Решения для гетерогенных сетей (HetNet)

Мы разрабатываем линейку HetNet-решений стандарта LTE/LTE Advanced, предназначенных для использования внутри помещений
(в офисах, торговых центрах, аэропортах, кафе и ресторанах) и на открытой местности с высоким уровнем трафика (на площадях
стадионах и в других зонах массового скопления людей).

 

Стремительный рост абонентского трафика в сетях сотовой связи, изменение его характера и структуры требуют непрерывного и значительного увеличения пропускной способности этих сетей. Построив за последние годы на одной территории сети сотовой связи нескольких технологий (GSM/GPRS/EDGE, WCDMA/HSPA, LTE), операторы стоят перед трудной задачей дальнейшего их развития при одновременном обеспечении эффективности бизнеса вусловиях стагнации доходов. Предельно эффективное использование частотного спектра, сетевых технологий и инфраструктуры становится важнейшим из условий успеха операторских компаний. Технологии радиоинтерфейсов на сегодняшний день практически достигают теоретических пределов канальной пропускной способности, и дальнейшим путем увеличения емкости сетей становится их пространственное уплотнение и совершенствование методов управления распределением радиоресурса. Концепция HetNet (Heterogeneous Network), соответствующая указанным принципам, является одной из главных тенденций развития современных сотовых сетей.

 

Разнородными или гетерогенными беспроводными сетями связи (HetNet) называют сети, которые применяют различные технологии радиодоступа, работают в нескольких частотных диапазонах, имеют многоуровневую архитектуру и используют в своей топологии различные размеры сот.

Гетерогенные сети обеспечивают возможность оптимизации затрат и качества предоставляемых услуг путем использования технологии, полосы частот и архитектурного уровня, которые лучшим образом подходят для конкретной задачи. Применение сот малого радиуса (Small Cells) наряду с «большими» макро-сотами позволяет уменьшить расстояние от базовой станции (БС) до абонентского терминала (UE), снизить излучаемую UE мощность, уменьшить уровень интерференции в сети, увеличить спектральную эффективность, улучшить качество восприятия (QoE), увеличить пропускную способность.

Среди предпосылок возникновения HetNet, кроме наличия у оператора нескольких сетей разных технологий, ограниченности частотного ресурса, а также широкого распространения многорежимных многодиапазонных пользовательских терминалов, стоит выделить неравномерность территориального распределения абонентского трафика в сети.

 

 

Неравномерность распределения абонентского трафика


В отличие от идеализированной модели в реальных сетях абоненты пользуются услугами связи и генерируют трафик не равномерно, а в зонах его концентрации. Снижение мобильности пользователей, использующих пакетную передачу данных, по отношению к голосовым абонентам повышает неравномерность распределения трафика. Она наблюдается не только на уровне сети в целом, но и на уровне отдельных сот. Практически в каждой соте есть несколько точек концентрации трафика. По данным разных операторов, 50 – 80 % трафика генерируется на 10 – 15 % от площади всей сети, и 40 – 50 % - создается 2 – 3 % пользователей.

Использование HetNet, в частности применение сот малого радиуса в местах концентрации трафика, позволяет эффективно решить проблему обеспечения емкости сети.

 

Архитектура HetNet-сети

Классическая архитектура сотовых сетей подразумевает применение базовых станций с примерно одинаковыми параметрами мощности, зоны обслуживания и абонентской емкости. Потребность в оптимизации сотовых сетей, вызванная неравномерностью распределения абонентов (трафика) по обслуживаемой территории и наличием участков с недостаточным покрытием, одновременно с требованием экономической эффективности, привела к использованию базовых станций с различными характеристиками.

                                Многоуровневая архитектура сети сотовой связи HetNet

 


Принято выделять следующие типы узлов радиосети в составе HetNet в соответствии с решаемыми ими задачами: макро-, микро-, пико- и фемто-базовые станции, удаленные
приемопередатчики (RRH) и ретрансляторы (relay). Ниже приведены их классификация и описание.

Макро-базовые станции (Macro Base Station) – базовые станции, ориентированные на покрытие большой территории, отличаются самыми большими значениями мощности
и абонентской емкости. Данный тип БС формирует базовое покрытие, часто требует использования специальных металлоконструкций или вышек для установки антенн. Оборудование БС размещается в помещении аппаратной или в контейнере. Большое энергопотребление c учетом кондиционирования, относительно большая арендуемая площадь, вышка и дорогостоящее оборудование определяют данный класс БС, как наиболее дорогой, причем не только для развертывания, но и эксплуатации.

Микро-, пико- и фемто-базовые станции (Micro, Pico, Femto Base Stations), объединяемые термином «Small Cells» - «малые соты» или «станции малого радиуса действия», отличаются от макро-БС меньшими размерами, мощностью и стоимостью. В зависимости от назначения и мощности они могут устанавливаться как вне, так и внутри помещений для улучшения покрытия, увеличения емкости сети (снятия нагрузки с макроуровня – «offload») и повышения качества услуг связи в ограниченной зоне. Для
размещения таких БС требуется значительно меньшая, по сравнению с макро-БС, площадь, поэтому имеется более широкий выбор мест установки (стены зданий, различные объекты так называемой «городской мебели» - остановки общественного транспорта, рекламные конструкции и пр., мачты уличного освещения – для микро-БС, стены и потолки помещений – для пико- и фемто-БС). Такие БС обычно изготавливаются в виде единого устройства (антенна интегрирована с блоком станции).

Для упрощения интеграции БС Small Cells в сеть и эксплуатации используются функции самоорганизации (SON – Self-Organizing Networks). Малые базовые станции характеризуются простотой развертывания и меньшей по сравнению с макро-БС стоимостью. Считается, что малая абонентская емкость Small Cells не предъявляет высоких требований к транспортному каналу до ядра сотовой сети, и в качестве транспорта для пико- и фемтосот могут быть использованы имеющиеся широкополосные каналы доступа в Интернет, что обеспечивает существенную экономию при развертывании.

 

 

Задачи при реализации LTE HetNet

При реализации HetNet необходимо решить ряд технических задач: планирование сети, борьба с внутрисетевой интерференцией, организация транспортной сети (backhaul), управление сетью и самоорганизация, управление мобильностью и др.

Территориальное планирование сети. Наибольшая эффективность Small Cells достигается при их размещении непосредственно в точках концентрации трафика (hot spots), что требует точного определения местоположения таких точек. В ходе планирования также необходимо выполнять прогнозирование загрузки Small Cell для оценки эффективности ее применения.

Борьба с внутрисетевой интерференцией. Увеличение интерференции в гетерогенной сотовой сети связано с уплотнением сетевой топологии и использованием единого частотного ресурса близлежащими БС. Классические методы снижения интерференции предполагают пространственное разнесение источников сигналов и различные схемы повторного применения частот, что снижает эффективность использования частотного ресурса и, как следствие, экономическую эффективность сети. Требуется применение методов борьбы с интерференцией, обеспечивающих повышение эффективности использования спектра, а в более широком понимании – частотно-временного ресурса.

Организация транспортной сети. Организация подключения малой соты к транспортной сети (backhaul) представляет сложную задачу. Затраты на организацию backhaul могут свести на нет все преимущества развертывания малых сот, как недорогого решения. Невысокие требования к пропускной способности транспортного канала и надежности соединения, с одной стороны, позволяют использовать в качестве транспорта сети широкополосного доступа в Интернет. С другой, - необходимость координации с БС макроуровня для борьбы с возникающей в одночастотной сети HetNet интерференцией предъявляет жесткие требования к качеству и пропускной способности канала. Размещение малых сот на небольших высотах в городе ограничивает применение в качестве транспортного решения радиосредств прямой видимости (LoS). При планировании сети backhaul необходимо выбирать оптимальное техническое решение с точки зрения стоимости и требований в каждом конкретном случае.

Распределение трафика в многоуровневой сети, управление мобильностью и емкостью сетиЭто целый класс взаимоувязанных (и часто противоречивых) задач, оптимальное решение которых возможно только при комплексном подходе. Решение обеспечивается продуманным радиопланированием, а также разработкой и применением политик распределения трафика по уровням HetNet, т. е. принципов выбора того или иного слоя БС, частоты, технологии для обслуживания абонентского терминала с учетом его местоположения, скорости движения, загрузки радиоинтерфейсов БС, других сетевых условий или, возможно, бизнес-политик.В гетерогенной сети из-за малого размера сот, а также перекрытия с макроуровнем, значительно
возрастает число попыток хэндоверов, что приводит к росту числа потерянных соединений (даже при постоянном значении коэффициента успешности хэндоверов). В наибольшей степени на это влияет быстрое пересечение зоны обслуживания малой соты высокомобильными абонентами, которых желательно удерживать на макроуровне.Кроме методов динамического управления и перераспределения активных терминалов, необходимо выработать политику распределения терминалов, находящихся в режиме ожидания (idle), между различными технологиями, макро- и Small Cells уровнями, которая влияет на распределение нагрузки между уровнями, частоту хэндоверов, а также на время жизни батареи абонентского терминала. Разработка и применение оптимальных политик распределения трафика позволит оператору оптимизировать нагрузку на сетевые элементы, повысить суммарную пропускную способность сети и поднять качество предоставляемых услуг.

Управление сетью. Задача управления гетерогенной сетью усложняется в связи со значительным увеличением числа БС при развертывании Small Cells. Решить эту задачу можно внедрением функционала самоорганизующихся сетей (Self-Organizing Networks, SON), в которых реализуются функции самоконфигурации, самооптимизации и самовосстановления.

Обеспечение сетевой безопасности. В отличие от макро-базовых станций, которые размещаются в аппаратных помещениях (или контейнерах) с ограниченным и регламентированным физическим доступом персонала, размещение малых сот чаще всего происходит в местах, открытых для общего доступа, вне специальных помещений. С одной стороны,
это преимущество малых БС, так как стоимость установки и содержания сайта уменьшается, но с другой, - несет риски вандализма, кражи оборудования, а главное - несанкционированного информационного доступа к оборудованию малой соты и через него ко всей сети оператора! Кроме того, Small Cells могут использовать в качестве транспорта открытые недоверенные транспортные сети (Интернет), не обеспечивающие безопасную передачу данных.
Таким образом, внедрение HetNet требует применения специальных организационных и технических мер безопасности, включая надежные алгоритмы аутентификации БС и шифрования транспортных соединений. Для решения этих задач в архитектуре HetNet используется новый сетевой элемент – SeGW
(Security Gateway).

Реализация мультивендорной сети. Использование в сети сотовой связи оборудования БС различных производителей позволяет
оптимизировать затраты на ее развертывание и обслуживание, однако вносит проблемы совместимости оборудования, которые определяют как функциональность такой сети, так и ее реализуемость. При развертывании HetNet-сети на БС разных вендоров, в частности, при использовании на одной территории БС Small Cell и макро-БС разных вендоров возникает риск снижения качества обслуживания. Этот риск связан с тем, что не все процедуры координации и борьбы с внутрисетевой интерференцией
могут полноценно работать между станциями различных производителей, что может привести к повышенной (по отношению к радиосети, построенной на оборудовании единого вендора) интерференции. При реализации мультивендорной HetNet требуется тщательное выполнение тестов на совместимость именно в части функционала координации.