分层优化网络资源规划方法

1低成本的蜂窝移动通信系统：分层优化网络资源规划方法摘要：本论文涉及蜂窝移动通信系统的设计优化和无线网络资源的规划。在移动网络规划中需要考虑的关键因数是成本。由于在大型的系统设计中必须考虑诸如系统性能，地形特征，基站参数和成本等很多因素，故分层优化规划方法(HOP)得到了应用。在此我们提出了设计蜂窝移动系统的三层优化方法。它能确定小区的数量，小区的安置和具体的基站参数以使整个系统的成本最小化并符合所要求的系统性能。我们把问题阐述为一个大型的组合优化模型，通过此模型确定小区的最优数量并选择最佳的基站位置。模拟退火方法被用来解决这个困难的组合问题。模拟结果证明了HOP方法在无线网络规划中的可行性和有效性。关键词：蜂窝移动通信系统，最优化，无线网络规划，模拟退火Ⅰ介绍随着对移动通信业务需求的巨大增长，系统设计优化和无线网络规划的问题变得越来越重要。虽然在移动蜂窝网络规划领域作了很多关于覆盖分析，信道分配，路由选择和传播等方面的研究，但在关于成本有效系统设计的网络规划方面的研究却不多[1]-[5]。实际上，在复杂的移动通信设计中必须考虑很多因数，如系统性能，系统容量，小区覆盖，话务量，地形和传播特征等。关于小区数量，小区位置，基站和移动单元的设计参数及信道分配的决定必须根据相互之间的关系作出。小区的位置可以根据给定的小区数量，覆盖性能，话务分布和传播环境来确定。基站和移动单元的设计参数必须要等到小区的部署全部完成后才能具体化。最后，在话务和避免干扰等方面能改善系统性能的信道分配[6]-[8]只有在移动蜂窝网络的结构被详细说明后才能决定。在决定任何通信系统经济上的可行性时成本都是一个关键因素。一个好的设计方法应该能在诸如网络性能标准，话务量和技术升级等因素中进行权衡，使成本最优化[9]。至今已有几个商用软件包被成功应用于移动蜂窝系统的网络规划中，如plaNET软件。但不管怎样，它们在规划中都没有直接包括金融上的规划或者考虑成本。另一方面，如AnalysisSTEM建模系统等的一些软件是决策支持工具以获得金融模型并提供蜂窝移动系统的成本分析。但在它们的成本模型中又没有考虑网络规划。这篇论文试图同时考虑成本和网络规划因数以填补这个缺口。这种唯一的组合对移动网络业务的供应商有极大的意义。它发展了最优化的网络规划方法，在系统设计上既使总的系统成本最小化同时又保证了好的系统性能。可操作的研究策略－分层优化的规划早已被成功应用于大规模制造系统的生产规划和健康关心及服务系统的决策制定中[10]-[12]。在这些事例中，集合规划通常是不可行的，因为对于大型的复杂系统的集合规划模型通常不能被公式化或无法求解。在本论文中，我们描述了关于移动蜂窝通信系统设计的网络规划的分层特性，提出了一个分层优化规划方法(HOP)以确定无线网络的结构，即小区的数量，小区的大小，小区的安置，天线增益及天线高度的参数和基站及移动单元的发射功率。一个组合优化模型被推导出来以确定小区的最佳数量和基站的最佳位置使得在总的系统成本最小化的同时又能保证良好的覆盖质量和话务性能。规划模型是一个有难度的组合优化问题[13]。诸如分支界限法和动态规划法之类2的优化算法不能在合理的时间内求得优化解[13]。因为牵涉到很多变量和复杂的约束，被用来解决大型组合优化问题的分解法和拉格朗日松驰法[14]可能也无法应用到规划模型中。在本论文中，一个建立在模拟退火(SA)基础上的算法被推导出来用于解决此问题，并在合理的计算量内求得了逼近的最优结果。本论文的安排如下。在第二节，我们描述了蜂窝无线网络规划问题。第三节提出了解决这个问题的分层优化规划方法。在这一节还提出了组合优化模型和模拟退火算法。最后，在第四节给出了用HOP方法实现新加坡的蜂窝移动通信服务系统的网络规划的模拟结果。Ⅱ问题陈诉如图1所示，假如我们想要发展一个蜂窝移动通信系统为新加坡地区提供服务。整个地区将覆盖三种类型的土地：市区，郊区和农村。我们需要考虑非一致的话务分布：话务高峰通常在市中心，局部话务高峰在郊区中心。给定与覆盖性能相关的地区覆盖概率aP。边界处的定位概率LP和覆盖边界处接收信号强度的门限电平cellP可以从覆盖概率aP和要求的信号强度，即载干比C/N[2]中推导得出。服务等级被设定为在忙时发起呼叫的阻塞概率blockP。为满足业务要求在系统中采用了频率复用方案。问题是怎样设计一个最优网络结构，即确定小区的数量，小区的大小，每个基站的位置和基站及移动单元的参数，以保证达到要求的性能目标，并使总的系统成本最小化。基站设备的成本是由机器设备及安装，天线，建筑物及铁塔和发射机及收信机等的成本决定的。为了设计这样一个系统，必须考虑许多因素[1],[9]，需要作出许多不同层次的决策。涉及的主要因素如下：系统性能的详述，小区的覆盖，话务分布，地形，传播数据和系统成本因素。所有的这些因素相互影响，它们之间的复杂关系需要确定。由于系统的复杂性，在实际中网络规划过程是分层次的。规划活动包括：性能的说明和分析，从小区的数量及小区的位置方面来说的形式上的小区规划，和关于射频小区参数的设置及信道分配的详细小区设计。Ⅲ网络规划和设计方法我们提出了蜂窝移动通信网络设计的三层HOP方法。网络规划的三层结构如图2所示。在第一层，决定了小区数量的上界和相应的小区覆盖范围。HOP的输入参数如下：忙时的话务负荷，覆盖要求和整个服务区域的地形特征。并选择典型情况下的传播参数。任务为用最小的小区数量覆盖整个区域并满足平均话务需求。3在第二层，小区的数量和最佳的小区位置由大型的组合优化模型决定。模型的规划目标是使总的系统成本最小化，同时确保覆盖的质量，并努力符合非一致话务负载的要求。我们考虑到了不同用户的话务密度和不同类型服务区域的地形特征。如图1所示，整个区域被划分为市区，郊区和农村。这些区域进一步被划分为更小的网格。环境结构方面的信息，用户密度和每个网格的平均俯角等都可以从地理信息系统(GIS)的数据库里得到。详细规划在第三层进行，每个小区的具体参数，如天线模型及其增益，发射功率，天线高度和信道利用率等都在这一层设置。最后，把成本估计出来。规划过程的总体系统性能很大程度上取决于不同层次上的不同活动和决策相结合的程度。如图2所示，决策必须在双向上相互调整和加强。为了获得这个HOP方法和最优成本模型，需要考虑几个复杂的关系：覆盖率的要求，小区的覆盖范围和小区边界信号强度之间的关系[2]；传播损失和具体的人造建筑物及地形外表之间的关系[17]；设备和成本之间的关系。传播损失可以用Hata传播模型预测[18]。Hata模型刻划了对于市区，郊区和农村等地形是准光滑或不规则的不同环境下无线传播的特性。在蜂窝系统的设计中这个模型广泛应用于预测不同环境下的路径损失[17][19]。关于市区内基本传输损耗的Hata公式由下式给出：Lu(db)=69.55+26.26·log(f)-13.82·log(bh)-a(mh)+[44.9-6.55·log(bh)]·log(d)(1)其中移动台天线高度的校正因子a(mh)为：对于中小城市，a(mh)=[1.1·log(f)-0.7]·mh-[1.56·log(f)-0.8]；对于大城市，a(mh)=3.2·[log(11.75·mh)]2-4.97，且频率f≥400MHz。郊区和农村的传播损失Lsu和Lrqo由下式给出：Lsu=Lu-2·[log(f/28)]2-5.4(2)Lrqo=Lu–4.78·[log(f)]2+18.33·log(f)–35.94(3)Hata公式适用的范围为频率f在150MHz到1000MHz之间，基站天线高度bh介于30m和100m之间，移动台天线高度mh介于1m和10m之间，距离d的变化范围为从1km到20km。在以下各节中，将给出HOP方法每一层的细节。A.第一层：小区数量和小区大小的最初决定首先，根据整个地区的覆盖性能和平均话务需求决定需要的最小基站数。为了确4定系统设计中需要的小区数的上界，这个最小的基站数是在最差的情况下计算的的。在此我们取小区复用因子k=7，并给定地区覆盖概率aP和用户阻塞率blockP。把覆盖区域对移动话务量的要求考虑为在忙时由在此区域内的移动单元发起的所有呼叫尝试。它是根据覆盖区域内车辆的交通流量来预测的。给定预估的呼叫尝试率，该区域的话务负载就转化为忙时在此区域内的移动用户数。我们定义以下符号：ptC根据每个小区的信道数和给定的阻塞率blockP得到的每个小区可以提供的话务量(用户数/小时)。ttC整个服务区的总话务量(用户数/小时)。cellP覆盖边界处的接收信号强度的门限电平。ppP射频输出的峰值功率(dbW)。tP发射天线的输入功率(dbW)。rP接收天线的接收功率(dbW)。bg,mg分别为基站和移动单元的天线增益(db)。bh,mh分别为基站和移动单元的天线高度。d小区的平均辐射半径(km)。S服务区的总面积(km2)。首先考虑覆盖性能。从发射机到接收机射频功率的链接预算资源由下列方程给出[1]，[9]：rP=tP+bg–L(d)+mg(4)tP=ppP–l(5)其中L(d)是传输损耗(db)，而l是绝缘体，组合器和射频电缆的复合损耗。整个地区小区数量的上界由关于市区的Hata传播模型决定。关于郊区和农村的模型将在规划的下一层考虑。假设有下列条件[1]，[9]：ppP=10W，bh=30m，mh=3m，bg=12dBi，mg=2dBi，l=4dB，f=900MHz。则关于传播损失L的公式(1)变为：L(d)=123.73+35.22·log(d)(6)为保证满足覆盖要求，我们有5rP=–73.73–35.22·log(d)≥cellP(7)即log(d)≤log(dmax)=(-cellP–73.73)/35.22(8)其中dmax是在大城市市区环境下最大的小区辐射半径。那么，小区的最小数量为：2max1dSn(9)如果由业务量的分布情况来确定覆盖区图形，小区数量就由话务量决定[1]。在这种情况下，小区的最小数量为：ptttCCn2(10)由此可以给出小区的最小数量为：n=max{1n，2n}(11)在最初的系统设计中，我们设n为小区数量的上界以得到成本有效的设计。在给定小区数量后，平均小区辐射半径由d=nS决定。B.第二层：最优小区位置和小区数量及小区大小的确定在这一层，考虑了整个区域的非一致话务分布。有关地形结构和环境的数据，话务密度，俯角均存储在每个网格中。一旦已知小区数量的上界，下一步就是要确定那一个网格属于那一个小区。进而就确定了小区的数量，不同的小区位置和小区大小。一般地，小区由相邻的具有相同分类的几个网格组成。在本论文中，建立了一个组合优化模型来确定那个网格属于那个小区和基站参数的最优值。我们考虑关于覆盖标准的“硬”约束和非一致话务需求的“软”约束，“软”约束可被放松且可通过补偿项合并入目标函数。模型的目标是使整个系统成本最小化。在轻话务量条件下，小区的数量可进一步减少。1)经济优化模型的数学阐述：为了阐明这个问题，我们引入以下决策变量：ikx=1，若网格i属于小区kkY=1，若小区k被网格占据0，若网格i不属于小区k0，若小区k内没有网格(节约一个小区)进一步，我们定义如下：1，网格i内的市区结构1iG=2，网格i内的郊区结构3，网格i内的农村结构2iG网格i内的话务密度(用户数/小时)。n总的小区数。6m总的网格数。soC交换机房，硬件和安装的固定成本。cellC基站内的硬件和安装的成本。aC考虑其增益的天线的成本系数。tC考虑其发射功率的发射机和接收机的成本系数。tkP小区k内的基站发射功率，且UBtkLBPPP，其中LBP和UBP分别是其相应的上界和下界。mkbkgg,分别为小区k内的基站和移动单元的天线增益，且UBtkLBggg其中LBg和UBg分别是其相应的上界和下界。mkbkhh,分别为小区k内的基站和移动单元的天线高度。kd小区k的辐射半径。gS网格的范围。关于蜂窝移动通信网络的经济优化模型(EOM)阐述如下：