Optimierung

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Matheon-B4: UMTS

Planung und Konfiguration der UMTS-Funkschnittstelle

Die Betreiber von Mobilfunknetzen setzen zur Zeit ihre Hoffnungen auf UMTS und die Erweiterungen davon: die Geräte, die den neuen Mobilfunkstandard beherrschen, können viele Daten in kurzer Zeit senden und empfangen. Die hohe Datenrate ermöglicht völlig neue mobile Dienste, zum Beispiel den Empfang von TV-Sendungen auf dem Handy, schnellen Internet-Zugang oder Videotelefonie. Wenn die Antennen der Basisstationen aber nicht optimal aufeinander abgestimmt sind, können Verbindungen abreißen oder gar nicht erst zustande kommen. Das ist ärgerlich für den Kunden, und das kann mit den Ergebnissen dieses Projekts verhindert werden. Funknetzplanung für UMTS, also die richtigen Einstellung der Antennen, ist viel schwieriger als bei den herkömmlichen Funksystemen, denn die Technik ist komplexer. In dem vorliegenden Projekt wird diese Aufgabe mit mathematischen Methoden gelöst: Um das Problem mit Hilfe der modernsten Methoden der Optimierung anzugehen, wurden zunächst neue mathematische Modelle für die Funknetze entwickelt. Die so gefundenen Formeln und Gleichungen sind mehr als graue Theorie. Werden sie nämlich in eine ebenfalls im Projekt entwickelte, neue Software eingespeist, so berechnet diese eine perfekte Konfiguration des Funketzes. Auf diese Weise setzen Mobilfunkbetreiber ihre Investitionen effizienter ein, die Strahlenbelastung wird reduziert – und das Handygespräch klappt!

A UMTS radio network

Radio Network Design

For providing wireless UMTS services to customers, operators deploy an infrastructure of radio antennas in the relevant area. Each antenna can be configured in many parameters (antenna type, height, azimuth (direction), tilt, ...). The quality of the radio network depends on the ensemble of antenna configurations. The task of radio network planning is to place and/or configure the antennas such that the resulting radio network has the desired qualities.

How to configure the network depends, of course, on the expected traffic distribution in the area. Due to the variety of services offered in UMTS, the traffic characteristics are heterogenous. One example of input data, a path loss prediction, is shown in the image below.


Two aspects are important for network quality. Coverage denotes the ability to provide users with network access anywhere in the planning area. This depends mainly on the strength of the signal received from the nearest antenna being high enough. Capacity, on the other hand, depends on sufficient availability of radio resources for the users.

Both quality measures are interlinked through radio interference. This makes managing interference coupling among cells one of the major challenges in UMTS radio network planning. Unlike for GSM, network load is not easily determined either.

Research Topics

The “traditional” way of assessing and planning radio networks is based on snapshots (random realizations of user distributions and service requests) and Monte-Carlo simulation. This approach, however, is hardly tractable for optimization of radio networks of interesting sizes. We work with a compact formulation based on expected cell coupling for assessing network load. This leads to linear equation systems involving cell coupling matrices and complementary variables capturing the effects of load control. Besides some simple heuristics for network tuning, we use this formulation for a fast local search approach and in optimization models that aim directly at designing the coupling matrices.

Focuses of the project work are:

  • Concise mathematical modelling of radio networks
  • Fast network analysis including cell loading and blocking
  • Design of efficient optimization models
  • Robust optimization solutions with respect to traffic and pathloss variations
  • Appropriate consideration of technically relevant features in optimization

Downloads

  • Poster (06/2007) [pdf]
  • Presse-Feature (in german) [pdf]

Publications