Накопление и обработка результатов измерений от мобильной и базовой станций

MS измеряет:

· уровень принимаемого сигнала обслуживающей соты (RXLEV_DL – LEVel of Received signal in DownLink),

· параметр качества принимаемого сигнала обслуживающей соты (RXQUAL_DL – QUALity of Received signal in DownLink),

· уровни принимаемых сигналов сот-соседей (RXLEV_NCELL(n) – LEVel of Received signal from Neighbouring CELL).

BTS, в свою очередь, контролирует:

· уровень принимаемого сигнала на линии вверх (RXLEV_UL - LEVel of Received signal in UpLink),

· параметр качества принимаемого сигнала на линии вверх (RXQUAL_UL - QUALity of Received signal in UpLink),

· расстояние от BTS до MS (DISTANCE),

· уровень аддитивных помех на свободных, незанятых каналах; в стандарте GSM 900/1800 аддитивные помехи называют интерференцией.

MS и BTS оценивают среднеквадратичное значение уровня принимаемого сигнала, приведенного ко входу приемника в диапазоне от –110 до –47 дБм; абсолютная точность оценки составляет ± 4 дБм в диапазоне от –110 до –70 дБм при нормальных условиях, и ± 6 дБм во всем диапазоне как при нормальных, так и при экстремальных условиях. Измерение уровня сигнала проводят для каждого физического канала, занятого соединением. Значения уровня сигнала в дБм квантуют (соотносят с одним из 64-х уровней) и кодируют в виде значений RXLEV, как показано в табл.1.

Таблица 1

Кодирование уровня принимаемого сигнала

Значение RXLEV	Уровень принимаемого сигнала в дБм
0	менее -110
1	-110 - -109
2	-109 - -108
…	…
62	-49 - -48
63	более - 48

 

Качество принимаемого сигнала оценивают на основании среднего значения коэффициента ошибок (BER – Bit Error Rate) перед канальным декодированием. Усредненные значения BER квантуют (соотносят с одним из восьми уровней) и кодируют в виде значений параметра RXQUAL (см. табл. 2). Большее значение этого параметра соответствует худшему качеству.

Таблица 2

Кодирование качества принимаемого сигнала

Значение RXQUAL	Значение BER, %	Принимаемое значение BER, %
0	менее 0.2	0.14
1	0.2 – 0.4	0.28
2	0.4 – 0.8	0.57
3	0.8 – 1.6	1.13
4	1.6 – 3.2	2.26
5	3.2 – 6.4	4.53
6	6.4 – 12.8	9.05
7	более 12.8	18.1

 

Дополнительные требования к измерениям уровня сигнала и качества приведены в п.8.1.2 и п.8.2.4 [3]. Отсчеты уровня сигнала и качества подвергают предварительной статистической обработке на интервале одного мультикадра канала SACCH, что составляет 480 мс при передаче канала трафика и 470.8 мс при передаче выделенного канала управления SDCCH. При усреднении учитывают отсчеты только текущего отсчетного периода. Дополнительно с измерениями передают признак использования в течение отсчетного периода режима прерывистой передачи DTX (Discontinious Transmission). Измерения от MS и BTS формируют в отчет по измерениям, который передают в BSC с периодом 480 (470.8) мс.

Случайный сигнал

WindowSize=12

WindowSize=20

Рис.1. Влияние величины окна усреднения windowSize на обработку результатов измерений

Полученные измерения подвергают в BSC дальнейшей обработке. Усреднение результатов измерений производят техникой скользящего окна прямоугольной формы, размер которого устанавливает оператор посредством параметра windowSize (1..32). Этот параметр задает число учитываемых при усреднении мультикадров SACCH (рис. 1). Для процессов хэндовера и адаптивной регулировки мощности размер окна устанавливают независимо. В результате усреднения формируют один укрупненный отсчет каждого из обрабатываемых параметров.

В случае использования DTX, измерения проводят по меньшему числу временных интервалов, что снижает их надежность. При усреднении измерений это учитывают путем придания измерениям с DTX меньшего веса с помощью параметра Weighting (1..3).

     Взаимодействие хэндовера с процессом адаптивной регулировки мощности

 Адаптивную регулировку мощности применяют во всех передатчиках MS и всех передатчиках BTS, за исключением передатчика несущей частоты BCCH, который должен излучать постоянную мощность. При адаптивной регулировке мощности выполняют две основные задачи: уменьшение потребления мощности аккумуляторов MS и снижение уровня помех в нисходящем и восходящем направлениях за счет уменьшения излучаемой мощности как MS, так и BTS при обеспечении хорошего качества обслуживания. Адаптивную регулировка мощности передатчиков MS и BTS производят одновременно и независимо. В каждом отдельно взятом передатчике BTS возможна независимая регулировка мощности каждого физического канала.

Подобно хэндоверу, алгоритм регулировки мощности основан на сравнении результатов измерений MS и BTS с заданными пороговыми значениями. BSC принимает решение об изменении мощности MS или BTS. Сравнение результатов измерений с пороговыми значениями происходит периодически с интервалом, который задается параметром pwrControlInterval (0..30 с).  

Адаптивную регулировка мощности можно проводить в нормальном и экстренном режимах. В нормальном режиме мощность MS и BTS изменяют постепенно, с шагом, который задают параметром pwr (Incr / Red) StepSize (2, 4, 6 дБ). В экстренном режиме изменение мощности выполняют сразу до максимального или минимального значений.

Алгоритм адаптивной регулировки мощности построен на сравнении результатов измерений уровней принимаемых сигналов и качества каналов обоих направлений с установленными порогами по уровню и качеству. Дополнительно к пороговым значениям в алгоритме адаптивной регулировки мощности используют параметры Px и Nx. Для изменения мощности в ту или иную сторону необходимо, чтобы из Nx (1..32) усредненных значений результатов измерений, Px (1..32) отсчетов, где Px < Nx, удовлетворяли требованиям изменения мощности.

В нормальном режиме мощность передатчика будет увеличена на значение pwrIncrStepSize, если выполняется одно из условий (1´) или (1´´):

AV_RXLEV_UL/DL_PC < pcLowerThresholdsLevUL/DL,	(1´)
AV_RXQUAL_UL/DL_PC > pcLowerThresholdsQualUL­/DL,	(1’’)

Где

AV _ RXLEV _ UL / DL _ PC – усредненный уровень принимаемого сигнала в восходящем/нисходящем направлении в дБм,

AV _ RXQUAL _ UL / DL _ PC – усредненное значение параметра качества в канале восходящего/нисходящего направления,

pcLowerThresholdsLevUL/DL (-110..-47 дБм) - нижний порог сравнения уровня принимаемого сигнала в восходящем/нисходящем направлении в дБм,

pcLowerThresholdsQualUL/DL (<0.2%..>12.8% BER) - нижний порог сравнения параметра качества в восходящем/нисходящем направлении.

В нормальном режиме уменьшение мощности на величину pwrRedStepSize произойдет, если условие (2´) или (2’’) выполнятся совместно с условием (3):

AV_RXLEV_UL/DL_PC > pcUpperThresholdsLevUL/DL,,	(2´)
AV_RXQUAL_UL/DL_PC < pcUpperThresholdsQualUL/DL,	(2´´)
AV_RXLEV_UL/DL_PC > pcLowerThresholdsLevUL/DL + + pwrRedStepSize + 6 dB,	(3)

где

pc Upper ThresholdsLevUL/DL (-110..-47 дБм) - верхний порог сравнения уровня принимаемого сигнала в восходящем/нисходящем направлении в дБм,

pc Upp erThresholdsQualUL/DL (<0.2%..>12.8% BER) - верхний порог сравнения параметра качества в восходящем/нисходящем направлении.

Экстренным режимом считается режим обслуживания вызова, при котором пошаговое изменение мощности приемопередатчика неприемлемо, так как займет много времени. В этом случае мощность передатчиков MS и BTS повышают или понижают сразу соответственно до максимума или минимума. Мощность передатчика MS будет повышена до максимального значения, если выполняется неравенство (4´):

AV _ RXLEV _ UL _ PC < MS _ TXPWR - msTxPwrMax + + pcLowerThresholdsLevUL,

(4’)

где

MS_TXPWR – текущая мощность MS,

MsTxPwrMax – максимальная мощность MS.

Аналогично, мощность передатчика BTS будет повышена до максимума, если выполняется неравенство (4´´):

AV_RXLEV_DL_PC < BS_TXPWR - bsTxPwrMax + + pcLowerThresholdsDL,

(4´´)

где

BS_TXPWR – текущая мощность BTS в дБм,

bsTxPwrMax – максимальная мощность BTS в дБм.

Условия понижения мощности передатчиков MS и BTS до минимума в экстренном режиме задаются неравенствами (5´) и (5´´) соответственно:

AV _ RXLEV _ UL _ PC > MS _ TXPWR - msTxPwrMin + + pcUpperThresholdsLevUL,	(5´)
AV _ RXLEV _ DL _ PC > BS _ TXPWR - bsTxPwrMin + + pcUpperThresholdsLevDL,	(5´´)

где

MsTxPwrM in – минимальная мощность MS в дБм,

bsTxPwrM in – минимальная мощность BTS в дБм.

Как видно из приведенных алгоритмов, важно правильно задать диапазоны работы адаптивной регулировки мощности таким образом, чтобы они не пересекались с областями уровней и значений коэффициента ошибок, где начинается процесс хэндовера. Обычно при ухудшении качества обслуживания вызова производят увеличение мощности передатчиков MS и BTS и только после того, как она достигает максимального значения, возникает необходимость выполнить хэндовер.  

Алгоритмы хэндовера

Базовый алгоритм хэндовера, предложенный ETSI [3], основан на сравнении усредненных результатов измерений с пороговыми значениями, устанавливаемыми оператором. Необходимость хэндовера проверяют каждые 480 (470.8) мс.

Хэндовер спасения

К хэндоверу, обусловленному ухудшением качества связи, относят хэндоверы, вызванные помехами в канале нисходящего/восходящего направлений, плохим качеством (большим коэффициентом ошибок) и малым уровнем сигнала в канале нисходящего/восходящего направлений. Если при сравнении результатов измерений с порогами, устанавливаемыми оператором, выполняются более чем два условия хэндовера одновременно, то список приоритетов различных видов хэндоверов выглядит следующим образом:

· Хэндовер из-за интерференции в восходящем/нисходящем канале.

· Хэндовер из-за ошибок в восходящем/нисходящем канале.

· Хэндовер по уровню принимаемого сигнала в восходящем/нисходящем направлении.

Сота-кандидат на передачу вызова должна удовлетворять условию (6), т.е. уровень принимаемого сигнала в месте нахождения мобильной станции должен быть выше величины rxLevMinCell(n):

AV_RXLEV_NCELL (n) > rxLevMinCell(n) + max (0,A),	(6)
A = msTxPwrMax (n) - MS_PWR_MAX,

где

AV _ RXLEV _ NCELL (n) – есть усредненный уровень принимаемого сигнала соседней базовой станции, выраженный в дБм,

RxLevMinCell (n) – минимальный уровень доступа в соседнюю базовую станцию, выраженный в дБм, 

msTxPwrMax (n) – максимальная допустимая мощность мобильной станции в соседней соте, выраженная в дБм,

MS _ PWR _ MAX – максимальная мощность мобильной станции в дБм.

Неравенство (6) говорит о том, что уровень сигнала соседней соты должен превышать пороговое значение уровня принимаемого сигнала, при котором MS может быть обслужена в соседней соте. Второе слагаемое есть разница между максимальной мощностью мобильной станции и максимальной мощностью излучения мобильной станции в соте. Если максимальная мощность мобильной станции меньше максимально-допустимой мощности в соте, то требования к минимальному уровню сигнала обслуживающей соты ужесточаются, так как маломощная станция должна находится в зоне более надежного приема, чем более мощная мобильная станция.

Для того, чтобы принять решение о необходимости хэндовера, требуется выполнение следующих условий.

- хэндовер по уровню

AV_RXLEV_DL/UL_HO < HoThresholdsLevDL/UL,	(7 ´)
AV_RXLEV_NCELL(n) > AV_RXLEV_DL_HO + + hoMarginLev(n),	(8´)

- хэндовер по качеству

AV_RXQUAL_DL/UL_HO > HoThresholdsQualDL/UL,	(7´´)
AV_RXLEV_NCELL (n) > AV_RXLEV_DL_HO + + hoMarginQual(n),	(8´´)
AV_RXLEV_DL/UL_HO < HoThresholdsInterferenceDL/UL,	(9´´)

- хэндовер по интерференции

AV_RXQUAL_DL/UL_HO > HoThresholdsQualDL/UL,	(7´´´)
AV_RXLEV_NCELL(n) > AV_RXLEV_DL_HO + + hoMarginInterf(n),	(8´´´)
AV_RXLEV_DL/UL_HO > HoThresholdsInterferenceDL/UL  ,	(9´´´)

где

AV _ RXLEV _ DL _ HO – усредненный уровень принимаемого сигнала базовой станции,

AV _ RXLEV _ UL _ HO – усредненный уровень принимаемого сигнала мобильной станции,

AV_RXQUAL_DL/UL_HO – усредненный уровень параметра качества на линии вниз/вверх,

BTS_TXPWR – уровень мощности BTS,

hoMargin(Lev/Qual/Interference)(n) - величина превышения уровня сигнала соседней соты для хэндовера по уровню, качеству, интерференции соответственно,

HoThresholds(Lev/ Qual / Interference)DL/UL- пороговое значение уровня и параметра качества для хэндовера по уровню, качеству и интерференции.

Неравенства (7) задают абсолютные пороговые значения уровней сигнала и коэффициента ошибок, с которыми сравнивают измеренные показатели качества соединения. Для хэндовера по уровню этот порог обозначают HoThresholdsLev, по качеству и интерференции – HoThresholdsQuality. Во время сеанса связи выполнение одного из условий (7’-7’’’) вызывает процедуру начала поиска кандидата на хэндовер. Управление будет передано той соте, для которой наряду с условием (7) дополнительно будут выполнены неравенства (8), т.е. сигнал соседней соты, кандидата на хэндовер, должен превышать сигнал обслуживающей станции на величину hoMargin(Lev/Qual/Interference)(n).

Отличие хэндовера по качеству от хэндовера по интерференции состоит в различных уровнях сигнала обслуживающей соты, при котором выполняются условия хэндовера. Оба хэндовера вызваны плохим качеством сигнала в восходящем или нисходящем направлениях, которое становится хуже предустановленного порога HoThresholdsQuality, согласноусловию (8). И в том, и другом случае для совершения хэндовера необходимо превышение уровня сигнала соседней соты на величину hoMargin(Qual/Interference)(n). Отличие состоит в неравенстве (9): если условия хэндовера выполнены при уровне сигнала обслуживающей соты меньшем HoThresholdsInterference, то хэндовер будет отнесен к хэндоверу по качеству. Если условия хэндовера выполнены при уровне сигнала обслуживающей соты большем величины HoThresholdsInterference, то это означает, что качество сигнала ухудшилось при достаточном уровне сигнала, что свидетельствует о действующей в месте нахождения мобильной станции значительной помехе и, таким образом, хэндовер относят к хэндоверу по интерференции.

Пороговые значения могут быть установлены оператором в следующих диапазонах:

HoThresholdsLevDL/UL (-110..-47 дБм),

HoThresholdsQualDL/UL (<0.2%..>12.8% BER),

HoThresholdsInterferenceDL/UL (-110..-47 дБм).

При сравнении с порогами, обращают внимание на тенденцию ухудшения качества обслуживания вызовов. С этой целью решение о хэндовере принимают только тогда, когда из Nx (1..32) усредненных значений результатов измерений, в Px (1..32) отсчетах, где Px < Nx, выполнены условия хэндовера. Конкретные значения Px, Nx устанавливает оператор отдельно для хэндоверов по уровню, качеству, интерференции и, как будет показано далее, по бюджету мощности. С одной стороны это вносит в процесс хэндовера инерционность, а с другой – помогает избежать ненужной реакции на кратковременное ухудшение качества связи.

Хэндовер по причине слабого уровня сигнала в восходящем/нисходящем направлении произойдет, если в Рх и более случаях из Nx измерений будут выполнены условия:   

AV_RXLEV_DL/UL_HO < HoThresholdsLevDL/UL,

AV_RXLEV_NCELL(n) > AV_RXLEV_DL_HO + hoMarginLev(n).

Хэндовер по причине плохого качества сигнала в восходящем/ нисходящем направлении произойдет, если в Рх и более случаях из Nx измерений будут выполнены условия:

AV_RXQUAL_DL/UL_HO > HoThresholdsQualDL/UL,

AV_RXLEV_DL/UL_HO < HoThresholdsInterferenceDL/UL,

AV_RXLEV_NCELL(n) > AV_RXLEV_DL_HO + hoMarginQual(n).

Хэндовер по причине интерференции в канале связи в восходящем/нисходящем направлении произойдет, если в Рх и более случаях из Nx измерений будут выполнены условия: 

AV_RXQUAL_DL/UL_HO > HoThresholdsQualDL/UL,

AV_RXLEV_DL/UL_HO > HoThresholdsInterferenceDL/UL,

AV_RXLEV_NCELL(n) > AV_RXLEV_DL_HO+hoMarginQual(n).

Величины Рх и Nx задают для каждого вида хэндовера независимо.

Рассмотрим пример хэндовера по уровню в нисходящем направлении между парой сот соседей, при следующих параметрах: HoThresholdsLev = -95 дБм, HoMarginLev (n) = 6 дБ, WindowSize =8, Nx =1, Px =1.

В данном примере, который представляет собой программную модель хэндовера, скорость движения МС равна 20 км/ч, расстояние между сотами 2000 м, периодичность сообщения результатов измерений 0.48 с. Мобильная станция движется слева направо. Распределение уровней принимаемого сигнала от обслуживающей и одной соседней соты представлено на рис. 2. Как видно из рисунка, по мере удаления мобильной станции от базовой, начиная с 240-го отсчета, измерения дают уровень сигнала AV_RXLEV_DL ниже порога hoThresholdsLev. Для того чтобы хэндовер состоялся, необходимо, чтобы сигнал соседней соты AV_RXLEV_ NCELL (n) был на hoMarginLev дБ выше, чем сигнал обслуживающей соты. На рис. 3 представлено распределение разницы уровня двух соседних сот в соотношении с величиной hoMarginLev.

AV_RXLEV_NCELL(n)

AV_RXLEV_DL

HoThresholdLev

Рис. 2. Изменение уровней принимаемого сигнала от обслуживающей и соседней сот и их соотношение с абсолютным порогом хэндовера по уровню hoThresholdsLev

 

HoMarginLev(B)

HoMarginLev(A)

А

Рис. 3. Распределение разницы уровней двух соседних сот в соотношении с величиной hoMarginLev соты А и соты В

Из рис. 3 следует, что на трассе следования мобильной станции происходит один хэндовер в точке А. Обратный хэндовер не происходит, так как после точки А для него не выполнены условия превышения сигнала соты А величины гистерезиса HoMarginLev(B) (разность уровней сигнала не не опускается ниже красной линии).

Хэндовер бюджета мощности

Основной задачей хэндовера бюджета мощности является предоставление MS обслуживания в соте, где потери распространения будут минимальны. Проверку на выполнение условий хэндовера бюджета мощности выполняют периодически с интервалом HoPeriodPBGT (1.. 63), где период задан числом SACCH мультикадров длительностью 480 (470.8) мс. При хэндовере бюджета мощности также необходимо выполнение неравенства (6), а дополнительным условием является неравенство (10):

PBGT(n) > hoMarginPBGT(n),

(10)

где

PBGT(n) – бюджет мощности соседней соты,

hoMarginPBGT (n) - порог превышения бюджета мощности в соседней соте.

Бюджет мощности рассчитывают для каждой соседней соты по следующему алгоритму:

PBGT = (msTxPwrMax - msTxPwrMax (n)) - - (btsTxPwrMax - BTS _ TXPWR) - - (AV_RXLEV_DL_HO- AV_RXLEV_NCELL (n)),

(11)

где

btsTxPwrMax – максимальная мощность обслуживающей базовой станции, выраженная в дБм,

BTS _ TXPWR – текущая мощность обслуживающей базовой станции, дБм.

Если значения максимальной разрешенной мощности MS в обслуживающей и соседней сотах совпадают (msTxPwrMax = msTxPwrMax (n)), а адаптивной регулировка мощности BTS не осуществляют (btsTxPwrMax - BTS _ TXPWR =0), то выражение для бюджета мощности упрощается:

PBGT(n) = AV_RXLEV_NCELL(n) - AV_RXLEV_DL_HO.

(11´)

Следовательно, при отмеченных условиях бюджет мощности – это разница уровней сигнала на входе MS от соседней и обслуживающей сот. Как и в случае хэндовера по ухудшению качества связи, при принятии решения о хэндовере по бюджету мощности Px из Nx (Px < Nx) усредненных отсчетов должны удовлетворять неравенствам (6) и (11). В этом случае принимается решение о необходимости хэндовера.

Хэндовер бюджета мощности используют как средство перераспределения нагрузки между различными сотами-соседями. Если понизить величину hoMarginPBGT, то выполнение условий хэндовера будет происходить при меньшей разнице уровней сигнала обслуживающей и соседней соты, что приведет к уменьшению территории обслуживающей соты (рис. 4). Таким образом, вся нагрузка, сосредоточенная на краях зоны обслуживания, перейдет по хэндоверу в соседнюю соту, тем самым снижая загрузку основной соты.

Некоторые фирмы в своих алгоритмах хэндовера предлагают автоматическое регулирование параметра hoMarginPBGT в зависимости от уровня загрузки соты. Когда загрузка соты достигает некоторого порога, hoMarginPBGT снижают и сота освобождается от нагрузки, приходящей от границы зоны обслуживания. Затем, когда нагрузка уменьшится, прежние параметры хэндовера восстанавливаются.

Перераспределение нагрузки при помощи хэндовера бюджета мощности менее эффективно, чем специализированный хэндовер перераспределения нагрузки, так как хэндовер бюджета мощности освобождает от нагрузки только граничные области своей зоны обслуживания. Хэндовер перераспределения нагрузки выполняют с учетом минимальных требований к уровню сигнала соседней соты, таким образом позволяя ослабить любую нагрузку, как бы близко от обслуживающей соты не находился ее источник.

 

Рис.4. Перераспределение нагрузки между сотами при помощи изменения параметров хэндовера бюджета мощности: уменьшение величины параметра HoMarginPBGT приводит к уменьшению территории обслуживания соты А