Об одном подходе увеличения абонентской ёмкости сотовых сетей связи при возникновении чрезвычайной ситуации

УДК 62.396.4

А.П. Зверев

ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ УВЕЛИЧЕНИЯ АБОНЕНТСКОЙ ЁМКОСТИ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ

В данной статье рассматривается вопрос о порядке организации связи в зоне чрезвычайной ситуации. При этом показано, что, как правило, базовая станция выбирает мобильную станцию по максимальному принятому сигналу. Предложенный в статье алгоритм функционирования базовой станции позволит несколько снизить порог принимаемого сигнала и таким образом добиться полной загруженности соседних станций, а, следовательно, увеличить количество абонентов, работающих в зоне чрезвычайных ситуаций, без перегрузки сети.

Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, сотовая сеть, мобильная связь, мобильная станция.

A. Zverev

WAY OF INCREASING SUBSCRIBER CAPACITY OF CELLULAR COMMUNICATION

NETWORKS IN EMERGENCY SITUATION

The article views the topical issues in the field of organization communication in a zone of emergency situation. It is shown a base station chooses the mobile station according to the maximum signal.

The algorithm offunctioning of a base station offered in article will allow to reduce a threshold of the received signal and to achieve full load of neighbouring stations, and, therefore, to increase the number of subscribers working in a zone of emergency situation without network overload.

Keywords: emergency situation, cellular network, mobile communication, mobile station.

С развитием цивилизации, применением всё новых технологий, проведением различных исследований, постоянно возрастает угроза техногенных катастроф. Согласно статистике в опасных зонах проживает - 30 % населения, в чрезвычайно опасных - 10 %. В условиях низкой технологической дисциплины, хронической нехватки финансовых и материальных ресурсов для поддержания основных фондов в рабочем состоянии, возрастает вероятность массовых аварий, техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций (далее по тексту - ЧС). Проведём анализ катастроф в 2012 году [7].

Сведения о чрезвычайных ситуациях, произошедших на территории Российской Федерации в 2012 году

Тип чрезвычайной ситуации Кол-во Пострадало чел. Погибло чел.

Техногенные чрезвычайные ситуации 228 24 075 600

Природные чрезвычайные ситуации 148 70 366 185

Биолого-социальные чрезвычайные ситуации 56 77 1

Всего 432 94 518 787

Данные таблицы свидетельствуют, что количество пострадавших и погибших людей очень велико, более 95 тыс. человек. Необходимо также отметить, что количество ЧС в РФ в 2012 году возросло на 47 % по сравнению с предыдущим годом и количество погибших также увеличилось на 3,5 %.

При этом к спасению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, происшествий и других аварий от МЧС России привлекалось около 2,2 млн человек и более 800 тыс. единиц техники.

Вопрос спасения людей, находящихся в зоне стихийного бедствия, является одним из самых важным. Этот вопрос будет решён тем успешнее, чем большему количеству пострадавших будет предоставлена связь для общения со службами спасения. На первый взгляд, такую связь может предоставить сотовая связь передачи информации, ведь мобильные станции (телефоны) имеются практически у каждого. Но смогут ли базовые станции и центры коммутации мобильной связи выдержать эту нагрузку, даже если они продолжают функционировать при чрезвычайных ситуациях? Анализ чрезвычайных ситуаций, таких как землетрясение в Чили, террористические акты в Москве, наводнения в Крымске и Дальнем Востоке показывают, что из-за резко возросшей нагрузки средства сотовой связи в конечном итоге отключаются [6]. В то же время соседние базовые станции могут остаться недогруженными. Поэтому увеличение абонентской ёмкости сотовых сетей мобильной связи (далее по тексту - ССМС) при возникновении чрезвычайных ситуаций является актуальной задачей. В настоящее время повсеместное бурное развитие массового телекоммуникационного сервиса [1, 2, 5] и ССМС [3, 4] требуют постоянного решения этой задачи.

Одним из направлений увеличения услуг ССМС без изменения частотно-временного ресурса может быть обеспечение связи ресурса мобильной станции (далее по тексту - МС) с базовой станцией (далее по тексту - БС) соседней соты, в то время когда «своя» БС перегружена и не может предоставить услугу связи этой МС. Отказ в предоставлении услуг связи наблюдают многие абоненты, читая сообщения «Линия занята» и т. п. Значительное увеличение в будущем количества пользователей делает ещё более актуальной проблему предоставления услуг большому количеству МС, находящихся в районе обслуживания одной БС. Очевидно, эта проблема остаётся и в ССМС третьего поколения, где используется кодовое разделение каналов, которое имеет более значительные возможности увеличения абонентской ёмкости сети.

1. Ограничения предоставляемых услуг сетями при частотном и временном разделении каналов

В системах множественного доступа с частотным разделением каналов (далее по тексту -МДЧР или FDMA) ограничения предоставляемых услуг определяются общим частотным диапазоном системы Afp и полосой частот Afa,выделяемой одному каналу [3, 4]. Условие ортогональности обеспечивается тем, что спектры канальных сигналов не перекрываются.

В системах множественного доступа с временным разделением каналов (далее по тексту -МДВР или TDMA) ограничения предоставляемых услуг определяются общим временным ресурсом системы Тр (цикла или кадра системы) и временем сеанса связи одного канала Та (временной канал). Несовпадение канальных сигналов во времени обеспечивает выполнение условия ортогональности.

В цифровых стандартах сотовой связи второго, третьего поколения D-AMPS, GSM, PDS применяется комбинация частотного и временного распределения FDMA/TDMA, в рамках которой каждый частотный канал разбивается на временные слоты. При этом каждому абонентскому каналу выделяется лишь часть из частотного и временного ресурсов. В то же время такая комбинация FDMA/TDMA не может дать какого-либо теоретического выигрыша в числе каналов при фиксированном ресурсе. Всё определяется частотно-временным ресурсом систем:

Afp  Tp,

и жёстко лимитируется числом ортогональных сигналов [3, 5].

В качестве примера, рассмотрим реализацию множественного доступа в эфирном интерфейсе GSM. Стандарт GSM предусматривает работу в двух диапазонах частот - 890...915 МГц для передатчиков МС и 935.960 МГц для передатчиков БС. В стандарте используется узкополосный сигнал, ширина полосы канала связи 200 кГц. Реализуется многостанционный доступ, сочетающий частотное и временное разделение каналов.

В рамках частотного разделения с учётом защитных полос организовано 124 дуплексных канала с разносом частот приёма и передачи 45 МГц.

В рамках временного разделения, передача информации по каналу связи осуществляется в течение одного из восьми временных интервалов (слотов) длительностью 557 мкс на каждой из 124 несущих. Организационно 8 слотов объединяются в кадры длительностью 4,615 мс, которые в свою очередь последовательно группируются в мультикадры, суперкадры и гиперкадры.

Предоставление МС услуг связи осуществляется после того, как будет проведена процедура подключения сети. При этом сети известно, что МС с номером IMSI активна и находится в зоне LAI, обслуживаемой соответствующей БС. В памяти МС хранится тот же LAI. Такой результат получается после выбора МС той или иной БС по анализу сигналов от нескольких БС [3, 4, 6]. Выбирается БС, от которой принимается сигнал с максимальным уровнем. Возможна ситуация когда выбранная БС имеет большую нагрузку, чем соседняя, или даже по своей загруженности выбранная БС не может предоставить услуги связи для МС. В то же время соседняя БС могла бы предоставить эти услуги. Вполне возможно, что уровень сигнала соседней БС не ниже порогового, т. е. обеспечивается качественная связь. Таким образом, можно увеличить количество абонентов, которым одновременно предоставляются услуги сети:

1) без изменения частотно-временного ресурса сети;

2) без изменения частотных планов сотовой сети.

Если назначить два пороговых значения:

а) нижнее пороговое значение принимаемого сигнала, гарантирующее «качественную связь»;

б) верхнее пороговое значение загруженности каналов сети выделенных для каждой БС, то незначительными изменениями в алгоритмах выбора БС можно было бы достигнуть вышеуказанного ресурса.

2. Анализ ограничений абонентской ёмкости одной соты в сетях с кодовым разделением каналов

Системы ССМС второго и третьего поколения используют множественный доступ с кодовым

разделением (далее по тексту - МДКР или CDMA) каналов.

В основе CDMA лежит ориентация на широкополосную идеологию построения систем передачи информации, предусматривающую сознательные и многократные расширения полосы передаваемого сообщения по сравнению с той, которая характерна для традиционных узкополосных систем.

В IS-95, работающей в рамках этих поколений, но использующей CDMA, реализовано прямое расширение спектра с использованием функций Уолша длины 64 и двух типов псевдослучайной последовательности: короткой и длинной [3].

Если говорить об абонентской ёмкости, то по различным сведениям [3, 4], CDMA обеспечивает более чем четырёхкратный выигрыш по сравнению с FDMA и TDMA.

В то же время использование широкополосных сигналов ограничивает число физических каналов, предоставляемых одному оператору. Так, для IS-95 по решению Федеральной комиссии связи США одному оператору может быть выделен максимальный диапазон частот равный 12,5 МГц как в прямом, так и в обратном направлениях, что соответствует 10 физическим частотным радиоканалам с полосой в 1,25 МГц.

Выделенный физический канал линий «вверх» используется потребителем на монопольной основе. Из-за того, что каждая МС может использовать для передачи несколько выделенных каналов данных необходимы меры, гарантирующие их разделение в приёмнике БС. Разделение каналов реализовывается как синхронное уплотнение на основе ортогональных канализирующих кодов (далее по тексту - КК). В спецификации стандарта третьего поколения ССМС это называется «ортогональные коды с переменными расширением спектра». По сути, это популярное правило Сильвестра построения матриц Адамара с элементарным переупорядочением строк. А получаемые кодовые слова есть функции Уолша [4].

18 _

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2013'4

При анализе организации линий «вниз» выявляются ограничения абонентской ёмкости одной соты. Каждая МС имеет в своём распоряжении всё дерево канализирующих кодов в целом, поскольку одна МС отделена от другой уникальным законом скремблирования. В линиях же «вниз» скрембли-рующий код для всех МС данной соты один и тот же и служит для разделения сигналов лишь между различными БС. В связи с этим ограничение внутрисотовой абонентской ёмкости определяется в основном КК. Кроме того, указанное ограничение может быть связано с порядком выбора МС той или иной БС для организации связи.

При запросе услуг сети МС, т. е. на этапе захвата пилотного сигнала, МС осуществляет поиск наиболее предпочтительной БС, уровень принятого пилотного сигнала который является максимальным. МС подстраивает под этот сигнал циклические сдвиги опорных коротких псевдослучайных последовательностей в корреляторах и тем самым синхронизируется с БС по короткому коду.

В IS-95 осуществляется два типа эстафетной передачи: мягкая (внутрисистемная) и жёсткая (межсистемная) [3, 4, 6].

При переходе МС из одной соты в другую (мягкая эстафетная передача) МС поддерживает соединение с двумя и более БС. Выбирается БС с сигналом с большей интенсивностью. Такая эстафетная передача практически незаметна для пользователя.

Алгоритм жёсткой эстафетной передачи выполняется тогда, когда интенсивность принимаемого сигнала становится меньше некоторого порогового значения. При этом обслуживающая БС посылает об этом сообщение в центр коммутации мобильной связи. По команде последней, соседние БС с помощью сканирующих приёмников осуществляют измерение уровня сигнала, принимающего от данной МС. Если результат измерения какой-либо БС превысил установленный порог, то центр коммутации мобильной связи инициирует процедуру эстафетной передачи, выделяя для МС один из свободных каналов трафика новой БС. При этом неизбежно прерывание соединения, что негативно сказывается на качестве приёма речевой информации.

Проведённый анализ показывает, в CDMA, так же как и в FDMA/TDMA услуги сети для МС предоставляются только по критерию уровня принимаемого сигнала. Хотя с точки зрения увеличения количества абонентов, одновременно пользующихся услугами сети, без изменения ресурсов сети и соты было бы выгодно дополнительно учитывать загруженность каналов нескольких соседних БС (собственно тех же БС, которые участвуют в режимах инициализации БС и эстафетной передачи).

3. Совершенствование алгоритмов эстафетной передачи систем мобильной связи второго и третьего поколений

Для формализации процедур анализа характеристик и выбора элемента сети необходимо назначить значения следующих параметров:

m* - первоначальное (максимальное) количество рассматриваемых элементов сети (БС или сот), параметры которых анализируются в системах сотовой связи FDMA/TDMA при типовом семи-элементном кластере m*=7;

Pmin - минимальный уровень принимаемого сигнала, который ещё обеспечивает требуемое качество связи;

Wmax - пороговое значение нагрузки элемента сети, при достижении которого необходимо перераспределение нагрузки;

W*max - значение нагрузки не допускающее дополнительную загрузку его элементов (все каналы заняты) Wmax < W*max.

Кроме указанных параметров необходимо ввести текущие координаты алгоритма:

К - номер цикла (первоначально К = 1);

j(K) - номер элемента сети (БС) в рассматриваемом цикле (соответственно j(K - 1) - номер элемента сети в предыдущем цикле);

т - количество рассматриваемых элементов сети в текущем цикле (первоначально т = т*) .

На рисунке представлена структурная схема алгоритма перераспределения нагрузки с использованием указанных параметров.

Алгоритм предусматривает выполнение процедур в несколько циклов К.

Первоначально К = 1. На следующих циклах: К = К + 1 из рассмотрения исключается один из элементов сети: т = т - 1. Результатом анализа и выбора по предполагаемому алгоритму является один из трёх исходов:

выбор элемента в текущем цикле /(К);

выбор элемента из предыдущего цикла, /(К-1);

отказ в предоставлении услуг сотовой сети.

Комментарий к алгоритму:

1. Начало процедур анализа и выбора.

2. Ввод исходных данных: т*; Рт1п, Щтах; Щ*тах.

3. Присвоить текущей координате т значение т*, т = т*.

4. Оценка уровней сигнала ?! и нагрузки элементов сети:

1 = 1 .

1,т

5. Присвоить номер циклу К = 1 (первый цикл).

6. Выбор элементов сети, уровень принимаемого сигнала которого максимален. Выбирается _КК) из условия Р/ — Р1, 1 = 1, (т - 1), 1 ^/.

7. Проверяется условие Р/ — Рт1п. Обеспечит ли выбранный элемент сети требуемое качество связи, если «Да», то перейти к оператору 8, если «Нет» перейти к оператору 14.

8. Проверка условия т = 1. Может быть количество анализируемых элементов равно единице, если «Да», то перейти к оператору 13, если «Нет» перейти к оператору 9.

Проверка условия Щ — Щтах. Нуждается ли в перераспределении нагрузки выбранный элемент сети _КК), если «Да», то перейти к оператору 10, если «Нет» перейти к оператору 13.

9. Исключение элемента _)(К) из рассмотрения в следующем цикле.

10. Присвоить т = т - 1, уменьшить количество анализируемых элементов сети.

11. Присвоить К = К + 1, увеличить на единицу номер текущего цикла алгоритма. Перейти к оператору 6.

12. Проверка условия Щ- — Жтах. Может быть, выбранный элемент физически не может увеличить нагрузку (нет свободных каналов). Если «Да», то перейти к оператору 17, если «Нет» перейти к оператору 16.

13. Проверка условия т = т*, список анализируемых элементов полный. Если «Да», то перейти к оператору 18, если «Нет» перейти к оператору 15.

14. Присвоить выбираемому элементу на текущем цикле значение выбранного элемента в предыдущем цикле: / = /(К - 1), перейти к оператору 17.

15. Выбрать элемент сети для дополнительной нагрузки, выбранный элемент в текущем цикле, ) (К), перейти к оператору 19.

16. Выбрать в качестве сети для дополнительной нагрузки, выбранный элемент в предыдущем цикле, /(К - 1). Перейти к оператору 19.

20 -

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2013'4

17. Отказ в предоставлении услуг сотовой связи. Абонент читает на своем экране «Линия занята» или «Сеть перегружена» и т. п.

18. Вывод результатов анализа и выбора и их реализация.

19. Окончание процедур анализа и выбора.

1

Вход

т* Р Ж

111 > 1 тт '' т,

Ж*

' ' тпт

10

11

12

т = т - 1

к = к + 1

да

Исключение эл-та ]'(к) из рассмотр. в следующем цикле

т = т*

Оценка Р,, Ж,, , = 1 ,т

к = 1

Выбо Р} ^ Р,, , = 1 р т (т - 1), 1 Ф ]

14

Ч — тах

16 17 да Т

Выбор эл-та Выбор эл-та

]

Отказ в предоставлении услуг

20

19

Вывод результатов

Выход

Рис. Структурная схема алгоритма

2

3

4

5

6

7

8

9

Как видно из предлагаемого алгоритма, приоритет по выбору отдаётся уровню принимаемого сигнала, что и реализовано в эксплуатируемых сотовых сетях. Алгоритм предусматривает также учёт нагрузки элементов сети и её перераспределение между соседними БС.

1. При возникновении чрезвычайных ситуаций увеличение абонентской ёмкости сотовых сетей связи позволит большему количеству абонентов, находящихся в зоне ЧС, правильно доложить свое местоположение.

2. Предоставление услуг сотовой сети большему количеству абонентов возможно, если использовать перераспределение нагрузки между соседними БС. При этом остаются неизменными частотно-временной ресурс сети и частотные планы БС и качество связи не ниже заданного.

3. Подлежит изменению алгоритм выбора элемента сети для предоставления услуг связи. Алгоритм кроме уровня принимаемого сигнала, приоритет которого изменяется, дополнительно учитывает нагрузку элементов сети.

4. Применение разработанного алгоритма позволит части абонентов, получающих отказ в предоставлении услуг сети по причине перегрузки сети, всё-таки использовать сотовую сеть для связи через соседнюю БС, по отношению к той БС, которая перегружена.

Литература

1. Веселовский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи / пер. с польского И.Д. Рудинского под ред.

A.И. Ледовского. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006.

2. Гольштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г. Сети связи: Учебник для вузов. СПб.; БХВ-Петербург,

2010.

3. Основы построения систем и сетей передачи информации: Учебное пособие для вузов / В.В. Ломовиц-кий, А.И. Михайлов, К.В. Шестак, В.М. Щекотихин; под ред. В.М. Щекотихина - М.: Горячая линия - Телеком, 2005.

4. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов / В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М. Самойлов,

B.Н. Смирнов; под ред. В.П. Ипатова - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.

5. Шарипов Ю.К., Кобляков В.К. Отечественные телекоммуникационные системы. Изд. 3-е перераб. и доп. - М.: Логос, 2005.

6. Лемешко А.Н. Улучшение показателей качества мобильной связи. Днепропетровск: "Середняк Т.К.", 2013. - 58 с.

7. www\mchs. Gov. ru\upload\iblock\509\30162. (дата обращения: 18.11.2013).