СПОСОБ НАЗНАЧЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ КАНАЛОВ В СОТОВОЙ СЕТИ
METHOD TO ASSIGN FREQUENCY CHANNELS IN CELLULAR NETWORK

Способ назначения частотных каналов в сотовой сети относится к системам коммуникации и обмена информацией.
В основе организации систем сотовой связи лежит разделение обслуживаемой территории на микрозоны - сотовые ячейки (см. патент США №5418779, H04L 12/48 «Архитектура сети с высокоскоростной коммутацией»).
Среди топологических объектов сотовой сети выделяют ячейки (их форма и размер), кластеры и более сложные образования.
Топологию размещения базовых станций (БС) в сотовой сети можно представить в виде ориентированного графа, вершины которого соответствуют геометрии размещения БС, а ребра - линиям или каналам связи.
Под сотовой ячейкой понимается некоторая минимальная геометрия размещения БС или узлов связи, повторяющаяся в общей топологии сотовой сети. Существуют два вида представления сотовой ячейки: с условными границами, внутри которых расположена БС, и заданными, когда границами служат линии связи между базовыми станциями. При условном представлении сотовой ячейки ее представляют некоторой геометрической фигурой с БС, расположенной в центре ячейки, границы которой определяются взаимным пересечением зон обслуживания соседних базовых станций. Так как при пересечении зон обслуживания БС происходит взаимное наложение этих зон, то граница сотовой ячейки определена нечетко. Если же представлять БС, расположенными в вершинах графа, то линии связи, представляемые ребрами графа, формируют геометрию ячейки с заданными границами (см. книгу Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер. с англ. М.: Радио и связь. 1985, рис.В2.3, С.17).
Повторяющаяся совокупность ячеек образует кластер. Кластер обычно состоит из ограниченного числа узлов, включая головной, запасной, свободный и дополнительный, где располагаются базовые станции.
Покрытие без зазоров выделенной территории для размещения сотовой сети возможно тремя основными геометрическими равносторонними фигурами: треугольниками (фиг.1), квадратами (параллелограммами) (фиг.2) и пятиугольниками (фиг.3). Шестиугольный сети можно рассматривать как объединение 6 треугольных сот (фиг.1). Равносторонними многоугольниками с большим числом сторон практически невозможно покрыть непрерывно всю территорию.
Для сравнения различных топологий построения сотовой сети используется характеристика, известная как число подмножеств каналов С, которая принимает для прямоугольной (квадратной) геометрии значения из ряда С=2, 4, 5, 8, 9,…, а для гексагональной геометрии - из ряда С=3, 4, 7, 9, 12, 13,… (см. книгу Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ: Пер. с англ. М.: Связь. 1979. С.453, рис.7.2-3).
С топологией сотовой сети связаны алгоритмы назначения частотных каналов БС. Если размещение БС задано, предельная загрузка достигается оптимизацией назначения частотных каналов, обеспечивающей минимум требуемого для группы числа частот или минимум суммарной занимаемой полосы частот.
Для организации связи на сотовую сеть выделяют некоторый участок частотного спектра, который делится на группы с заданным разносом частот несущих, которые повторяются в смежных кластерах. Повторное использование выделенных частот позволяет резко увеличить число абонентов сети (см. книгу Бабаков В.Ю., Вознюк М.А., Никитин А.Н., Сивере М.А. Системы связи с кодовым разделением каналов/ СПбГУТ, СПб, 1999. 120 с.). В сотовых сетях частоты каналов распределяются с определенным интервалом, равным шагу сетки частот, поэтому любой присвоенной несущей частоте можно поставить в соответствие условные номера частотных каналов, которые используются в описании. Учитывая обилие радиоэлектронных средств, важной задачей является эффективность использования радиоспектра (ЭИРС). Под ЭИРС понимается такое использование занимаемого излучением радиоэлектронных средств (РЭС) объема радиоспектра (PC), которое максимизирует общий объем передаваемой (извлекаемой) информации с требуемым качеством или при заданном объеме информации минимизирует занимаемый объем PC (Кромби Д.Д. ТИИЭР. 1980, т.68, №12). Учитывая текущие потребности в использовании PC, а также ту особенность, что PC является нерасходуемым природным ресурсом, нет необходимости связывать понятие ЭИРС только с максимизацией передаваемой информации или минимизацией заданного объема PC. Эффективным следует считать использование наименьшего объема PC, которое для РЭС сотовой сети обеспечивает требуемое качество их функционирования. При решении проблемы эффективности использования PC возникают две основные группы задач. Первая - совершенствование технических характеристик и принципов построения РЭС с целью повышения их устойчивости к помехам и снижению уровня помех, создаваемых другими РЭС. Вторая - совершенствование методов планирования и управления использованием частот с целью минимизации взаимовлияния РЭС при совместной работе.
При определении показателя ЭИРС группой РЭС необходимо оперировать не только реально используемыми РЭС объемами PC, но выделяемыми объемами спектра при его планировании. В силу имеющейся при планировании априорной неопределенности исходных данных (текущего момента включения и выключения РЭС, изменения их взаимного расположения, ориентации антенн, условий распространения радиоволн, уровня помех и др.) выделяемые объемы PC неизбежно превышают реально используемые, что является одной из причин низкой эффективности использования PC. В случае, когда группа РЭС однородна по составу и условиям работы, ЭИРС определяют по формуле
,
0
0
0 ВЫД
упл
0 ВЫД
ГР.ВЫД
0
где k=W/W - коэффициент использования отдельным РЭС выделяемого при планировании объема PC; k=NW/W - коэффициент уплотнения, характеризующий число РЭС группы, работающих совместно в общем объеме PC, выделенных для одного РЭС; Э - показатель ЭИРС отдельного РЭС.
упл
Коэффициент уплотнения k при этом определяется как
0
0
0 ВЫД
0
min
2
где N - число получателей информации (объектов); R - радиус ячейки; R - радиус взаимовлияния; F=W/R ; n - минимальный набор частотных каналов для выделенной группы.
макс
мин
Предельные (минимальная и максимальная) оценки необходимого числа каналов связи определяются электромагнитной совместимостью (ЭМС) РЭС, обслуживающих эти каналы связи, которые обычно определяются аналитически (см. патент РФ №2248098, Н04В 7/26 «Способ построения сотовой связи»). При этом расчет осуществляется на использовании инвариантов ориентированного графа: Δ - максимальная степень вершин, α - вершинное число независимости, χ - хроматическое число дополнительного графа. Максимально необходимое число частотных каналов (М) выбранного кластера соответствует хроматическому числу ориентированного графа Бержа, построенного на основе геометрии размещения БС в сети, где вершины графа соответствуют БС, а ребра - линиям связи между БС. Минимально необходимое число каналов (М), выделяемых для определенного кластера сотовой сети, определяется кликой К.
Как известно (Оре О. Теория графов. - М.: Наука, 1980. С.285), хроматическое число графа определяется по формуле Гранди
.
Исходя из хроматического числа χ, определяем минимальный частотный кластер сети. Для шестиугольных сот (фиг.1) это число будет равно 7. Для квадратных и пятиугольных сот - 5 (фиг.2 и фиг.3).
Наибольшим ЭИРС обладают сотовые сети, где расположение базовых станций и назначение частот производится по оптимальному закону. Однако в реальных условиях такие сотовые сети создать практически невозможно. Поэтому реально возможны сотовые сети на основе фиксированного размещения БС и субоптимального назначения частот (см., например, Жидков М.Г., Стоялова Т.В. Методы выбора рабочих частот, свободных от помех интермодуляции. Электросвязь, №7, 1991).
Однако получающаяся при этом эффективность использования радиоспектра оказывается невысокой, не удовлетворяющей современным требованиям.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ назначения частотных каналов в сотовой сети, 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, принятый за прототип.
Схема назначения частотных каналов, иллюстрирующая способ-прототип, представлена на фиг.1.
Известный способ назначения частотных каналов в сотовой сети заключается в выделении кластера из заданного числа ячеек, образованных равноудаленными базовыми станциями, обеспечивающими полное радиопокрытие обслуживаемой территории ограниченной непересекающейся группой частот, назначаемых различными ячейками базового блока, исходя из выделенного диапазона частот с заданным частотным разносом.
Недостатком способа-прототипа является то, что назначение частот производится по случайному закону, это снижает коэффициент использования частотного ресурса по сравнению с оптимальным значением, не удовлетворяя современным требованиям.
Для устранения указанного недостатка в способе назначения частотных каналов в сотовой сети с равноудаленными базовыми станциями, обеспечивающем электромагнитную совместимость при ограниченном частотном ресурсе, согласно изобретению назначение частотных каналов базовым станциям производят в следующем порядке:
определяют ранг кластера частотного плана по формуле
,
где [•] - целая часть выражения, p - допустимая вероятность ошибки,
h - отношение сигнал шум в точке приема, дБ;
присваивают последовательно условные номера базовым станциям по модулю ранга кластера, обеспечивая совпадение номеров по взаимно перпендикулярным линиям связи между базовыми станциями;
делят выделенный диапазон частот на группы, число выделенных частот к количеству частот, соответствующих рангу кластера;
a
1j
формируют крайний левый столбец первой матрицы из последовательности различных целых чисел , количество которых равно рангу кластера порядку матрицы латинских квадратов С;
второй слева столбец первой матрицы формируем, исходя из элементов первого по правилу:
,
2
где b - модуль сдвига элементов второго столбца относительно первого;
третий и последующие столбцы первой матрицы формируются по тому же закону, но модули сдвига будет всегда отличаться от ранее использованных;
совмещая элементы первой и последующих матриц получают искомую матрицу частотного плана для выбранного кластера, элементы которой отражают расположение базовых станций на местности, а набор индексов каждого элемента матрицы указывает на группу частотных каналов, выделяемых каждой базовой станции.
Для кластера порядка 5 можно построить 5·5!=600 матриц латинских квадратов пятого порядка, имеющих элементы 1…5. Столько же групп частотных каналов можно присвоить БС. Однако при этом необходимо учитывать электромагнитную совместимость (ЭМС) при передаче сообщений по каналам связи, обеспечивая минимум взаимных помех.
Рассмотрим пример использования предлагаемого способа для формирования частотного плана сотовой сети.
Исходными данными для построения частотного плана сотовой сети будут следующие: вероятность ошибки р=0,01; отношение сигнал-шум в точке приема h=10 дБ.
Исходя из этого определяем ранг кластера по формуле(1) С=5.
В выбранном варианте кластера присваиваем БС условные номера от 1 до 5. Выделенный частотный диапазон делим на порядок кластера и округляем до целого с недостатком. В результате получаем число групп частотных каналов, выделяемых каждой БС. В результате получим вариант первой матрицы латинского квадрата:
.
Для другой группы частотных каналов матрица латинских квадратов формируется в соответствии с пунктами 4…6. Совмещая элементы сформированных последовательно матриц латинских квадратов, получим окончательную матрицу, элементы которой указывают на места расположения базовых станций на местности, а индексы элементов этой матрицы указывают на выделенный частотный план для каждой базовой станции.
Применительно к рассматриваемым сотовым сетям использование указанных формул показывает, что при расположении БС в соответствии с геометрией, указанной на фиг.3 базовых станций в вершинах равносторонних пятиугольников, достигается увеличение числа частотных каналов на равной площади покрытия примерно в 1,5 раза по сравнению с расположением базовых станций в вершинах квадратов (фиг.2).