М.А.Кузнецов, Д.И.Полпуденко, А.Е.Рыжков, М.А.Сиверс

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

Выводы

1. Задача хэндовера – обеспечить мобильность абонентов сотовой сети при совершении ими вызовов.

2. Хэндовер помогает поддержать хорошее качество связи, переводя вызов из соты в соту в случае ухудшения условий совершения вызова.

3. Решение о хэндовере принимает контроллер базовых станций или центр коммутации подвижной связи, исходя из результатов измерений, получаемых от мобильной и базовой станций.

4. Результаты измерений мобильной и базовой станций подвергают предварительной статистической обработке в контроллере базовых станций. При принятии решения о хэндовере используют усредненные результаты измерений.

5. Хэндоверу предшествует адаптивная регулировка мощности мобильной станции. Задача адаптивного регулирования мощности МС – минимизировать потребление мощности мобильной и базовой станции, поддерживая качество связи на приемлемом уровне. В случае, когда адаптивной регулировкой невозможно преодолеть ухудшение качества связи, выполняют хэндовера.

6. Алгоритм хэндовера содержит набор параметров, которые включают в себя абсолютные и относительные пороги уровней и качества принимаемых сигналов. К изменяемым параметрам хэндовера относят также число усредненных результатов измерений, которые должны удовлетворять условиям хэндовера, прежде чем сетью будет инициирован перевод мобильной станции в другую соту.

7. Начальные значения параметров, устанавливаемые по умолчанию, могут не соответствовать конкретным условиям функционирования сотовой сети. Представляет интерес для исследования изучение влияния параметров хэндовера на качество связи, а также расчет оптимальных значений параметров хэндовера. Для решения этой задачи необходимо построить адекватную математическую модель процедуры хэндовера.

 

Приложение

Литература

1. Recommendations ITU-T E.771 Series. PLMN Quality of service.

2. GSM 04.08. Mobile radio interface layer 3 specification.

3. GSM 05.08. Radio subsystem link control.

М.А.Кузнецов, Д.И.Полпуденко, А.Е.Рыжков, М.А.Сиверс

 Хэндовер в сетях GSM 900/1800

 Назначение хэндовера

Хэндовер (handover) - процесс передачи обслуживания мобильной станцией (MS – Mobile Station) от одной базовой станции (BTS – Base Transceiver Station) к другой по мере ее перемещения из соты в соту в сетях сотовой подвижной связи общего пользования (PLMN – public land mobile network). Основное назначение хэндовера – обеспечить мобильность абонентов в сетях GSM 900/1800 во время обслуживания вызова и поддержать хорошее качество связи при перемещении. Можно выделить 4 типа хэндоверов:

· Хэндовер при ухудшении качества связи (хэндовер спасения).

· Хэндовер для минимизации потребляемой MS мощности (хэндовер бюджета мощности).

· Хэндовер перераспределения нагрузки между соседними сотами (хэндовер перегрузки).

· Хэндовер в сетях с многослойной архитектурой сот.

Причинами, вызывающими хэндовер спасения, являются уменьшение напряженности поля, наличие ошибок в радиоканале, интерференция, которые в свою очередь могут быть вызваны удалением от передатчика, наличием помех, многолучевым распространением радиосигнала. С целью минимизации потребления мощности MS выполняют хэндовер бюджета мощности, который переводит вызов в такую соту, где качество соединения остается приемлемым, а излучаемые MS и BTS мощности - минимальны. Хэндовер перераспределения нагрузки переводит часть вызовов сильно загруженной соты в менее нагруженные соседние соты. Хэндовер в сетях с многослойной архитектурой сот (микро-, макро-, пикосоты и др.) устанавливает порядок перехода вызовов с одного уровня иерархии на другой. Первые два типа хэндоверов обусловлены спецификой радиоканала, остальные – сетевыми критериями, а точнее, требованиями сотового оператора к рациональному и эффективному использованию ресурсов радиосети. В данной главе рассмотрены алгоритмы хэндоверов, обусловленных радиокритериями; алгоритмы хэндоверов по сетевым критериям разрабатывают фирмы-производители и они так разнообразны, что заслуживают отдельного изложения.

Процесс хэндовера – один из наиболее сложных процессов в системах сотовой связи. Во время выполнения хэндовера велика вероятность потери вызовов по причине неустановления синхронизации, требования к которой в системах с временным разделением каналов, в частности GSM 900/1800, весьма жесткие. Успешность хэндовера является одним из главных показателей качества услуг, предоставляемых оператором сотовой связи, согласно рекомендациям ITU-T [1]. В базовом алгоритме хэндовера, рекомендованном ETSI [3] в качестве исходного, использовано несколько десятков параметров, каждый из которых оказывает существенное влияние на выполнение хэндовера. Такое количество степеней свободы требует создания по возможности адекватной математической модели хэндовера, позволяющей рассчитать оптимальные значения его параметров, исходя из конкретных условий работы сотовой сети и требований оператора связи.

В системе GSM 900/1800 контроль качества соединения происходит с момента его установления до окончания. Показателями качества соединения являются уровни принимаемого сигнала мобильной и базовой станций, значение коэффициента ошибок перед канальным декодированием в MS и BTS, а также значения уровня принимаемого сигнала шести лучших сот-соседей. Контроль качества нисходящего и восходящего каналов производят одновременно и независимо. Данные для анализа качества соединения формируют на основе измерений, проводимых MS и BTS, а затем передают в контроллер базовых станций BSC (Base Station Controller).

Хэндовер - один из компонентов совокупности взаимозависмых процедур, объединенных понятием управление радиоресурсами (RR – radio resource management). Одной из задач управления радиоресурсами является поддержание высокого субъективного качества речи. Высокого качества речи в системе GSM 900/1800 в значительной мере достигают с помощью эффективного кодирования, но сейчас мы ведем речь об условиях, когда этого недостаточно для исправления ошибок, возникших в канале передачи. В этих случаях используют адаптивную регулировку мощности и хэндовер. Возможна адаптивная регулировка мощности передатчика MS и всех передатчиков BTS, за исключением передатчика вещательного канала управления BCCH (Broadcast Control Channel). Адаптивная регулировка мощности поддерживает приемлемое качество связи при минимальной излучаемой мощности MS и BTS. Ухудшение качества связи требует увеличения излучаемой мощности MS и BTS, а затем, если качество связи продолжает ухудшаться, выполняют хэндовер. Информация об ухудшении показателей качества в системе GSM 900/1800 приходит до того, как эти ухудшения будут замечены пользователем, вследствие небольшой разрешающей способности и инертности нашего восприятия.

Хэндовер обладает более высоким приоритетом по сравнению с адаптивной регулировкой мощности и направлен на то, чтобы ухудшение качества связи в канале не привело к потери вызова. Принятие решения о хэндовере должно быть с одной стороны быстрым, чтобы вовремя перевести вызов в другую соту, а с другой стороны обладать определенной инерционностью, чтобы кратковременные ухудшения связи не приводили к частым, ненужным хэндоверам. Большое количество хэндоверов между парой сот-соседей, приходящееся на один вызов, приводит к увеличению вероятности потери вызова по причине неустановления синхронизации и нагружают сеть большим количеством сигнальной информации. 

 Принцип реализации хэндовера

Решение о хэндовере принимает BSC на основе результатов измерений, получаемых от MS и BTS. Выбор сот-кадидатов на хэндовер состоит в сравнении результатов измерений с набором параметров, порогов, устанавливаемых для различных пар соседних сот, и зависит как от значения порогов, так и от алгоритма выбора сот-кандидатов. Процесс хэндовера может быть разделен на несколько этапов:

· MS и BTS проводят измерения уровня напряженности поля и коэффициента ошибок в восходящем и нисходящем каналах и передают эти измерения BSC.

· BSC предварительно обрабатывает результаты измерений, укрупняет, усредняет и взвешивает их.

· BSC сравнивает обработанные результаты измерений со значениями параметров хэндовера и принимает решение о его необходимости.

· BSC формирует список сот-кандидатов на хэндовер и выбирает из этого списка лучшую соту, которой и будет передан вызов.