بخشی از مقاله
چکیده -
در نسل پنجم شبکههای سلولی، استفاده از امواج میلیمتری و شبکههای ناهمگن، شامل ماکروسل و فمتوسل، به عنوان راهکارهایی جهت پاسخگویی به نیاز روز افزون افزایش ترافیک مطرح شدهاند. در این مقاله، اثر استفاده از امواج میلیمتری و ناهمگن بودن شبکه در طراحی سلولی و میانگین میزان گذردهی کاربران مورد بررسی قرار گرفته است. در طراحی سلول، امواج میلیمتری در تعیین شعاع و تعداد ماکروسلها و فمتوسلها، میزان همپوشانی ماکروسلها و فمتوسلها در تعیین تعداد فمتوسلها و میزان ترافیک تخصیص یافته به فمتوسلها در تعیین تعداد بلوک منابع - Resource Block - استفاده شدهاست.
بررسی نتایج عددی طراحی نشان میدهد، افزایش فرکانس امواج میلیمتری باعث کاهش شعاع سلولها و تعداد بلوک منابع اختصاص یافته به هر سلول میگردد. همچنین با افزایش فرکانس، تعداد ماکروسلها و فمتوسلها و میانگین گذردهی کاربران افزایش خواهد یافت. مطابق این نتایج، کاهش میزان همپوشانی و افزایش میزان ترافیک واگذار شده به فمتوسل، سبب افزایش میانگین گذردهی کاربران کل شبکه میگردد.
-1 مقدمه
دستیابی به ظرفیت و سرعت 100 برابر بیشتر، زمان تاخیر 10 برابر کمتر، مصرف انرژی 100 برابر کمتر و تعداد کاربر تحت پوشش 1000 برابر بیشتر نسبت به نسل چهارم به عنوان اهداف شبکههای نسل پنجم معرفی شدهاست. برای دستیابی به این اهداف، تغییرات زیادی در شبکهی رادیویی و فناوریهای مورد استفاده در نسل پنجم شبکههای سلولی مورد نیاز است که استفاده از امواج میلیمتری، سلولهای کوچک و شبکههای ناهمگن از جمله این فناوریها هستند
با استفاده از امواج میلیمتری، طیف فرکانسی 30 تا 300 گیگاهرتز، امکان انتقال بستههای اطلاعاتی با سرعت بسیار بالا امکانپذیر میگردد. از طرف دیگر، تضعیف و جذب زیاد این امواج در عبور از موانع، مانع استفاده از این امواج در سلولهای بزرگ میشود. برای حل این مشکل، استفاده از سلولهای کوچک با ایستگاههای پایهی توان پایین از نوع فمتوسل، پیشنهاد شدهاست. استفاده همزمان از سلولهای با اندازههای مختلف از ماکروسل تا فمتوسل در شبکههای ناهمگن، ضمن افزایش نرخ ارسال ترافیک، موجب افزایش ظرفیت و افزایش ناحیه پوشش شبکه میگردد .
شبکههای سلولی موجود در ابتدا براساس استفاده از ماکروسل و برپایهی امواج مایکرویو طراحی شده بودند و فمتوسلها براساس نیاز کاربران و بدون طراحی مجدد سلولها در شبکه مورد استفاده قرار گرفتند. با توجه به اینکه استفاده از امواج میلیمتری و شبکههای ناهمگن بر اندازه، تعداد و محل ماکروسلها و فمتوسلها و همچنین تعیین تعداد بلوک منابع تخصیص یافته به هر سلول تاثیر میگذارند، بازطراحی شبکهی سلولی ضروری مینماید.
اصول و مبانی طراحی شبکهی سلولی نسل دوم تا نسل چهارم در مرجع [3] بهصورت کامل بررسی شدهاست. در نسل پنجم با معرفی امواج میلیمتری، مراجع مختلفی به بررسی طراحی ناحیهپوشش و ظرفیت با درنظر گرفتن این امواج پرداختهاند. یک بررسی جامع از مدل های ریاضی و تکنیک های تحلیلی برای سیستم های سلولی موج میلیمتری در مرجع [4] ارائه شدهاست. در مرجع [5] مدل تلفات مسیر برای شبکههای سلولی نسل پنجم در باندهای موج میلیمتری 28 و 38 گیگاهرتز های بر اساس اندازه گیری های واقعی و با تغییر در مدلهای استاندارد امواج مایکرویو ارائه شده است.
مرجع [6] نیز با اندازه-گیری های عملی، به بررسی مدل کانال و ظرفیت شبکه ی سلولی در فرکانسهای 28 تا 73 گیگاهرتز پرداخته است. مرجع [7] نشان میدهد که شبکه های موج میلیمتری میتوانند سرعت داده بالاتر و پوشش بهتر را نسبت به شبکههای مایکروویو به دست آورند. در سالهای اخیر، با معرفی مفهوم شبکههای سلولی ناهمگن تحقیقاتی در زمینهی طراحی این شبکهها انجام شدهاست. مشکل طراحی شبکهی سلولی ناهمگن در مرجع [8] مورد بررسی قرار گرفته است که هدف آن حداکثرسازی تعداد ترافیک درخواستی پاسخداده شده با کمترین بودجهلینک اختصاص یافته است.
مرجع [9] به بررسی و تحلیل پوشش برای یک شبکه سلولی ناهمگن شامل ماکروسل و فمتوسل پرداخته است که در آن مکان ایستگاهپایه ماکروسل بر اساس مدل روش فرآیند نقطهای پواسن - Poisson Point Process - و مکان ایستگاهی پایهی فمتوسل براساس فرایند خوشه پواسون - Poisson Cluster Process - تعیین میشود که در آن فمتوسل در مرکز خوشه جایگذاری میشود. در هیچ کدام از مراجع فوق از امواج میلیمتری در طراحی شبکه استفاده نشده است. بررسی-های فوق نشان میدهد علیرغم تحقیقات مختلف در زمینهی طراحی شبکهی سلولی ناهمگن، تاکنون روشی جهت طراحی این شبکهها هنگامی که شبکه از امواج میلیمتری استفاده میکند انجام نشده است.
هدف این مقاله، برسی اثر استفاده از امواج میلیمتری و ناهمگن بودن شبکه در طراحی شبکهی سلولی ناهمگن موج میلیمتری نسل پنجم با درنظر گرفتن سرویسهای بلادرنگ و سرویسهای غیربلادرنگ میباشد. در طراحی سلول، میزان همپوشانی بین ماکروسل و فمتوسلها، ترافیک مورد نیاز کاربران و مدل تلفات مسیر در امواج میلیمتری، در تعیین شعاع و نیز تعداد ماکروسل و فمتوسل بکارگرفته میشود. همچنین با درنظر گرفتن نوع سرویس بلادرنگ یا غیربلادرنگ و نیز میزان ترافیک واگذار شده به فمتوسل، از مدلهای ارلانگ B و C جهت بدست آوردن تعداد بلوک منابع مورد نیاز هر ماکروسل و فمتوسل استفاده میشود. در نهایت اثر سه عامل موج میلیمتری، میزان همپوشانی و میزان ترافیک واگذار شده به فمتوسل بر طراحی سلول و میانگین میزان گذردهی کابران با استفاده از بررسی نتایج عددی ارائه میگردد.
ادامه مطالب این مقاله به صورت زیر تدوین گردیده است. در بخش دوم، اصول طراحی شبکههای سلولی ناهمگن موج میلیمتری نسل پنجم مطرح خواهیم شد. بخش سوم به ارائه نتایج عددی طراحی شبکهی سلولی اختصاص یافتهاست. نتیجه-گیری و پیشنهادات جهت ادامهی این تحقیق نیز در بخش چهارم بیان شدهاست.
-2 طراحی شبکههای سلولی
طراحی شبکههای سلولی شامل دو مرحله الف - طراحی ناحیهی پوشش و ب - طراحی ظرفیت میباشد. طراحی ناحیهی پوشش شامل تعیین شعاع، تعداد و محل هر سلول است. طراحی ظرفیت به عملیات تعیین تعداد بلوک منابع احتصاص یافته به هر سلول اطلاق میشود. برای طراحی ناحیهی پوشش، مشخصات آنتن، مدل تلفات کانال رادیویی موج میلیمتری، سطح سیگنال مورد نیاز در سمت کاربر و میزان همپوشانی ماکروسل و فمتوسلها مورد استفاده قرار میگیرد. پس از طراحی ناحیهی پوشش، طراحی ظرفیت یعنی تعیین تعداد بلوک منابع تخصیصیافته به هر سلول انجام میشود که در آن با درنظر گرفتن شدت ترافیک درخواستی هر کاربر، میزان ترافیک واگذار شده به فمتوسلها و نیز شدت ترافیک هر سلول، تعداد بلوک منابع اختصاص یافته به هر سلول با درنظر گرفتن نوع سرویس بلادرنگ یا غیر بلادرنگ تعیین میشود
ناهمگن بودن شبکه در هر دو مرحلهی طراحی ناحیهی پوشش و طراحی ظرفیت موثر بوده و استفاده از امواج میلیمتری در طراحی ناحیهی پوشش موثر است، هرچند تغییرات ناشی از طراحی ناحیهی پوشش، بر تعداد کانالهای اختصاص یافته به هر سلول نیز موثر است. به عبارتدیگر، استفاده از امواج میلیمتری بهصورت غیر مستقیم بر طراحی ناحیهی پوشش نیز اثر میگذارد.
2؛-1 طراحی ناحیهی پوشش
شعاع ماکروسلها و فمتوسلها در شبکهی سلولی ناهمگن براساس بودجه لینک و تلفات مسیر انتقال بدست میآید.[8] در این مقاله، مطابق رابطهی - 1 - از مدل تلفات مسیر برای امواج میلیمتری نسل پنجم [5] جهت تعیین تلفات مسیر انتقال در ماکروسلها و فمتوسلها استفاده میکنیم:
در این رابطه ν طول موج حامل برحسب متر، f فرکانس برحسب مگاهرتز، HRx ارتفاع آنتن گیرنده برحسب متر، d فاصله-ی بین ایستگاه پایه و تجهیزات کاربر برحسب کیلومتر، d0 فاصلهی مرجع برحسب کیلومتر و ضریب n با استفاده ارتفاع آنتن فرستنده برحسب متر، بدست میآید:
در رابطهی - 1 - ، حداکثر مقدار توان تلف شده در لبه سلول بوده و زمانی است که d برابر شعاع سلول باشد. بنابراین اگر Pm و Pf را به ترتیب توان فرستنده ماکروسل و توان فرستنده فمتوسل و Hm و H f را به ترتیب ارتفاع آنتن ماکروسل و فمتوسل درنظر بگیریم، شعاع ماکروسل و فمتوسل به ترتیب از روابط - 3 - و - 4 - بدست میآید:
پس از تعیین شعاع ماکروسل و فمتوسلها، با درنظر گرفتن مدل آنتن omnidirectional برای فمتوسلها و سلول شش ضلعی با آنتن قطاعبندی شده برای ماکروسل، مساحت هر فمتوسل و ماکروسل از روابط - 6 - و - 7 - بدست میآید
با فرض اینکه درصد ناحیهی پوشش ماکروسل توسط فمتوسلها نیز پوشش داده شوند و کل محیط مورد نظر جهت طراحی شبکه دارای مساحت A باشد، تعداد سلولهای فمتوسل-ها و ماکروسلها، به ترتیب از روابط - 8 - و - 9 - بدست میآیند:
در این مقاله، جهت تعیین محل ایستگاههای پایه ماکروسل، مطابق مرجع [4]، از روش فرآیند نقطهای پواسن همگن استفاده میشود. با توجه به این که محل جایگذاری فمتوسلها بر کیفیت سیگنال دریافتی توسط کاربران و کیفیت سرویس تاثیر میگذارد [9] و از طرفی نصب و راهاندازی ایستگاهپایه فمتوسل به سرعت انجام میشود، بهمنظور بهبود کیفیت طراحی شبکه در محیط-های داخلی، کاربران را بر اساس موقعیت مکانی و با استفاده از روش خوشهبندی k-Means، در کلاسهای مختلف گروهبندی کرده و فمتوسلها را در مرکز خوشه جایگذاری میکنیم
2؛-2 طراحی ظرفیت برای سرویسهای بلادرنگ و غیربلادرنگ
برای طراحی ظرفیت شبکه و تعیین تعداد کانال های ترافیکی ابتدا شدت ترافیک هر کاربر را محاسبه میکنیم. اگر متوسط نرخ درخواست سرویس λ و متوسط زمان هر اتصال را 1/ تعریف کنیم، شدت ترافیک هر کاربر برابر T بوده و اگر تعداد کاربران کل شبکه را Nu در نظر بگیریم، شدت ترافیک کل شبکه برابر TT Nu Tu خواهد بود
در این مقاله فرض میکنیم درصد از شدت ترافیک تولیدی کاربران توسط فمتوسل سرویسدهی شده و مابقی ترافیک توسط ماکروسل پشتیبانی میشود. براین اساس، شدت ترافیک هر فمتوسل و ماکروسل، به ترتیب از روابط - 10 - و - 11 - بدست میآیند:
دو مدل ارلانگ B و C، به ترتیب برای سرویسدهی به درخواست سرویسهای بلادرنگ و غیر بلادرنگ استفاده میشود. درحالتیکه درخواست کاربران یا پذرفته شده و بهصورت بلادرنگ پاسخ داده میشود و یا رد میشود، از مدل ارلانگ B برای دست آوردن تعداد بلوک منابع استفاده میشود، همچنین حالتی که درخواست کاربران در صف قرار گرفته و در انتظار سرویس میمانند از مدل ارلانگ C برای دست آوردن تعداد بلوک منابع استفاده میشود
در مدل ارلانگ B، از احتمال رد درخواست کاربران برای بدست آوردن تعداد بلوک منابع جهت استفاده از سرویسهای بلادرنگ استفاده میشود. در این مدل، درخواست کاربران فرآیندی پواسن با میانگین λ، زمان پاسخگویی به سرویس مورد درخواست فرآیندی نمایی با میانگین 1/، تعداد بلوک منابع مورد استفاده جهت پاسخگویی به سرویس مورد درخواست S و ظرفیت سرویسدهی شبکه برابر تعداد بلوک منابع یعنی S درنظر گرفته میشود . [12] احتمال رد درخواست - PB - برابر احتمال پر بودن همهی بلوکهای منابع در شبکه - PS - بوده و از رابطهی - 12 - ، که به رابطهی ارلانگ B مشهور است. بدست می-آید
