Programiniai GSM talpos didinimo būdai

Įvadas

GSM paslaugos tapo pačios populiariausios Europoje ir vienos iš populiariausių pasaulyje, o GSM telefonas perėjo iš prabangos reikmenų kategorijos į vartojamųjų reikmenų kategoriją. Jau dabar mobiliųjų telefonų Lietuvoje yra daugiau negu fiksuoto ryšio telefonų.

Toks GSM pasisekimas, be akivaizdžių pranašumų, yra ir didelis iššūkis standartų kūrėjams, įrangos gamintojams ir tinklų operatoriams. Bevieliai tinklai turi perduoti didelius informacijos kiekius, bet tam reikia įvairiais būdais padidinti GSM tinklo talpą.

Šiame straipsnyje apžvelgsime veiksnius, kurie lemia GSM tinklo talpą, ir išanalizuosime programinius GSM tinklo talpos padidinimo būdus. Nagrinėsime telefonų ir stočių galios reguliavimą (Uplink Power Control and Downlink Power Control), trūkųjį siuntimą (DTX – Discontinuous Transmission) ir dažnių keitimo (Synthesized Frequency Hopping – SFH) technologijas. Apskaičiuosime, kokia būtų GSM sistemos talpa be paminėtų priemonių, ir teoriškai įvertinsime jų duodamą naudą. Pateiksime GSM tinklo matavimų rezultatus, kurie patvirtina programinių talpos didinimo priemonių efektyvumą.

GSM tinklo planavimas

GSM tinklas yra skaitmeninio ryšio tinklas, aprašytas ETSI standartų GSM dalyje, o radijo dalies pagrindinės ypatybės išdėstytos [1]. Dėl daugelio techninių, ekonominių ir politinių priežasčių šis tinklas yra plačiausiai naudojamas tinklas pasaulyje. Jo vartotojų skaičius ir apkrova labai sparčiai auga – 50–100 % per metus, taigi per keletą metų išauga iki kelių šimtų kartų.

GSM tinklas yra planuojamas taip, kad jo aprėpties zonoje būtų užtikrintas pakankamas signalo lygis bei pakankamas signalo ir trukdžio santykis pagal taisykles, išdėstytas [2, 3]. Apskaičiuoti rezultatai, esant sklidimo atstumams 0,5; 1 ir 2 km (miesto sąlygomis), 10 dB signalo dispersijai ir 150 dB GSM kanalo galių biudžetui, parodyti 1 paveiksle.

Matome, kad ribinis GSM signalo lygis –104 dBm ir pakankama ryšio kokybė miesto sąlygomis gali būti garantuota tik 0,5–1,5 km nuo stoties. Praktikoje šis atstumas dar svyruoja priklausomai nuo reljefo, pastatų aukščio, tipo ir slopinimo.

1 pav. Skambučių nutrūkimo priklausomybė nuo signalo lygio

Panašiai galime apskaičiuoti, koks gali būti signalo ir trukdžio santykis (C/I), esant įvairioms dažnio pakartotinio naudojimo schemoms. Modeliavimo rezultatai, kai signalo dispersija yra 10 dB, o dažniai pakartotinai naudojami kas 1, 3, 9, 12 ir 21 narvelį (pakartotinio naudojimo schemos 1x1, 1x3, 3x3, 3x4, 3x7), parodyti 2 paveiksle. Matome, kad ribinis signalo ir trukdžio santykis 9 dB ir pakankama ryšio kokybė galima esant 12 unikalių dažnių, tai yra naudojant 3x4 pakartotinio naudojimo schemą.

2 pav. Skambučių nutrūkimo priklausomybė nuo trukdžių. Čia 1x1, 1x3, 3x3, 3x4, 3x7 yra pakartotinio naudojimo schemos kai dažniai pakartotinai naudojami kas 1, 3, 9, 12 ir 21 narvelį

Tačiau tai tik teoriniai rezultatai. Praktikoje pakankama kokybė užtikrinama tik naudojant 21 dažnio (3x7) pakartotinio naudojimo schemą, kurios C/I yra 4 dB didesnė. Taip yra todėl, kad C/I dispersija yra didesnė nei 10 dB. Pagrindinės to priežastys yra nevienodi atstumai tarp stočių, skirtingi stočių aukščiai ir nevienodos sklidimo sąlygos.

Trukdžių mažinimas taikant galios reguliavimą (Power Control) ir trūkųjį siuntimą (Discontinuous Transmission)

Iš modeliavimo rezultatų matome, kad, norint užtikrinti GSM sistemos kokybę, ši sistema skaičiuojama blogiausiam atvejui ir turi veikti su didele priimamo signalo lygio atsarga. Kadangi gera signalo kokybė turi būti užtikrinta net ir narvelio pakraščiuose, todėl arčiau narvelio centro gaunama dar didesnė kokybės atsarga.

Reguliuojant galią (PC – power control) konkretaus GSM seanso trukdžių ir signalo lygis nuolat pritaikomas prie minimalaus galimo lygio. GSM sistemose galia reguliuojama pagal [4] aprašytus algoritmus. Signalo lygis matuojamas dBm, o jo kokybė matuojama klaidų skaičiumi kanale (RxQual). Šie matavimai atliekami nuolat aktyvios GSM sesijos metu kas 480 ms, o reguliuojama 1–2 kartus per sekundę. Išmatavus radijo kanalo parametrus GSM sistema reguliuoja mobilios ir bazinės stočių galią taip, kad radijo parametrai neišeitų už nustatytų ribų (veikia kaip tipiška sistema su neigiamu grįžtamuoju ryšiu).

Norint, kad ši sistema veiktų optimaliai, reikia atskirti BCCH ir TCH kanalų dažnius, kad nebūtų sąveikos tarp nereguliuojamų arba beveik nereguliuojamų BCCH kanalų ir TCH kanalų, kurie gali būti reguliuojami be jokių apribojimų. Taip pat reikia optimaliai parinkti galios reguliavimo algoritmų parametrus, kad būtų galima: 1) maksimaliai sumažinti GSM sistemos spinduliuojamą galią, padidinti grįžtamojo ryšio koeficientą; 2) pasiekti maksimalų reguliavimo greitį; 3) išvengti sistemos nestabilumų dėl per didelio grįžtamojo ryšio koeficiento ir/ar reguliavimo greičio; 4) išlaikyti reguliuojamo ryšio kanalo kokybę [5].

Galios reguliavimo įtaka kokybiniams parametrams [5] parodyta 3 paveiksle. Rezultatai gauti modeliuojant daugelio telefonų GSM sistemoje elgseną įvertinant signalo sklidimo dispersiją erdvėje, fliuktuaciją laikui bėgant ir mobiliųjų telefonų tarpusavio trukdžius.

Grafikas rodo, koks procentas matavimo atskaitų priskiriamas vienai ar kitai C/I vertei (kumuliatyvinė C/I pasiskirstymo funkcija – CDF) dviem atvejais: 1) kai galios reguliavimas išjungtas (gcomp=0 ir qcomp=0); 2) kai galia reguliuojama pagal priimamo signalo lygį (gcomp=0,5) ir pagal priimamo signalo kokybę (qcomp=0,5). Čia gcomp ir qcomp yra siuntimo galios reguliavimo gylį nurodantys koeficientai. Matome, kad mobiliojo telefono siuntimo galios iš viso nereguliuojant, nepakankama signalo kokybė (C/I < 9dB) bus 10 % atvejų. Kai siuntimo galia reguliuojama pagal priimamo signalo galią ir kokybę, problemiškų vietų sumažėja apie du kartus.

3 pav. Įvairių galios reguliavimo algoritmų efektyvumas. CDF parodo, koks procentas matavimo atskaitų priskiriamas vienai ar kitai C/I vertei dviem atvejais: 1) kai galios reguliavimas išjungtas (gcomp=0 ir qcomp=0); 2) kai galia reguliuojama pagal priimamo signalo lygį (gcomp=0,5) ir pagal priimamo signalo kokybę (qcomp=0,5)

Gautą kokybės padidėjimą galima perskaičiuoti į talpos padidėjimą, įvertinus C/I pokytį. Matome, kad, esant tai pačiai kokybei, C/I santykis gali būti sumažintas 4 dB (jei CDF=10 %, C/I kinta nuo 8 dB iki 12 dB). 1 paveiksle buvo parodyta, kad 4 dB C/I pokytis yra tarp schemos 3x7 ir 3x4. Įvertinus papildomą 3 dB trukdžių sumažėjimą dėl DTX (Discontinuous Transmission) C/I pokytis gali siekti iki 7 dB ir net 3x3 dažnio pakartotinio naudojimo schema tampa galima.

Žinant galimas dažnio pakartotinio naudojimo schemas, stoties aptarnavimo zoną ir GSM kanalų skaičių, galima apskaičiuoti, kokią maksimalią apkrovą kvadratiniame kilometre galima pasiekti (Erl/km²). Gauti rezultatai, kai stoties darbo spindulys yra 0,5 km ir turime 40 GSM kanalų dažnių juostą bei naudojamos įvairios technologijos kartu su įvairiomis dažnių pakartotinio naudojimo schemomis, parodyti 1 lentelėje.

1 lentelė. GSM sistemos talpos priklausomybė nuo galios reguliavimo – PC (Power Control), trūkiojo siuntimo – DTX (Discontinuous Transmission) ir dažnių pakartotinio naudojimo schemų

Iš modeliavimo rezultatų matome, kad GSM sistemos talpa, kai papildomos programinės priemonės nenaudojamos, yra apie 28 Erl/km². Panaudojus galios reguliavimo ir trūkiojo siuntimo technologijas TCH nešliams galima taikyti 3x3 dažnių pakartotinio naudojimo schemą ir padidinti maksimalią sistemos talpą apie du kartus – iki 60 Erl/km².

Trukdžių mažinimas taikant dažnių kitimo technologiją (Frequency Hopping)

Norint toliau didinti GSM sistemos talpą, būtina mažinti naudingojo ir trikdančiojo signalų dispersiją. Pats efektyviausias būdas GSM sistemoje yra dažnių kitimo technologija – SFH (Synthesized Frequency Hopping), kurios esmė – pastovus ir spartus (217 kartų per sekundę) dažnių kitimas kiekviename GSM narvelyje. Taigi nebelieka narvelių, kurių naudojamiems dažnio kanalams C/I vertė yra labai didelė arba labai maža. Naudojant 8 dažnio kanalus viename narvelyje, C/I vertė praktiškai tampa vidutine visų panaudotų kanalų C/I verte. Naudojant SFH, signalo lygio svyravimai, kurie yra labai priklausomi nuo dažnio ir signalo lygio vidurkinimo, tampa stacionaresni ir narvelyje labai sumažėja žemo signalo lygio situacijų. Tai ekvivalentiška apie 3–5 dB jautrumo pagerėjimui. Analogiškai sumažėja ir trikdančiojo signalo dispersija. Dėl to labai padidėja sistemos atsparumas trukdžiams. Tyrimų rezultatai, aprašyti [6], parodyti 4 paveiksle.

4 pav. Prarastų paketų skaičiaus – FER (Frame Error rate) priklausomybė nuo C/I ir dažnių skaičiaus narvelyje. Čia N = 1; 2; 3; 4; 8 – dažnių skaičius viename narvelyje

Kaip matome, kai narvelyje yra pakankamas dažnių skaičius, galima iki 9 dB padidinti sistemos atsparumą trukdžiams. Šis padidėjimas yra net didesnis už atsparumo trukdžiams padidėjimą naudojant galios reguliavimo ir trūkiojo siuntimo (PC ir DTX) technologijas.

Dėl tokio didelis atsparumo trukdžiams padidėjimo galima naudoti agresyvesnes 1x3 ir 1x1 dažnių pakartotinio naudojimo schemas, kai vienodi dažniai naudojami kas stotis (1x3 schema) arba net kas narvelis (1x1 schema). Teorinių skaičiavimų ir praktinių tyrimų metu nustatyta, kad, naudojant, PC ir DTX technologijas bei esant 1x3 schemai, vidutinis SFH dažnių užimtumas gali siekti 40 %. Naudojant 1x1 schemą vidutinis dažnių užimtumas gali siekti 20 %. Viršijus apskaičiuotą dažnių užimtumą vidutinė C/I vertė, gauta naudojant SFH, pradeda greitai mažėti, o signalo kokybė prastėti.

Maksimali GSM sistemos talpa, esant 0,5 km stoties darbo spinduliui, 40 GSM kanalų dažnių juostai ir 40 % užimtumui 1x3 dažnių pakartotinio naudojimo schemai bei 20 % užimtumui – 1x3 schemai, parodyta 2 lentelėje.

2 lentelė. GSM sistemos talpos priklausomybė nuo naudojamų PC, DTX, FH technologijų ir dažnių pakartotinio naudojimo schemų

Iš modeliavimo rezultatų matome, kad taikant dažnio keitimo algoritmus TCH nešliams galima naudoti 1x1 dažnių pakartotinio naudojimo schemą ir maksimalią sistemos talpą galima padidinti apie 1,8 karto – iki 105 Erl/km².

Praktiniai rezultatai

Didėjant GSM klientų skaičiui ir apkrovai, „Omnitel‘‘ nuosekliai diegė visas straipsnyje aptartas technologijas. Iš pradžių buvo įdiegtas galios reguliavimas (PC), o paskui trūkusis siuntimas (DTX) ir kintančio dažnio (FH) pakartotinio naudojimo schemos 1x3 ir 1x1. Aptartų technologijų efektyvumo kriterijumi gali būti tinklo kokybės parametrų kitimas laikui bėgant. Vienas iš pagrindinių GSM tinklo kokybės parametrų yra nutrūkusių skambučių procentas. Šio parametro „Omnitel‘‘ tinkle priklausomybė nuo laiko parodyta 5 paveiksle.

5 pav. „Omnitel‘‘ tinklo nutrūkusių skambučių kitimas vidutinės vertės atžvilgiu laikui bėgant

Kaip matome, nuolat didėjant abonentų skaičiui ir perduodamos informacijos srautams, tuo pačiu metu nuosekliai diegiant aptartas programines GSM tinklų talpos didinimo technologijas, vieną iš esminių GSM tinklo kokybės parametrų – nutrūkusių skambučių procentą – pavyko išlaikyti beveik pastovų.

Išvados

Darbe buvo apžvelgti fizikiniai veiksniai, lemiantys GSM tinklo talpą, ir detaliai išanalizuoti programiniai GSM tinklo talpos padidinimo būdai. Tai yra telefonų ir stočių galios reguliavimas (Power Control), trūkusis siuntimas (Discontinuous Transmission) ir dažnių keitimas (Synthesized Frequency Hopping – SFH). Iš modeliavimo rezultatų matome, kad GSM sistemos, kurios stoties darbo spindulys yra 0,5 km, talpa nenaudojant papildomų programinių priemonių yra apie 28 Erl/km². Kuriant GSM sistemą buvo orientuojamasi į daug didesnes bazinių stočių aprėpties teritorijas, gerą kokybę ir ribotą sistemos apkrovą, tačiau pastaruoju metu smarkiai plečiantis mobiliojo ryšio paslaugų vartojimui reikėjo padidinti sistemos talpą išlaikant gerą paslaugų kokybę.

Iš modeliavimo rezultatų matome, kad galios reguliavimo ir trūkiojo siuntimo algoritmai sistemos talpą gali padidinti apie du kartus – nuo 28 Erl/km² iki 60 Erl/km². Taikant dažnio keitimo algoritmus šią talpą galima padidinti dar apie 1,8 karto – iki 105 Erl/km².

Iš pateiktų GSM tinklo matavimų rezultatų matome, kad nepriklausomai nuo didelio klientų ir apkrovos augimo programinių talpos padidinimo priemonių taikymas praktikoje leido išlaikyti gerą GSM ryšio kokybę „Omnitel‘‘ tinkle.

Literatūra

1. 3 GPP Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Physical layer on the radio path; General description. GSM 05.01 version 8.4.0.
2. 3 GPP Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio network planning aspects. GSM 03.30 version 8.3.0.
3. Blaunstein N. Radio propagation in cellular networks. Norwood, 2000.
4. 3 GPP Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio subsystem link control. GSM 05.08 version 4.22.
5. Caisa C. GSM Frequency. IEEE 44th Vehiculiar Technology Conference. Sveden, 1994.
6. Preben E. Antenna diversity in GSM related systems. Mobile Radio Communications. 1996.

B. Dzindzelėta, V. Batkauskas. Programiniai GSM talpos didinimo būdai // Elektronika ir elektrotechnika. – Kaunas: Technologija, 2004. – Nr. 4(53). – P. 67–70.

Straipsnį taip pat galite atsisiųsti PDF formatu iš KTU svetainės.