СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОСВЯЗИ В СЕТИ СОТОВОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2006 года по МПК H04B7/26 H04Q7/36 

Способ построения сети сотовой связи относится к системам радиосвязи и передачи информации.

В основе организации систем сотовой связи лежит разделение обслуживаемой территории на микрозоны - соты. См., например, патент США №5418779 по классу H 04 L 12/48 "Архитектура сети с высокоскоростной коммутацией".

В известной сотовой системе связи зона обслуживания полностью покрыта сотами, в центре которых размещены базовые станции (БС). БС расположены на равном расстоянии друг от друга, образуя правильные треугольники. Условно геометрию отдельной сотовой ячейки с учетом перекрытия принимают правильным шестиугольником, в центре описанной окружности которого располагается БС. Принцип построения сотовых сетей дает возможность снизить дефицит радиоканалов за счет их повторного использования, однако это приводит к относительному избытку количества БС. В районе обслуживания осуществляется управление переключением каналов между радиозонами с таким расчетом, чтобы при переходе подвижного объекта из одной зоны в другую радиообмен мог продолжаться без перерыва. Выполнение последнего условия приводит к перекрытию зон, что вызывает нежелательную межканальную интерференцию и увеличение мощности передатчиков.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ построения сети сотовой связи, описанный в авторском свидетельстве СССР №1626412 А1 по классу Н 04 В 7/26 "Способ радиосвязи с подвижными объектами в системе связи сотовой структуры", принятый за прототип.

На фиг.1 приведена геометрия расположения БС (малые кружки) и зоны связи (большие круги) известного устройства. Принцип построения сотовых сетей, основанный на повторном использовании частот в различных зонах обслуживания, дает возможность снизить дефицит радиоканалов за счет их повторного использования, однако это приводит к относительному избытку количества БС. Известная архитектура сотовой связи состоит из БС, расположенных в вершинах треугольников, которые управляют мощностью трансмиттеров с условием, что при переходе подвижного объекта из одной зоны в другую радиообмен продолжается без перерыва. Регулирование мощности передатчиков базовые станции проводят на основании измерений и команд подвижных объектов, т.е. по схеме с обратной связью. Для каждого канала прямого трафика мощность регулируют индивидуально. В процессе регулирования мощности БС периодически изменяют мощность излучения в канале. Мощность понижается до тех пор, пока подвижный объект не зарегистрирует превышение порогового уровня частоты ошибочных кадров и не пошлет запрос на увеличение мощности передатчика базовой станции. Получая команды подвижных объектов, БС повышают мощность излучения в соответствующих каналах трафика, при этом она перераспределяет выделенный ей системой и жестко ограниченный ресурс мощности.

Для обеспечения эффективности радиосвязи путем расширения зоны обслуживания при сохранении числа БС в прототипе предлагается круговое сканирование с помощью фазированных антенных решеток, установленных на базовых станциях, куда поступают сигналы от подвижных объектов. Использование фазированных антенных решеток требует запоминания азимутального угла подвижного объекта относительно БС и осуществлять соединение с подвижным объектом только во время пересечения главного лепестка диаграммы направленности фазированной антенной решетки базовой станции подвижного объекта. Для нормальной загрузки системы связи требуется равномерное распределение подвижных объектов по азимутальному углу диаграммы направленности, что трудно обеспечить в реальных условиях. При этом возрастают межканальные помехи и расходуется дополнительная мощность трансмиттеров.

На фиг.1 видно, что в сотовой системе-прототипе зона обслуживания полностью покрыта сотами, в центре которых размещены БС. БС расположены на равном расстоянии друг от друга, образуя правильные треугольники.

Недостатками способа-прототипа является использование фазированных антенных решеток и устройства запоминания азимутального угла подвижного объекта относительно БС, а также относительно большое перекрытие зон обслуживания, приводящее к межканальной интерференции и избыточной мощности трансмиттеров, и низкая связность сети при повышенной вероятности выхода из строя узлов и линий связи.

Для устранения указанных недостатков в способе построения радиосвязи в сети сотовой структуры, при котором обслуживание находящихся в данном районе мобильных станций производится с условием, что при переходе подвижной станции из одной зоны в другую радиообмен продолжается без перерыва, согласно изобретению базовые станции располагают в вершинах равносторонних пятиугольников с двумя несмежными прямыми углами, покрывающих обслуживаемую территорию без разрывов, при этом станции с меньшим радиусом располагают в вершинах квадратов, образуемых точками пересечения взаимно перпендикулярных прямых линий, проходящих через три последовательно расположенные базовые станции, и обеспечивают связность сети при повышенной вероятности выхода из строя узлов и линий связи.

Заявляемый способ построения сети сотовой связи основывается на решении задачи оптимального размещения на земной поверхности базовых станций сотовой сети с равномерной (круговой) зоной обслуживания, обеспечивающего минимальное взаимное перекрытие зон обслуживания. При этом зоны обслуживания перекрываются без зазора (без зазоров между зонами обслуживания), чем обеспечивается радиообмен без перерыва. Для этого используем следующий подход. Для предложенной сотовой сети фиг.2 и обозначений, используемых на фиг.1, площадь взаимного перекрытия γ будет определяться по аналитической формуле

где β - смежный угол перекрытия, показанный на фиг.2.

Отсюда оптимальное решение определяется по формуле:

Действительными корнями уравнения (2) будут: β₁=-90° и β₂=125,25°. Для обеспечения покрытия плоской поверхности равносторонними пятиугольниками без разрывов, если выбраны два угла пятиугольника по 90°, остальными углами будут: 132° (между углами в 90°) и два угла по 114°. Длину стороны равностороннего пятиугольника обозначим через l. Вершины пятиугольника, находящиеся на пересечении взаимно перпендикулярных углов (90°), образуют квадрат со стороной h=s=1,827l (фиг.2). В этих вершинах располагаются базовые станции, обеспечивающие радиус зоны связи 0,4355l, а в вершинах с углами 114 и 132° передатчики с радиусом зоны связи 0,7574l.

Оптимальность выбранной геометрии подтверждается расчетами. Для гексагональных сот (фиг.1) и предложенной геометрии (фиг.2) выделим фрагменты в виде шестиугольников, показанных сплошными жирными линиями. Степень перекрытия определим как отношение площади перекрытия к общей площади, ограниченной сплошными жирными линиями:

Для повышения точности оценки степени перекрытия зон при различном размещении БС территория обслуживания радиостанцией БС выбирается большей площади при сохранении условия обеспечения необходимого уровня принимаемого сигнала. Для нахождения оптимального размещения БС рассмотрим возможные геометрии размещения БС: а) равносторонних треугольников, б) квадратов, в) пятиугольников, г) шестиугольников. Случаи а) и г) являются совпадающими, так как из равносторонних треугольников можно построить шестиугольные соты. Поэтому будут рассматриваться только треугольные структуры, которые можно представлять и в виде ромбов, имеющих острый угол, равный 60°.

Рассмотрим сотовые сети, где линии связи можно представить в виде сетки, состоящей из множества ромбов, имеющих острый угол, равный 60° (фиг.3).

Считая, что мощности трансмиттеров БС на всех частотах одинаковы, получим, что площадь секторов облучения внутри любых треугольников сотовой сети будет одинаковой и равной , где l - расстояние между базовыми станциями.

Площади треугольников, выделенных штриховыми линиями на фиг.3, равны S₃=2,132l². Для сотовой сети, состоящей из квадратов, аналогичная площадь будет S₄=2,5l².

На фиг.4 приведена заявляемая пятиугольная структура сотовой сети. Площадь треугольника, соединяющего базовые станции с частотой номер 3 (показан штриховой линией), будет S₄=2,87l².

Для фрагмента, приведенного на фиг.1 (гексагональные соты), получим δ₆=21,1%. Для предложенной геометрии (фиг.4) δ_нов=19,9%. Следовательно, в предложенной геометрии доля площади перекрытия будет на 6% меньше, чем в гексагональных сотах.

Следовательно, из рассмотренных геометрий построения сотовой сети, обеспечивающих полное покрытие территории, заявляемая пятиугольная система сотовой связи обеспечивает наименьшее перекрытие зон обслуживания и экономию мощности трансмиттеров.

Оценим живучесть и связность известных шестиугольных и предлагаемых пятиугольных систем сотовой связи. Связностью сети называют минимальное число независимых путей, имеющихся между каждой парой узлов сети. У полносвязной сети связность на единицу меньше числа узлов, древовидная сеть является односвязной, петлевая сеть является двухсвязной.

Надежностью называется свойство объекта, заключающееся в его способности выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации. Надежность характеризуется вероятностью безотказной работы объекта в определенном интервале времени. Живучестью сети называется вероятность ее функционирования в условиях повышенной вероятности выхода из строя как линий (ребер графа связности сети), так и узлов. Поэтому для характеристики живучести можно принять как вероятность сохранения связности, так и вероятность снижения числа возможных связей между представленными парами узлов сети.

Показатели использования канала характеризуют как саму сеть и алгоритм управления, так и ее загрузку. Для заданного отрезка времени можно выделить три основных состояния канала в сети: заблокированное, когда канал не может быть использован из-за неисправности или выключения; свободное, когда канал исправен и включен, но не используется из-за отсутствия потребности или из-за блокировок в системах коммутации; занятое, когда канал используется для передачи какой-либо информации или включен в тракт передачи. В последнем состоянии канал, как правило, используется не полностью для передачи сообщений. В сетях с коммутацией каналов часть времени канал занят для передачи управляющей информации, связанной с установлением соединения. Часть времени теряется на ожидание ответа и опрос, а во время передачи информации часть времени уходит на различные паузы и переспросы или передачу избыточной информации для повышения верности. Время использования канала оценивается как отношение занятого времени канала к рассматриваемому отрезку времени.

В качестве показателей живучести рассматриваются математическое ожидание числа М(α) и средняя доля выживших соединений D(α) при известной вероятности р выживания дуг или узлов.

Сеть является развивающейся. В ней наблюдается приращение хотя бы одной из топологических характеристик сети.

Узлы полнодоступны. Состояние дуг, узлов сети - бинарное (есть или нет). После разрыва дуги, выхода из строя узла самостоятельное существование и действие расчлененных частей сети возможно, если число выживших узлов, связанных дугами, больше или равно двум.

В продолжение к сказанному возникает вторая составляющая задачи: как влияет дерево кратчайших путей (ДКП) на живучесть сети, какая взаимосвязь существует между ДКП, вероятностью дуг или узлов и живучестью сети.

Рассмотрим сети на основе шестиугольных и пятиугольных сотовых сетей. При этом ДКП может быть двух типов - с корнем в центре и с корнем в периферийном узле. При этом корень ДКП - исток, все остальные узлы - стоки. В полнодоступной сети общее число путей от каждого корня до всех остальных узлов будет

где n - число узлов сети.

Учитывая, что периферийных узлов (n-1), получим

где М(α_p) - математическое ожидание числа выживших соединений

при разрыве ребер.

Учитывая, что доля выживших соединений D(α_p)=М(α_p)/τ и подставляя (4) в формулу (5), получим

При воздействии на узлы (дуги неуязвимы) связь смежных узлов осуществляется с вероятностью р². Соотношение для расчета математического ожидания числа выживших соединений при "гибели" узлов принимает вид

Средняя доля выживших соединений

Таким образом, живучесть звездообразной сети при "гибели" узлов в р раз меньше, чем при разрыве дуг.

Оценим среднюю долю выживших соединений для гексагональной n=7

и для пентагональной n=6 сотовой сети

Вычитая из последнего выражения предыдущее, получим

Для оценки последнего выражения построим график функций ΔD(α_y) и ΔD(α_p)(фиг.5). Из полученных кривых видно, что пентагольные соты имеют большую выживаемость по сравнению с гексагональными для небольшой вероятности связи между узлами, которую принимаем равной для всех узлов 0≤p≤2/9, т.е. при большой вероятности потерь этих связей. Часть этих кривых, расположенная над прямой ΔD(α_p)=ΔD(α_y)=0, указывает на этот диапазон. Вероятность сохранения линий связи (ребер) выше вероятности сохранения работоспособности узлов. Максимальный выигрыш пентагональные соты перед гексагональными дают при р=1/9, который равен ΔD(α_p)=0,00265.

Помимо радиосетей предложенная геометрия сотовой связи может использоваться и для других видов связи: проводной, оптической и др.

Изобретение относится к системам связи и может быть использовано для оказания услуг радиосвязи. Технический результат состоит в уменьшении степени перекрытия зон обслуживания, снижении мощности трансмиттеров и обеспечении связности сотовой сети при повышенной вероятности выхода из строя узлов и линий связи. Способ построения радиосвязи в сети сотовой структуры заключается в том, что базовые станции расположены на равном расстоянии l друг от друга, образуя пятиугольники, два несмежных угла которых равны 90°, зоны связи покрывают обслуживаемую территорию без разрывов, базовые станции имеют круговую диаграмму направленности и два радиуса зон связи r и R. 5 ил.

Способ построения радиосвязи в сети сотовой структуры, при котором обслуживание находящихся в данном районе мобильных станций производится с условием, что при переходе подвижной станции из одной зоны в другую радиообмен продолжается без перерыва, отличающийся тем, что базовые станции располагают в вершинах равносторонних пятиугольников с двумя несмежными прямыми углами, покрывающих обслуживаемую территорию без разрывов, при этом станции с меньшим радиусом располагают в вершинах квадратов, образуемых точками пересечения взаимно перпендикулярных прямых линий, проходящих через три последовательно расположенные базовые станции, и обеспечивают связность сети при повышенной вероятности выхода из строя узлов и линий связи.