Комплексний метод планування радіомережі стільникового зв'язку

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorГлоба, Л. С.
dc.contributor.authorПрокопець, Володимир Андрійович
dc.date.accessioned2024-02-19T10:25:52Z
dc.date.available2024-02-19T10:25:52Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractПрокопець В.А. Комплексний метод планування радіомережі стільникового зв'язку. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 – Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі розв’язано актуальну науково-практичну задачу удосконалення процесу планування та оптимізації радіомережі стільникового зв’язку за рахунок застосування технології цифрового двійника. Аналіз специфікацій та рекомендацій Міжнародної спілки електрозв’язку та консорціуму 3GPP (англ. 3rd Generation Partnership Project) щодо особливостей побудови та функціонування стільникових мереж зв’язку показав, що дані особливості мереж стандарту 3GPP суттєво відрізняються, що вимагає різних підходів до процесу планування та оптимізації цих мереж. Аналіз трендів використання даних мереж виявив, що планування та оптимізація мереж другого та третього поколінь є неактуальною задачею, оскільки тренди показують стабільне зменшення частки цих мереж в загальному переданому трафіку. Натомість, доля мереж четвертого та п’ятого поколінь стабільно збільшується, окрім того, прогнози, що надаються провідними телекомунікаційними компаніями показують, що тенденція збільшення частки даних мереж зберігатиметься щонайменше до 2027 року. Таким чином, актуальною є задача планування та оптимізації мереж 4G та 5G. В ході аналізу існуючих підходів щодо планування та оптимізації радіомережі стільникового зв’язку виявлено певні їх недоліки, а саме: фокус виключно на технічному аспекті планування, що робить їх малопридатними для використання в реальній мережі, відсутність автоматичного обміну інформацією з мережею, відсутність інтеграції GIS (англ. Geographical Information System) та фокус на одному з двох шляхів проведення оптимізації (конфігураційний або апаратний), без урахування іншого. В літературі задача планування та оптимізації мережі не розглядалася комплексно, в контексті урахування як технічних, так і економічних, маркетингових та юридичних аспектів. Таким чином, актуальною є задача створення удосконаленого методу планування радіомережі системи стільникового зв’язку, який вирішуватиме основну задачу планування з урахуванням технічного, економічного, маркетингового та юридичного аспектів, можливістю комплексної оцінки рішень щодо оптимізації радіомережі, інтеграцією GIS та автоматизацією обміну даними з мережею щодо її стану. Для вирішення цієї задачі було: 1. Проведено опис основних статистичних показників функціонування радіомережі стільникового зв’язку. Проведений аналіз показників визначив ті, що є суттєвими для процесу планування та оптимізації радіомережі, а саме Об’єм переданих даних, Кількість користувачів, Утилізація канального ресурсу, Відстань від базової станції до користувача, Індикатор якості каналу та Швидкість передачі даних. 2. Серед наведених вище показників було визначено такий, що найбільше підходить для визначення стану ємності мережі – Кількість користувачів. На відміну від показників Утилізації канального ресурсу та Об’єму переданих даних, визначений показник не має суттєвого недоліку – чутливістю до аномальних даних, коли один або декілька користувачів використовують значну частину канального ресурсу для передачі великого об’єму даних. 3. Обрано дванадцять моделей лінійної регресії для експерименту з визначення найкращої моделі для набору даних Кількість користувачів – Швидкість передачі даних. Для визначення залежностей між випадковими величинами широко використовуються регресійні моделі, оскільки статистичні дані можна розглядати як набори випадкових величин, які відповідають певним показникам. 4. Розглянуто модель бюджету каналу зв’язку, яка широко використовується для визначення потужності прийомного сигналу. Головним компонентом даної моделі є втрати на трасі, визначення чого є однією з основних проблем бездротових комунікацій. Було проведено аналіз основних моделей втрат на трасі, таких як Okumura-Hata, Cost 231 та інших. Серед розглянутих моделей найбільш релевантною є модель, запропонована в релізі 3GPP TR 38.901 version 16.1.0 Release 16, оскільки вона була спеціально розроблена для сценарію використання у стільникових мережах 5G, з урахуванням особливостей розповсюдження радіохвиль в широкому діапазоні спектру (500 МГц – 100 ГГц). 5. Запропоновано комплексний метод планування радіомережі стільникового зв’язку, який базується на технології цифрового двійника, враховує стан існуючої мережі, маркетингові прогнози трафіку, та характеризується автоматизованістю, та гнучкістю. Метод може бути використаний на етапах стратегічного, оперативного, тактичного планування радіомережі та виконувати планування в режимі реального часу, що зменшує часові та трудові витрати. Даний метод враховує маркетингові показники (прогнози зміни об’єму трафіку/кількості користувачів), що доцільно для високорівневого попереднього планування, оскільки допомагає визначити потенційні проблемні ділянки мережі, та, відповідно, превентивно виконати розширення ємності цієї ділянки. Метод враховує також економічні параметри (вартість рішень) з метою зменшення обсягу витрачених фінансових ресурсів, що дозволить виконати більшу кількість змін на мережі без збільшення витрат. 6. Запропоновано метод рівномірного розподілу користувачів між сусідніми секторами, який відрізняється від відомих застосуванням технології цифрового двійника для перевірки коректності розподілу методом перебору таких значень кутів нахилу антен та потужностей випромінювання, що забезпечать рівномірний розподіл користувачів між сусідніми секторами. Метод виконує прогнозування зон обслуговування базових станцій із використанням моделі втрат на лінії 3GPP, яка відрізняється гнучкістю та адаптивністю використання в різних сценаріях. 7. Запропоновано метод комплексної оцінки рішень, який враховує технічні, економічні та маркетингові показники функціонування стільникової мережі зв’язку та дозволяє визначити найкраще конфігураційне або апаратне рішення для збільшення ємності ділянки мережі з мінімальними економічними витратами. 8. Запропоновано онтологічну модель цифрового двійника процесу планування радіомережі стільникового зв’язку, яка дозволила описати як статичний так і динамічний аспекти процесу її планування, врахувати мультидисциплінарність цього процесу, а також визначити змістовні логічні зв’язки між компонентами даного процесу. 9. На основі запропонованого комплексного методу планування та оптимізації радіомережі створено програмне забезпечення (ПЗ), яке дозволяє підвищити автоматизованість та гнучкість процесу планування та оптимізації мережі. Запропонована програмна реалізація цифрового двійника побудована на архітектурі SPL (англ. Software Product Line) та містить реалізації запропонованих методів комплексної оцінки рішень та міжсекторального розподілу користувачів, може бути ефективно використана для вирішення задач планування та оптимізації радіомережі стільникового зв’язку, оскільки відповідає вимогам до гнучкості, автоматизованості, часової ефективності, врахуванні маркетингової та економічної компонент. 10. Проведено імітаційне моделювання, результати якого показують, що за наявності точного розподілу користувачів на місцевості та алгоритму розрахунку втрат на трасі, досить простою є задача рівномірного перерозподілу користувачів між сусідніми секторами, а часові витрати на розрахунок повного покриття гіпотетичної гетерогенної мережі (40000 секторів) складають 33 хвилини 36 секунд, що є гарним показником, проте недостатнім для забезпечення функціонування цифрового двійника в режимі реального часу. Використання високопродуктивного процесора та технологій паралельного програмування дасть можливість зменшити часові витрати у 15-20 разів. Використання технології розподіленого обчислення зводить задачу масштабування обчислювальної потужності до суто технічної, що дозволить забезпечити вимоги щодо часових витрат для забезпечення роботи цифрового двійника радіомережі в режимі реального часу.
dc.description.abstractotherV.A. Prokopets A comprehensive method of planning a cellular radio network. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for graduation scientific degree of Philosophy Doctor by specialty 172 – Telecommunications and radio engineering. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2023. The actual scientific and practical problem of improving the process of planning and optimizing the cellular radio network through the use of digital twin technology is solved in the dissertation work. Analysis of the specifications and recommendations of the International Telecommunication Union and the 3GPP consortium regarding the features of the construction and operation of cellular communication networks showed that these features of the 3GPP standard networks differ significantly, which requires different approaches to the planning and optimization process these networks. The analysis of trends in the use of network data revealed that planning and optimizing networks of the second and third generations is an irrelevant task since the trends show a steady decrease in the share of these networks in the total transmitted traffic. Instead, the percentage of fourth- and fifth-generation networks is steadily increasing, and forecasts provided by leading telecommunications companies show that the trend of increasing these networks' share will continue until at least 2027. Thus, the task of planning and optimizing 4G and 5G networks is relevant. In the course of the analysis of the existing approaches to the planning and optimization of the cellular radio network, certain of their shortcomings were revealed, namely, focus exclusively on the technical aspect of planning, which makes them unsuitable for use in a real network, lack of automatic exchange of information with the network, lack of GIS integration and focus on one of the two ways of optimization (configurational or hardware), without considering the other. In the literature, the network planning and optimization task was not considered comprehensively in the context of considering both technical and economic, marketing and legal aspects. Thus, creating an improved method of planning the radio network of the cellular communication system is urgent. This will solve the main planning problem, considering technical, economic, marketing, and legal aspects, the possibility of the comprehensive evaluation of decisions regarding the optimization of the radio network, GIS integration, and automation of data exchange with the network regarding her condition. To solve this problem, the following actions were performed: 1. A description of the main statistical indicators of the functioning of the cellular radio network is provided. The performed analysis of the indicators identified those that are essential for the process of planning and optimizing the radio network, namely the volume of transmitted data, the number of users, the utilization of the channel resource, the distance from the base station to the user, the channel quality indicator and the data transfer rate. 2. Among the above indicators, the one most suitable for determining the state of network capacity was determined - Number of users. Unlike the Channel Resource Utilization and Data Volume indicators, the defined indicator does not have a significant drawback - sensitivity to abnormal data when one or several users use a significant part of the channel resource to transmit a large amount of data. 3. Twelve linear regression models were chosen for the experiment to determine the best one for the data set Number of users - Data transfer rate. Regression models are widely used to determine dependencies between random variables since statistical data can be viewed as sets of random variables that correspond to certain indicators. 4. The budget model of the communication channel, which is widely used to determine the power of the received signal, was considered. The main component of this model is path loss, which is one of the main problems of wireless communications. An analysis of the main path loss models, such as Okumura-Hata, Cost 231, and others, was carried out. Among the considered models, the model proposed in 3GPP TR 38.901 version 16.1.0 Release 16 is the most relevant, as it was specially developed for the scenario of use in 5G cellular networks, taking into account the characteristics of the propagation of radio waves in a wide spectrum range (500 MHz - 100 GHz). 5. A comprehensive method of cellular radio network planning is proposed, which is based on digital twin technology, takes into account the state of the existing network, marketing traffic forecasts, and is characterized by automation and flexibility. The method can be used at the stages of the radio network's strategic, operational, and tactical planning and perform planning in real time, reducing time and labor costs. This method considers marketing indicators (forecasts of changes in the volume of traffic/number of users), which is appropriate for high-level preliminary planning, as it helps identify potential problem areas of the network and, accordingly, preemptively perform capacity expansion of this area. The method also considers economic parameters (the cost of solutions) to reduce the amount of spent financial resources, which will allow for a greater number of changes to the network without increasing costs. 6. A method of uniform distribution of users between adjacent sectors is proposed, which differs from the known ones by the use of digital twin technology to check the correctness of distribution by selecting such values of antenna tilt angles and radiation powers that will ensure uniform distribution of users between adjacent sectors. The method predicts service areas of base stations using the 3GPP TR 38.901 version 16.1.0 Release 16 path loss model, which is flexible and adaptable for use in various scenarios. 7. A method of comprehensive evaluation of solutions is proposed, which considers the technical, economic and marketing indicators of the functioning of the cellular communication network and allows determining the best configuration or hardware solution for increasing the capacity of a network section with minimal economic costs. 8. An ontological model of the digital double of the cellular radio network planning process was proposed, which made it possible to describe both static and dynamic aspects of its planning process, to take into account the multidisciplinarity of this process, and also to determine meaningful logical connections between the components of this process. 9. Based on the proposed comprehensive method of radio network planning and optimization, software (software) has been created to increase the automation and flexibility of the network planning and optimization process. The proposed software implementation of the digital double is built on the SPL (Software Product Line) architecture and contains implementations of the proposed methods of comprehensive decision evaluation and cross-sectoral distribution of users; it can be effectively used to solve the problems of planning and optimization of the cellular radio network, as it meets the requirements for flexibility, automation, time efficiency, taking into account marketing and economic components. 10. Simulation modeling was carried out, which shows that in the presence of an accurate distribution of users in the area and an algorithm for calculating losses on the route, the task of evenly redistributing users between neighboring sectors is quite simple. The time costs for calculating the full coverage of a hypothetical heterogeneous network (40,000 sectors) are 33 minutes and 36 seconds, which is a good indicator, but not enough to ensure the functioning of a digital double in real-time. The use of a high-performance processor and parallel programming technologies will make it possible to reduce time costs by 15-20 times. The use of distributed computing technology makes the task of scaling computing power to a purely technical one, which will allow meeting the requirements for time costs to ensure the operation of the digital duplicate of the radio network in real-time.
dc.format.extent193 с.
dc.identifier.citationПрокопець, В. А. Комплексний метод планування радіомережі стільникового зв'язку : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Прокопець Володимир Андрійович. – Київ, 2023. – 193 c.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/64681
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectСтільникова мережа
dc.subjectрадіомережа
dc.subjectпланування
dc.subjectоптимізація
dc.subjectцифровий двійник
dc.subjectкіберфізична система
dc.subjectcellular network
dc.subjectradio network
dc.subjectplanning
dc.subjectoptimization
dc.subjectdigital twin
dc.subjectcyber-physical system
dc.subject.udc004.891.2
dc.titleКомплексний метод планування радіомережі стільникового зв'язку
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Prokopets_dys.pdf
Розмір:
4.96 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ІТТ)
Дисертації (вільний доступ)