СПОСОБ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ РАДИОДОСТУПА
METHOD TO PLAN RADIO ACCESS NETWORKS

Настоящее изобретение относится к сетям радиодоступа. Это могут быть сети широкополосного радиодоступа стандарта IEEE802.16 (WiMAX) или другие сети, разворачиваемые с целью организации временной сети фиксированного или мобильного радиодоступа в полевых условиях. Такие временные сети радиодоступа обычно разворачиваются в зонах строительства, газо- и нефтеразработок, при проведении различных работ, когда все абоненты в зоне покрытия такой сети должны получать доступ к централизованной информации и обмениваться информацией друг с другом.
Заявленный способ может быть использован при создании автоматизированных программных комплексов планирования сетей радиодоступа на основе цифровых карт местности (ЦКМ). Такие программные комплексы позволят определять оптимальные координаты размещения базовых станций, при которых обеспечивается максимально эффективное покрытие, т.е. минимальное количество т.н. «мертвых зон» (зон с неустойчивым покрытием). Это позволит улучшить качество покрытия (которое выражается в большем отношении сигнал/шум и, как следствие, лучшем качестве связи).
При планировании сети радиодоступа основным принципом является сотовый принцип размещения базовых станций. Как правило, базовая станция имеет антенну с круговой диаграммой направленности. При составлении частотно-территориального плана сети пользуются идеальной моделью, аппроксимирующей зону покрытия круга.
Однако распространение радиоволн в условиях пересеченной местности имеет более сложный характер, чем распространение радиоволн в открытом пространстве. Это связано с эффектом затенения, с отражением радиоволн от препятствий под разными углами и наложением отраженных волн и основной волны в пространстве. В результате получается сложная картина распределения поля: максимумы напряженности поля чередуются с минимумами. Вследствие этого имеет место неравномерное покрытие, т.е. зона покрытия базовой станции представляет собой не круг (фиг.1).
Для планирования сетей радиодоступа существуют специальные программные комплексы, в которых используются цифровые карты местности.
Известны специальные программные комплексы планирования сетей радиодоступа на основе цифровых карт местности, такие как RPLS (Radio PLanning System), RAPAN (Radio Planning & ANalysis) и другие. Такие программные комплексы используют цифровые карты местности, созданные в распространенных геоинформационных системах (ГИС), таких как Mapinfo, Arcinfo, Панорама и другие. Для расчетов зон покрытия в этих программных комплексах используются эмпирические модели распространения радиоволн, например, такие как модель "Окамура-Хата", "Ли" и другие, описанные, например, в книге Radio Propagation for Modern Wireless Systems, Henry L.Bertoni, Prentice Hall Professional Technical Reference, 1999, ISBN: 0130263737.
Исходными данными для проведения планирования в программных комплексах планирования радиосвязи являются: цифровая карта района работ с данными о высоте в каждой точке, координаты размещения базовых станций сети радиодоступа, параметры приемопередающих устройств базовых станций, частотный диапазон, высота подвеса, коэффициент усиления антенн базовых станций.
Цифровые карты местности содержат информацию о рельефе и характере заполнения определенного региона (растительность, водное пространство, строения).
Известны способы расчета покрытия базовой станции на основе цифровых карт местности. Эти способы описаны, например, в Method and apparatus for network planning US 2001/0041565 A1, Method of obtaining an anticipatory estimate of a cell's wireless coverage US 2003/0073442 A1.
В известных программных комплексах планирования сетей радиодоступа на основе цифровых карт местности точки расположения базовых станций задаются пользователем. Недостатком таких программных комплексов является то, что при таком подходе точки расположения базовых станций могут быть неоптимальными, т.е. не обеспечивающими максимально эффективное покрытие. Неоптимальность расположения точек установки базовых станций сети радиодоступа приводит к увеличению количества базовых станций, неэффективному покрытию, которое выражается в наличии «мертвых зон», т.е. зон с неустойчивым покрытием.
Ручной подбор оптимальных координат расположения базовых станций (БС) сети занимает много времени и может не обеспечивать оптимального с точки зрения качества покрытия расположения базовых станций.
Целью настоящего изобретения является разработка способа эффективного планирования сетей радиодоступа, обеспечивающего более эффективное покрытие сети радиодоступа (без увеличения количества базовых станций) путем автоматизированной оптимизации расположения точек установки базовых станций.
Способ эффективного планирования сетей радиодоступа в соответствии с настоящим изобретением заключается в оптимизации координат расположения (точек стояния) базовых станций. Оптимизация координат расположения базовых станций заключается в вычислении оптимальных координат расположения базовых станций и последовательном изменении координат расположения базовых станций с целью обеспечения требуемого уровня сигнала в зоне покрытия сети радиодоступа.
Технический результат заключается в улучшении качества покрытия сети радиодоступа, которое выражается в уменьшении т.н. «мертвых зон» и увеличении количества зон с требуемым уровнем сигнала.
Минимально допустимый уровень сигнала в зоне покрытия зависит от используемого оборудования и при использовании программных комплексов задается пользователем в качестве входного параметра.
В настоящем изобретении предложен и реализован алгоритм эффективного планирования сети радиодоступа.
Сущность изобретения поясняется с помощью следующих фигур.
Фиг.1. Иллюстрация наложения сетки с крупной ячейкой на зону покрытия базовой станции.
Фиг.2. Иллюстрация наложения сетки с мелкой ячейкой на зону покрытия базовой станции.
Фиг.3. Пример отображения зоны с недопустимо низким уровнем сигнала.
Фиг.4. Алгоритм планирования (оптимизации точек расположения базовых станций) сети.
Фиг.5. Алгоритм вычисления координат перемещения точки расположения базовой станции.
В соответствии с настоящим изобретением способ планирования сетей радиодоступа заключается в последовательном анализе площади покрытия, выявлении зон с недопустимо низким уровнем сигнала и изменении координат точек расположения базовых станций.
В соответствии с настоящим изобретением находятся координаты центра зоны с недопустимо низким уровнем сигнала, выбирается совокупность из трех базовых станций, наиболее близко расположенных к данному центру зоны. Затем определяются последовательности ячеек, кратчайшим образом соединяющие точки установки каждой базовой станции с центром рассматриваемой зоны с недопустимо низким уровнем сигнала. Полученные последовательности ячеек сравниваются по длине (количеству ячеек, входящих в последовательность). Затем три рассматриваемые базовые станции классифицируются по приоритету перемещения. В первую очередь изменяются координаты самой дальней базовой станции. После каждого перемещения на одну ячейку осуществляется пересчет количества ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала во всей сети, для того чтобы проверить, что улучшение в одной зоне не привело к ухудшению в другой. Далее, эта процедура повторяется для всех зон с недопустимо низким уровнем сигнала в сети.
Блок-схема алгоритма планирования сети радиодоступа представлена на фиг.4.
доп
На этапе 401 выбирается шаг сетки, которая накладывается на ЦКМ. Чем меньше шаг сетки (т.е. периметр ячейки сетки), тем точнее расчеты, но вместе с тем возрастает объем вычислений, необходимых для оптимизации. Данный параметр определяется пользователем исходя из требуемой точности и мощности ЭВМ. В программных комплексах для планирования сетей на базе цифровых карт местности каждой ячейке ставится в соответствие высота над уровнем моря, характер заполнения местности. Кроме того, каждой ячейке ставится в соответствие кроме прочих параметров усредненный уровень сигнала БС (напряженность поля, создаваемого антенной БС в данной ячейке). Минимально допустимый уровень сигнала индивидуален для разного типа оборудования и задается пользователем перед началом работы в качестве входного параметра W.
доп
На этапе 402 определяется общее количество ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала в сети N_bad. Под ячейкой с недопустимо низким уровнем сигнала понимается ячейка, в которой усредненный уровень сигнала БС ниже допустимого уровня W.
На этапе 403 определяется количество отдельных зон с недопустимо низким уровнем сигнала в сети N_zone. Под зоной с недопустимо низким уровнем сигнала понимается отдельно находящаяся ячейка с недопустимо низким уровнем сигнала или группа ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала. Под группой ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала понимается совокупность всех прилегающих друг к другу ячеек. На фиг.3 показан пример одной такой зоны в сети.
На этапе 404 счетчик номера рассматриваемой зоны с недопустимо низким уровнем сигнала i_zone устанавливается в значение 1.
На этапе 405 определяется количество ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала в зоне с номером i_zone.
На этапе 406 с помощью алгоритма, представленного на фиг.5, определяется БС с координатами (x, y), которую следует переместить, и координаты (x_new, y_new) для перемещения координат данной БС. Перемещение координат расположения БС означает ее перемещение в сторону зоны с недопустимо низким уровнем сигнала, а именно к центру этой зоны.
На этапе 407 определяется количество ячеек в рассматриваемой зоне с недопустимо низким уровнем сигнала при текущих координатах стояния БС (x, y) и при координатах (x_new, y_new).
На этапе 408 осуществляется проверка количества ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала при текущих координатах (x, y) и при координатах (x_new, y_new) в зоне i_zone. Если количество ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала не изменилось или уменьшилось, то осуществляется переход к этапу 406. Если количество ячеек с недопустимо низким уровнем сигнала увеличилось, то осуществляется переход к этапу 411, на котором счетчик номера рассматриваемой зоны с недопустимо низким уровнем сигнала i_zone увеличивается на 1, после чего осуществляется переход на этап 412.
На этапе 412 счетчик номера зоны с недопустимо низким уровнем сигнала (i_zone) сравнивается с общим количеством зон с недопустимо низким уровнем сигнала. Если i_zone>N_zone, то оптимизация завершена и осуществляется переход к этапу 413. Если i_zone≤N_zone, то осуществляется переход к этапу 405. На этапе 413 осуществляется вывод статистики.
На фиг.5 представлена блок-схема алгоритма определения базовой станции, координаты стояния которой следует переместить, и поиска координат (x_new, y_new) для перемещения данной базовой станции.
На этапе 501 осуществляется определение координат центра (Xc, Yc) зоны с номером i_zone.
В настоящем изобретении для определения центра зоны с недопустимо низким уровнем сигнала предлагается использовать методику нахождения центра масс неоднородного плоского тела. Центр зоны определяется с помощью формул для нахождения центра масс неоднородного плоского тела. Обозначим зоны с недопустимо низким уровнем сигнала как систему материальных точек:
1
1
1
2
2
2
n
n
n
Р(x, y); P(x, y); …, P(x, y),
1
2
3
n
с массами m, m, m, …, m, причем под точкой понимается ячейка, а масса в данном случае является мерой уровня сигнала, т.е. уровень сигнала в данной ячейке. Причем чем ниже уровень сигнала, тем больше его масса.
i
i
i
i
i
Произведения xm и ym называются статическими моментами массы m относительно осей Oy и Ох.
Обозначим через (Xc, Yc) координаты центра тяжести данной зоны. Тогда в соответствии с формулой для нахождения центра масс неоднородного плоского тела координаты его центра тяжести определяются формулами:
На этапе 502 выбираются три БС, расположенные наиболее близко к центру масс (т.е. к центру зоны i_zone).
На этапе 503 вычисляются расстояния r1, r2, r3 от каждой из трех базовых станций до центра зоны с номером i_zone и координатами (Хс, Yc). Точки стояния базовых станций обозначаются через (X1, Y1), (X2, Y2) и (X3, Y3).
На этапе 504 вычисляется максимальное расстояние из r1, r2, r3.
На этапе 505 определяется последовательность ячеек, кратчайшим образом соединяющая ячейку с координатами (Xc, Yc) и ближайшую базовую станцию.
На этапе 506 определяются координаты (x_new, y_new) следующей ячейки из последовательности, определенной на этапе 505.
Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами.
1. Возможность автоматизировать процесс планирования и оптимизации сети радиодоступа (определение координат точек расположения базовых станций, при которых обеспечивается наилучшее покрытие).
2. Возможность уменьшения «мертвых зон» в сети радиодоступа без увеличения количества базовых станций.
Настоящее изобретение может быть использовано при разработке программных комплексов для автоматизированного планирования полевых сетей радиодоступа на базе цифровых карт местности.