают две дополнительные базовые станции на равном расстоянии как от первых базовых станций, так и между собой, причем в смежных квадратах линии связи между дополнительными базовыми станциями взаимно перпендикулярны;
назначение радиоданных производят в следующем порядке: базовые станции в углах квадратов, образованных пересечением взаимно перпендикулярных линий, последовательно с одинаковым сдвигом по модулю размера кластера снизу вверх и слева направо;
две базовые станции внутри квадратов маркируют с тем же частотным сдвигом по модулю кластера справа налево или сверху вниз в зависимости от их размещения внутри квадрата.
Заявляемый способ назначения радиоданных в сотовой сети заключается в следующем.
Базовые станции располагают в узлах пересечения линий связи между базовыми станциями, обеспечивая полное покрытие территории обслуживания. В качестве исходной топологии можно использовать размещение базовых станций в узлах квадратной сетки. Отдельный квадрат такой сетки представлен на фиг.3. Помимо 4 базовых станций, расположенных в узлах такой решетки, внутри квадрата располагают дополнительно две базовые станции, расположенные на одинаковом расстоянии от двух боковых и между собой. При этом 4 БС (1, 2, 3,) располагают на пересечении взаимно перпендикулярных линий, образующих структуру с минимальными расстояниями между УС, равными d, из которых четыре БС образуют квадраты со стороной 1,823 d, где d - минимальное расстояние между БС, а остальные базовые станции (5 и 6) располагают внутри образованного квадрата на расстоянии d друг от друга и от боковых базовых станций. Затем с 4 боковых сторон добавляют квадраты, приведенные на фиг.3, но с поворотом на 90°. Причем базовые станции, расположенные в вершинах квадрата, объединяются. В результате получается непрерывное покрытие поверхности, приведенное на фиг.4, которое назовем «пентагональным».
56
Вершины квадрата образуют БС, обозначенные цифрами 1-2-3-4. Минимальное расстояние между БС, расположенными в вершинах квадрата, 1,823 d. Минимальное расстояние между БС новой пентагональной архитектуры составляет d. Это можно доказать. Рассмотрим треугольник 1-3-5, у которого две стороны равны d, а сторона 1-3 равна 1,823 d. Высоту h этого треугольника найдем, исходя из его площади S по формуле . Полупериметр треугольника будет . Площадь треугольника 1-3-5 найдем по формуле Герона . Отсюда найдем высоту h=0,4115d. Расстояние между базовыми станциями 5 и 6 находится как разность l=1,823d-2·h=d. Следовательно, минимальное расстояние между БС пентагональной структуры составляет d.
Смежные квадраты с расстоянием между угловыми базовыми станциями, равным 1,823d, образуются поворотом квадратной ячейки (фиг.3) на 90°. В результате образуется топологическая структура, покрывающая определенную поверхность (фиг.4), которая служит основой для назначения радиоданных.
Назначение радиоданных производят в следующем порядке. Базовые станции в узлах на пересечении горизонтальных и вертикальных линий, образованных квадратными ячейками (фиг.3), нумеруют последовательно с одинаковым сдвигом по модулю размера кластера (5) снизу вверх и слева направо. Две базовые станции внутри ячейки маркируют с тем же частотным сдвигом по модулю кластера справа налево или сверху вниз. В результате получается сеть, в которой можно выделить пятиугольники из базовых станций, имеющих различные номера используемых частот (фиг.4) и покрывающих непрерывно выделенную территорию.
S
Для оценки эффективности назначения частот введем характеристику, производную от спектральной эффективности E назначения частот. Для этого соединим прямыми линиями базовые станции с повторяющимися номерами частот. Выберем частоту канала номер 3. Далее найдем отношение площади всего треугольника к площади секторов облучения с одинаковыми радиоданными. Учитывая, что сумма внутренних углов треугольника составляет π (180°), то это отношение будет в π раз меньше вычисленной площади треугольников.
Сравним способы назначения радиоданных для известных сотовых сетей - шестиугольной и прямоугольной.
Считая, что мощности БС всех частот имеют одинаковую мощность, получим, что площади секторов облучения внутри любых треугольников сотовой сети будет одинаковой и равной , где l - расстояние между базовыми станциями.
3
4
5
2
2
2
Площади треугольников, выделенных штриховыми линиями на фиг.1, равны S=2,132l. Для сотовой сети, состоящей из квадратов, аналогичная площадь будет S=2,5l (фиг.2). Для пятиугольной геометрии площадь треугольника, соединяющего БС с одинаковыми каналами связи (частотный номер 3), будет S=2,87l (фиг.5).
Результаты расчетов сведены в таблицу.
Таблица
Параметр
Квадраты
Шестиугольные соты
Пятиугольные соты
S<sub>Δ</sub>
2,5l<sup>2</sup>
2,5l<sup>2</sup>
2,84l<sup>2</sup>
<img file="00000006.tif" he="12" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
1,59
1,376
1,8
Как видно из таблицы, наименьшее отношение площади треугольника к площади секторов с одинаковыми радиоданными имеет прототип, а наибольшее - заявляемая сотовая сеть на основе пятиугольной геометрии.
Этим достигается условие, при котором территория, облучаемая радиостанцией БС, была как можно больше при сохранении условия обеспечения необходимого качества принимаемого сигнала.
Предложенный способ может быть реализован устройствами, приведенными в книге «Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы». М.: Техносфера, 2007. С.77, рис.4.1.