Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ опций, увеличивающих емкость сети 20
1.1 Введение 20
1.2 Анализ и классификация существующих опций 20
1.3 Процедура хендовера 21
1.4 Процедура хендовера в сетях с иерархической структурой 33
1.5 Режим полускоростного кодирования 37
1.6 Псевдослучайная перестройка частоты 39
1.7 Регулировка мощности 42
1.8 Непостоянное излучение 45
1.9 Выводы 46
2. Методы оценки качества сетей сотовой связи. Анализ влияния опций, увеличивающих емкость сети, на основные показатели качества сети ... 48
2.1 Введение 48
2.2 Методы оценки качества сетей сотовой связи 48
2.3 Определение основных показателей качества сети 52
2.4 Способы вычисления индикаторов качества сети 56
2.5 Анализ влияния опций, увеличивающих емкость сети, на качественные показатели 57
2.6 Оценка эффективности использования существующих опций. Рекомендации по их применению 61
2.7 Выводы 71
3. Алгоритмы настроек сетей стандарта GSM для повышения их пропускной способности 73
3.1 Введение 73
3.2 Влияние процедуры прямого переназначения на качественные показатели сети 73
3.3 Методика настройки параметров по перераспределению ресурсов между голосовым и пакетным трафиком 83
3.4 Выводы 97
4. Алгоритмы обнаружения изменений интенсивностей хендоверов и прогнозирования перегрузок для сетей стандарта GSM 100
4.1 Введение 100
4.2 Особенности определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM 100
4.3 Описание математической модели 105
4.4 Модели изменений интенсивности параметров мобильности. 108 Параметры моделей для сетей стандарта GSM
4.5 Взаимосвязь числа активных абонентов и потенциально активных абонентов 120
4.6 Алгоритмы предсказания перегрузок и их параметры применительно к сетям стандарта GSM 122
4.7 Принципы сбора статистики в сетях стандарта GSM 131
4.8 Выводы 135
Заключение 137
Литература
- Анализ и классификация существующих опций
- Определение основных показателей качества сети
- Методика настройки параметров по перераспределению ресурсов между голосовым и пакетным трафиком
- Модели изменений интенсивности параметров мобильности. 108 Параметры моделей для сетей стандарта GSM
Введение к работе
Актуальность темы. Перед любой компанией, занимающейся бизнесом в области телекоммуникаций, стоит задача минимизации затрат на строительство и развитие сети при сохранении приемлемых показателей качества. Не являются исключением и компании сотовой связи. В настоящее время в России идет бурное развитие телекоммуникационной сферы, а особенно мобильной связи, причем наибольшее распространение получил стандарт GSM. Все больше и больше услуг пользуются спросом у рядового абонента сотовой связи: различные сервисы на базе технологии GPRS/EDGE (в скором времени с использованием более новой технологии UMTS), обмен SMS и MMS сообщениями, причем эти дополнительные услуги позволяют по разным оценкам увеличить такой важный экономический показатель деятельности оператора как ARPU (средний доход с одного абонента) на 15-20% [12]. Естественно, что развитие новых технологий требует развития оборудования, на котором эти технологии будут реализованы. Это является довольно сложной задачей, и различные компании-производители оборудования решают ее по-своему, но удовлетворяя требованиям стандартов (ETSI, ITUh т.д.). Однако ряд способов, применяемых при реализации того или иного узла, является общим. В качестве примера можно привести методы линеаризации усилителей мощности [23,62-67,72], использование которых становится актуальным в сетях сотовой связи при переходе к EDGE и сетям третьего поколения, где используются сигналы не с постоянной (как в GSM), а переменной огибающей [10].
Разработка оборудования является прерогативой компаний-поставщиков оборудования, и влияние операторов сотовой связи в этой части минимально. Но, безусловно, пожелания, и особенно, претензии к существующему оборудованию и программному обеспечению учитываются, и вносятся соответствующие коррективы. Стоит признать, что основной задачей операторов связи является предоставление качественных услуг на
5 имеющемся оборудовании, используя и настраивая в сети определенным образом те или иные опции. В этой части у операторов имеются достаточно большие возможности.
Не стоит забывать об основной функции на данном этапе развития подвижной связи - предоставление голосовых услуг. В настоящее время степень развития рынка телекоммуникационных услуг такова, что абоненты хотят не просто иметь возможность разговаривать в любом месте в любое время, но и получать качественные услуги. Необходимо отметить, что поскольку под любые сервисы занимается один и тот же физический ресурс -радиоканал, то необходимо, во-первых, грамотно распределять имеющийся ресурс между различными сервисами, а во-вторых, применяя различные алгоритмы, использовать его максимально эффективно. Анализу проблем алгоритмов управления, хранения информации, а также математическому описанию процессов, происходящих в системах с массовым обслуживанием, посвящено множество работ, как зарубежных, так и отечественных ученых. Среди основополагающих трудов стоит отметить работы Б.С. Лифшица, А.П. Пшеничникова, А.Д. Харкевича, М.А. Шнепса, У.К. Ли, Л. Клейнорка.
Эффективность использования частотного ресурса, выделенного под стандарт GSM, в нашей стране особенно актуальна из-за наличия различных ограничений, особенно в диапазонах частот 880-915 МГц и 925-960 МГц (для краткости далее диапазон 900 МГц). Зачастую бывает просто невозможно увеличить емкость сети за счет добавления трансиверов, т.к. это может привести к появлению интерференции, а значит, к резкому ухудшению качества предоставляемых услуг. Поэтому в ряде случаев важнейшую роль играет использование различных способов и алгоритмов, позволяющих перераспределять трафик и увеличить емкость сети без установки дополнительных трансиверов. Более того, ставится задача увеличивать емкость динамически и в нужный момент времени, т.е. когда действительно имеет место нехватка каналов на радиоинтерфейсе. Другими словами,
необходимо применять алгоритмы, при помощи которых можно предсказывать перегрузки и управлять емкостью сети.
С учетом изложенных выше факторов проведение анализа, оценки эффективности и влияния на качественные показатели основных опций, позволяющих увеличить емкость сети, а также нахождение параметров математической модели предсказания перегрузок и перераспределения голосового и пакетного трафика применительно к сетям стандарта GSM являются актуальными задачами.
Цель работы. Целью диссертационной работы является решение задачи по увеличению пропускной способности сетей стандарта GSM на основе разработанных математических моделей теории массового обслуживания.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
на основе анализа возможностей оценки мобильности абонентов в сетях стандарта GSM определить параметры математической модели для предсказания перегрузок на радиоитерфейсе подсистемы базовых станций;
разработать практические рекомендации по использованию существующих опций, позволяющих увеличить емкость сети;
- на основе статистической обработки имеющихся экспериментальных
данных, полученных с различных элементов сети, разработать алгоритм
расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при
настройке процедуры «прямого переназначения»;
- на основе экспериментальных данных разработать и обосновать алгоритм
по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе между пакетным и
голосовым трафиком для максимально эффективного использования
имеющейся емкости сети.
Общая методика исследования. При разработке алгоритма расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при
7 настройке процедуры «прямого переназначения» и определении параметров модели по предсказанию перегрузок использовались методы теории массового обслуживания и теории телетрафика, теории вероятностей и статистической радиотехники.
Научная новизна и основные научные результаты работы заключаются в следующем:
Определены параметры, позволяющие оценить мобильность абонентов, учитывающие особенности определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM.
Исследована и обоснована математическая модель для прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM, а также определены ее параметры с учетом найденных параметров мобильности.
Разработан алгоритм настройки процедуры «прямого переназначения», который позволяет снизить перегрузки на радиоинтерфейсе подсистемы базовых станций при сохранении низкого уровня процента обрывов соединений.
На основе обработки статистических данных (более 1.000.000 измерений) получена аналитическая зависимость по расчету допустимых значений логических параметров базовых станций для настройки «процедуры прямого» переназначения. Проведено исследование полученной формулы, доказана ее состоятельность и найдены доверительные интервалы.
На основе обработки статистических данных (более 600.000 измерений) разработана и обоснована методика перераспределения ресурсов между голосовым и пакетным трафиком, позволяющая удовлетворить нормативам по качеству для обеих услуг.
На основе обработки статистических данных (более 700.000 измерений) выработаны практические рекомендации по использованию опций, позволяющих увеличить емкость сети.
8 Личный вклад. Результаты проведенных теоретических и практических исследований, а также вытекающие из них выводы и рекомендации получены автором лично.
Практическая ценность. Выполненные в диссертационной работе исследования и найденные параметры математической модели для прогноза перегрузок позволяют на раннем этапе возникновения роста трафика предпринимать меры по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе для предотвращения отказов в обслуживании абонентов.
Рассмотренные способы оценки качества сетей подвижной связи и рекомендации по их применению позволяют операторам связи на постоянной основе осуществлять контроль состояния сети и поддерживать качество предоставляемых услуг на высоком уровне.
Рекомендации, приведенные в диссертационной работе по внедрению основных опций, увеличивающих емкость сети, дают возможность оператору сотовой связи наиболее эффективно и своевременно активировать их на своей сети, что позволит наилучшим образом использовать имеющиеся ресурсы.
Разработанная методика настройки процедуры «прямого переназначения» обеспечивает снижение перегрузок на радиоинтерфейсе сетей стандарта GSM при сохранении на низком уровне значений обрывов соединений, что увеличивает эффективность использования имеющихся ресурсов.
Аналитическая зависимость, полученная для расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения» совместно с алгоритмом прогнозирования перегрузок позволяет оператору подвижной связи не только выявлять возникновение перегрузок на раннем этапе, но и вовремя предпринимать меры по их снижению при минимальном влиянии на другие основные показатели качества.
9 Разработанный и обоснованный алгоритм по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе между голосовым и пакетным трафиком дает возможность в условиях ограниченности ресурсов предоставлять услуги как по передачи голоса, так и по передачи данных с высокими показателями качества.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «ВымпелКом» и департаменте «Телекоммуникации» ООО Сименс, что подтверждено актами о внедрении. Результаты, полученные в работе, применяются в учебном процессе кафедры «Радиотехнические системы» МТУ СИ.
Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва, 2004 - 2006 гг.), на международной конференции «IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications» (Москва, 2004 г.). Публикации. Опубликовано 20 печатных работ [23,24, 57-72,77,82].
Основные положения, выносимые на защиту:
На основе анализа основных опций, используемых операторами сотовой связи для увеличения емкости сети, разработаны рекомендации по их применению, подтверждающиеся практическими результатами:
при проектировании сети целесообразно ориентироваться на долю трафика в режиме Half Rate 20-30%;
применение процедуры прямого переназначения позволяет увеличить емкость сети на величину до 25%;
- настройка двухдиапазонной сети позволяет увеличить эффективность
использования ресурса соты на величину до 5%;
- использование псевдослучайной перестройки частоты позволяет
улучшить значения CunSR на 15% , а значение TAsFR_radio -
практически в два раза.
Параметры математической модели для прогнозирования роста перегрузок на основе параметров мобильности, вычисляемых в сетях стандарта GSM, показывают, что при интенсивности %^0 = 10 аб/с необходимый интервал анализа составляет 100-250 с, что примерно в 3-4 раза меньше времени возникновения реально ощутимых перегрузок из-за каких-либо ситуаций типа «пробок», аварий и пр. Это позволяет использовать полученную модель в оборудовании для динамического перераспределения ресурсов сети.
Полученная аналитическая формула, показывает, что при значении Signal_levmin= -95 дБм, для сохранения значений неуспешных соединений не выше 2% настройка логических параметров, отвечающих за работу процедуры «прямого переназначения», должна производиться таким образом, чтобы доля сигналов с уровнем ниже граничного не превышала 15%.
Найденные параметры настройки алгоритма перераспределения ресурсов на радиоинтерфейсе между голосовым и пакетным трафиком позволяют удерживать значение Ротк gprs на уровне 1-2%, при минимальном воздействии на Ротк:
- для секторов с одним и двумя трансиверами, независимо от наличия
режима Half Rate, значения MAX_PDCH и HIGHJRAFFIC:
MAX_PDCH = Кол-во TS - 1, где TS -доступные тайм-слоты, не
занятые служебными каналами.
MAX_PDCH_HIGH_TRAFFIC = 100*(МАХ_РБСН)/(Кол-во TS);
- для секторов с тремя и более трансиверами, независимо от наличия
режима Half Rate:
MAX_PDCH = Кол-во TS- 2,
HIGHTRAFFIC = 100*(МАХ_РБСН)/(Кол-во TS).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 82 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены результаты, полученные в процессе написания диссертации, определены практическая ценность и области применимости основных положений диссертационной работы, выносимых на защиту, приведены сведения об апробации полученных результатов.
В первой главе диссертационной работы даны классификация и описание основных опций, позволяющих увеличить емкость сети и использующихся большинством операторов мобильной связи: различных видов хендовера, в том числе для иерархических сот, процедуры «прямого переназначения», режима полускоростного кодирования, псевдослучайной перестройки частоты, регулировки мощности и непостоянного излучения. На основе
12 проведенного анализа формулируются основные положения, подлежащие детальному исследованию, позволяющие повысить эффективность используемых ресурсов сетей сотовой связи.
Основными причинами плохого качества предоставления той или иной услуги являются нехватка емкости ресурсов базовой станции, что приводит к перегрузкам на радиоинтерфейсе, и радиопроблемы, т.е. интерференция и/или внешние помехи. В результате проведенного анализа предлагается следующая классификация опций:
1. опции, уменьшающие перегрузки, т.е. позволяющие перераспределять
трафик между соседними сотами (некоторые виды хендоверов,
использование полускоростного режима кодирования, применение
иерархической структуры сетей);
2. опции, уменьшающие интерференцию в среднем по сети
(псевдослучайная перестройка частоты, регулировка мощности и
непостоянное излучение).
В самом начале развития сети, когда основной проблемой является нехватка емкости сети, и, как следствие, наличие перегрузок, целесообразно использовать и настраивать соответствующим образом опции, входящие в первую группу. В дальнейшем, в процессе оптимизации, когда основную роль начинают играть радиопроблемы, имеет смысл большее внимание уделить опциям, входящим во вторую группу.
С практической точки зрения особый интерес представляют собой опции, входящие в первую группу, поскольку именно их применение дает наиболее заметный результат, как с технической, так и с экономической точки зрения. Наибольшую свободу оператор имеет при настройке процедуры «прямого переназначения», но на настоящий момент значения логических параметров, отвечающих за работу данной опции, выбираются исходя из опыта конкретных инженеров, занимающихся оптимизацией, т.е. не существует математически обоснованного подхода. Исходя из этого, в дальнейшем успешно решается задача нахождения аналитической
13 зависимости, позволяющая обосновано подходить к настройке процедуры «прямого переназначения».
Наибольшую практическую ценность имеет настройка не в статическом режиме, а динамически. Для этого необходимо определить параметры математической модели предсказания перегрузок и учесть распределение имеющихся ресурсов между голосовым и пакетным трафиком применительно к сетям стандарта GSM, что входит в перечень решаемых в дальнейшем задач.
Во второй главе рассмотрены основные методы оценки качества сетей -проведение драйв-тестов, анализ статистик, получаемых с элементов сети подсистемы базовых станций и коммутации, анализ трассировок, снимаемых с различных интерфейсов. В силу наибольшей репрезентативности выборки, относительно небольшой стоимости и простоты сбора данных, основным следует признать анализ статистик, однако этот метод не позволяет оценить все аспекты, касающиеся качества предоставляемых услуг, поэтому только совместное использование всех трех, взаимодополняющих друг друга методов позволяет оператору сотовой связи иметь полную и объективную картину о качестве предоставляемых абонентам услуг.
Приведены основные принципы формирования индикаторов качества, а также разработан подход к составлению формул для вычисления показателей качества. Вся процедура звонка разбивается на несколько частей (согласно этапам при процедуре установления соединения), а затем, путем перемножения вероятностей неуспеха, вычисляется глобальный показатель качества - процент неуспешных вызовов (CunSR), который характеризует состояние сети в целом и позволяет сравнивать сети между собой, и включает процент неуспешных назначений канала управления (SDAsFR), процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале управления (SDCDR), процент неуспешных назначений канала трафика
14 (TAsFR) и процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале трафика (TCDR).
Рассмотрены способы вычисления индикаторов качества - вычисление в час наибольшей нагрузки (ЧНН) и интегрально за определенный промежуток времени. Показано, что каждый из способов, служит для разных целей. Если вычисление показателей качества в ЧНН позволяет судить о наихудшей ситуации в сети, то оценка интегрально за неделю (минимальный период повторения профиля трафика) дает представление о тенденциях развития сети, исключая кратковременные «всплески» трафика (например, проведение праздничных мероприятий).
Проведен анализ и дана оценка эффективности использования опций, позволяющих увеличить емкость сети, а также даны рекомендации по практическому их использованию с точки зрения влияния на рассмотренные показатели качества. Показано, что для снижения процента неуспешных назначений каналов трафика и каналов управления по причине нехватки ресурсов наиболее эффективным является использование режима полускоростного кодирования, что позволяет, фактически, увеличить емкость в два раза (при этом необходимо учитывать рассмотренные ниже ограничения). Также положительное влияние на эти показатели качества оказывает процедура «прямого переназначения», позволяющая увеличить емкость на 20-25%, но в этом случае необходимо отслеживать изменения показателей качества, характеризующие состояние радиоканалов, т.к. эта опция из-за особенностей функционирования может негативно на них влиять. С точки зрения улучшения интерференционной картины, т.е. уменьшения процента неуспешных назначений каналов управления и каналов трафика из-за проблем на радиоканале и процента обрывов соединений во время нахождения вызова на канале управления и трафика, следует применять псевдослучайную перестройку частоты (позволяет уменьшить TAsFR_radio - практически в два раза) и непостоянное излучение (позволяет увеличить долю сигналов с RXQUAL=0 на 1.5%)
В третьей главе приведены алгоритмы настроек для повышения пропускной способности сетей стандарта GSM. На примере процедуры «прямого переназначения» - одного из основных способа уменьшения перегрузок - рассмотрено ее влияние на такие показатели качества сети, как вероятность отказа, процент обрывов соединений и процент неуспешных соединений. Из принципа работы этой процедуры следует, что для обслуживания вызова, он передается в соту с худшими радиоусловиями, что может повлечь за собой последующий обрыв соединения. Поэтому важен компромисс между улучшением значений перегрузок и увеличением значений обрывов соединений. В противном случае можно получить ухудшение значений основного показателя качества- процента неуспешных соединений. Показано, что полученная теоретическая формула для расчета вероятностей отказов с учетом зон перекрытия хорошо коррелируется с практическим результатами, полученными для сот с активированной процедурой «прямого переназначения», что позволяет увеличить емкость сот до 25%. Поскольку входящий в полученную формулу параметр, определяющий гс=гСВЯзи/гСоты5 логически соответствует установки значения Signal_levmjn, отвечающего за работу «прямого переназначения», то с учетом аппроксимации экспериментальных данных аналитическим выражением получена зависимость между вероятностью отказов и долей сигналов с уровнем ниже граничного. Аналогичным образом было получено аналитическое соотношение, позволяющее вычислять процент обрывов соединений в зависимости от доли сигналов с уровнем ниже граничного.
Таким образом, доказав значимость проведенной оценки найденных регрессий, была обоснована формула, по которой можно найти допустимый процент сигналов с уровнем ниже граничного. Показано, что, приняв за необходимый уровень значение неуспешных соединений равное 2%, допустимо иметь 15% сигналов с уровнями ниже граничного. Исходя из этого, необходимо соответствующим образом выбирать значения логических параметров при настройке процедуры «прямого переназначения».
Рассмотрен один из наиболее актуальных для операторов вопрос о перераспределении ресурсов между голосовым и пакетным трафиком с целью повышения пропускной способности сетей стандарта GSM с учетом технологии GPRS. На основе предлагаемых рядом поставщиков оборудования способов динамического управления ресурсами, предложен и обоснован алгоритм, позволяющий максимально эффективно использовать имеющий ресурс на радиоинтерфейсе, и удовлетворять нормативам на значения показателей качества для голосового трафика при достижении как можно лучших значений показателей качества для пакетного трафика. Разработаны значения логических параметров для настройки сот с учетом количества имеющихся в соте трансиверов.
Показано, что в качестве настройки «по умолчанию» целесообразно даже в условиях большого голосового трафика устанавливать значение параметра MAX_PDCH_HIGH_TRAFFIC=1, поскольку такое значение позволяет обеспечить приемлемые значения показателей качества для GPRS при минимальном влиянии на голосовой трафик. Установка значения MAX_PDCH_HIGH_TRAFFIC=0, увеличение значений параметра HIGH_TRAFFIC и уменьшение времени оценки загрузки соты хотя и улучшают ситуацию с неуспешным назначением TBF в обратном направлении, но значение этого индикатора качества остается недопустимо высоким. С целью более эффективного использования ресурса для GPRS в условиях повышенной загрузки соты целесообразно устанавливать высокое значение порога высокой загрузки соты, т.е. следовать указанным рекомендациям при установке значений HIGH_TRAFFIC.
Разработанные алгоритмы можно применять при ручной настройке из Центра управления сетью. Но особый практический интерес представляет собой разработка новой опции для сетей сотовой связи второго поколения, позволяющей автоматически в зависимости от текущей ситуации и роста нагрузки подстраивать логические параметры для наиболее эффективного использования имеющихся ресурсов. Для реализации этого необходимо
17 определить параметры математической модели для прогнозирования роста нагрузки применительно к сетям стандарта GSM.
В четвертой главе описана математическая модель, используемая при разработке алгоритма предсказания перегрузок. При теоретических выводах использована модель Эрланга, которая предполагает, что входящий поток заявок X описывается законом Пуассона, а длительность обслуживания 1/ц каждой заявки подчиняется экспоненциальному распределению. При этом интенсивность выходящего потока пропорциональна числу абонентов в соте. С учетом рассмотренных особенностей определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM, когда перемещение абонентов можно
ОЦеНИТЬ На ОСНОВе ИНТеНСИВНОСТИ ВХОДЯЩИХ И ИСХОДЯЩИХ ХеНДОВерОВ (Tlho и
Цьо соответственно), а также, принимая во внимание особенности сбора статистики, показано, что перегрузка, возникающая из-за занятия абонентами всех имеющихся в системе ресурсов, однозначно связана с отношением параметров мобильности WM-Iio- Исходя из этого, формирование соответствующих оценок этих параметров позволит предсказать появление перегрузок на радиоинтерфейсе.
Были рассмотрены основные виды изменения интенсивностей параметров мобильности. В случае входящих хендоверов - это скачок интенсивности, соответствующий простейшему случаю, когда интенсивность входящих хендоверов меняется скачком, и линейный закон изменения интенсивности - поток входящих в соту хендоверов описывается линейным законом. Первый случай соответствует таким реальным ситуациям, как окончание массового мероприятия и движение основной массы абонентов в одном направлении (к станции метро, автобусной остановке и т.д.), непредвиденная поломка одной из базовых станций, внезапная отмена рейса или поезда и т.д. Ко второму случаю можно отнести образование «пробок» на дорогах в утреннее и вечернее время, прибытие встречающих к определенному моменту времени в аэропорты и на ж/д станции. Изменение
18 интенсивности исходящих хендоверов происходит по двум законам -скачком, т.е. аналогично скачку входящих хендоверов, например, при окончании каких-либо массовых мероприятий и последующее движение абонентов из соты, возникновение «пробок» и т.д.; и по обратно пропорциональному закону изменения интенсивности, в случае постепенного рассасывания «пробки», окончания занятий в институте и движения студентов к метро и т.д.
На основании теоретических выводов были определены параметры алгоритмов обнаружения изменений интенсивностей входящих и исходящих хендоверов применительно к реальным сетям стандарта GSM. Показано, что величина ^h0 в городских условиях изменяется от 5 до 15 аб/с, т.е. сота обслуживает около 8400-8500 абонентов. Предположив значение ^ho равным 10 аб/с и учитывая полученные значения минимальной величины запросов на входящий и исходящий хендовер, получено, что необходимая задержка для принятия решения об изменении интенсивности хендоверов имеет величину порядка 100-300 с. Данное время примерно в 3-4 раза меньше времени возникновения реально ощутимых перегрузок из-за каких-либо ситуаций типа «пробок», аварий и пр. Таким образом, доказано, что рассмотренные алгоритмы обнаружения можно использовать для оценки интенсивностей хендоверов сетей стандарта GSM с целью дальнейшего использования их в алгоритмах предсказания перегрузок. Показано, что количество абонентов, инициирующих вызов в соте будет как минимум в 1.5-2.5 раза больше количества входящих хендоверов.
Предложен алгоритм предсказания перегрузок как в случае скачкообразного изменения интенсивностей хендоверов, так и для изменения по линейному закону. Мобильность абонентов делает процесс изменения нагрузки в соте достаточно сложным и ступенчатым. Можно выделить два этапа. На первом этапе происходит изменение параметров модели, описывающих интенсивности входящих и исходящих хендоверов. На втором этапе, вследствие изменения параметров этой модели, происходит
19 переходной процесс, описывающий установление нового количества активных абонентов в соте. Рассмотрена и доказана необходимость использования каждого этапа.
Показано, что в случае увеличения потока интенсивностей входящих хендоверов на 20% интервалы анализа должны составлять 100-500 с. На практике, предсказание перегрузок наиболее актуально применительно к сотам, обслуживающим зоны с большой активностью абонентов. В таких случаях для обслуживания голосового трафика обычно выделяется порядка 40-45 физических каналов. При средней нагрузке на абонента 7 мЭрл, количество обслуживаемых сотой абонентов (с учетом 30% запаса) составляет порядка 5000. На основе практических результатов, высокой интенсивностью считаются значения Хьо=10 аб/с. Отсюда найдено оценочное значение (Xho=l/500 с"1. Переходный процесс подчиняется экспоненциальному закону с постоянной времени 1/цьо» минимальное значение которой составляет 500 с, что примерно в 1.7 - 5 раз больше времени, необходимого для формирования достоверных оценок для потока входящих хендоверов.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Анализ и классификация существующих опций
Основной задачей опций, позволяющих увеличить емкость сети, является предоставление существующего ресурса как можно большему количеству абонентов при сохранении заданных показателей качества и без добавления дополнительного оборудования (в простейшем случае -трансиверов). Решается эта задача в разных случаях по-разному. Это зависит от того, что является определяющим негативным фактором, влияющим на интегральный показатель качества сети.
В самом общем виде наиболее распространенные проблемы в любой сети в подсистеме базовых станций можно разделить на два вида [75]:
1. нехватка ресурсов базовой станции, что приводит к большим значениям отказов в обслуживании или, другими словами, перегрузкам;
2. радиопроблемы, т.е. в этом случае по каким-либо причинам имеет место неудовлетворительное состояние радиоканалов (интерференция, внешние помехи и т.д.).
В зависимости от того, что является превалирующим фактором, опции, позволяющие увеличить емкость сети, можно разделить на две группы:
1. Опции, уменьшающие перегрузки, т.е. позволяющие перераспределять трафик между соседними сотами. К ним относятся определенные виды хендоверов, использование режима Half Rate, применение иерархической структуры сетей.
2. Опции, уменьшающие интерференцию в среднем по сети. Сюда можно отнести псевдослучайную перестройку частоты, регулировку мощности и непостоянное излучение.
Действительно, как в первом, так и во втором случае, применение определенной опции позволит улучшить соответствующий показатель качества при неизменном количестве обслуживаемых абонентов, или обслужить большее количество абонентов при неизменном значении этого показателя. Рассмотрим более подробно опции, входящие в состав обеих групп.
Любая сеть мобильной связи строится с так называемым перекрытием сот. Это значит, что в зоне обслуживания сектора одной соты существует сигнал с достаточным для обслуживания абонента уровнем от другой, соседней соты. Такое построение сети позволяет передавать обслуживание абонента (мобильной станции) от одной базовой станции к другой при его перемещении в пространстве (см. рис. 1.1.). Понятие хендовера относится к активному режиму работы мобильной станции, т.е. передаче обслуживания в режиме разговора. Естественно, что система отслеживает перемещение абонента и в режиме ожидания, но это процедура несколько проще и отличается от хендовера [61,71]. В процедуре хендовера принимают участие следующие узлы сети: мобильная станция, базовая станция, контроллер и, в случае если хендовер происходит между базовыми станциями, принадлежащими разным контроллерам, коммутатор [78].
Рассмотрим в самом общем виде более простой, так называемый внутриконтроллерный хендовер, т,е. хендовер между базовыми станциями одного контроллера. Мобильная станция на специальном канале управления - SACCH (Slow Associated Control Channel) каждые 480 мс передает на обслуживающую базовую станцию сообщение определенного формата (Measurement report) об уровне и качестве сигнала от этой базовой станции, а также об уровнях сигнала 6 соседних базовых станций, т.е. говорят, что имеется информация об уровнях сигнала на «линии вниз» или в прямом направлении (от базовой станции к мобильной). Информацию о качестве сигнала, вычисляемого на основании битовых ошибок - BER, можно получить только для обслуживающей базовой станции. Качество оценивается в условных единицах - от 0 (наилучшее качество) до 7 (наихудшее качество). Соответствие этих единиц и BER приведено в таблице 1.1 [35,73].
Определение основных показателей качества сети
На основе абсолютных значений счетчиков не всегда бывает удобно, а и иногда и просто невозможно оценить качество сети. Что можно сказать о сети, если известно, что количество отказов в предоставлении канала равно 1000 событий в час? Понятно, что в этом случае необходимо учитывать количество попыток вызовов. Именно поэтому вводятся индикаторы качества, которые представляют собой некие формулы, составленные из счетчиков. Как упоминалось выше, у разных компаний-производителей оборудования свои особенности предоставления информации о значениях счетчиков. Однако, поскольку вне зависимости от оборудования сети должны оцениваться по одним индикаторам качества, то необходимо иметь ряд счетчиков, отображающих одинаковые события.
Основной принцип формирования индикаторов качества - это создание формул, в числитель которых входят только успешные (или неуспешные) события, а в знаменатель - все события. Чтобы выстроить систему индикаторов для сетей сотовой связи, можно использовать следующий подход. Вся процедура звонка разбивается на несколько частей, вычисляется отдельно каждая часть, а затем путем перемножения вероятностей успеха (или неуспеха) вычисляется один, глобальный индикатор, по которому можно судить о качестве сети, и, что немаловажно, сравнивать сети между собой.
Как известно, сценарий звонка в системе GSM можно разбить на две основные части - выделение канала управления и канала трафика. В свою очередь, для каждого канала возможны два неуспешных случая -неназначение канала и обрыв соединения во время нахождения вызова на этом канале. В соответствии с этим, можно выделить четыре индикатора качества (будем отталкиваться от неуспешных событий): процент неуспешных назначений канала управления (обозначим соответствующий индикатор как SDAsFR), процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале управления (SDCDR), процент неуспешных назначений канала трафика (TAsFR) и процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале трафика (TCDR). Зная значения этих индикаторов, можно получить общий индикатор качества - процент неуспешных соединений (CunSR), равный: CunSr = \-(\-SDAsFR) (\-SDCDR)-(\AsFR)-(\CDR) (2.1)
В состав индикаторов SDAsFR и TAsFR входят как отказ в выделении канала из-за перегрузок (SDAsFR_cong и TAsFR_cong), так и вследствие наличия проблем на радиоканале (SDAsFR_radio и TAsFR_radio). В свою очередь, обрывы соединения также могут быть вызваны различными причинами: из-за радиопроблем, из-за проблем с оборудованием, во время хендовера. Таким образом, основные или ключевые индикаторы качества состоят из индикаторов более низкого уровня, значения которых позволяют более точно судить о наличии тех или иных проблем в сети.
В таблице 2.1 приведены основные индикаторы качества, которые применяются для оценки уровня сети, независимо от используемого оборудования.
Помимо рассмотренных индикаторов целесообразно использовать ряд дополнительных. Чем богаче статистическая информация, предоставляемая производителями оборудования, тем большее количество вспомогательных индикаторов можно применять, а значит, больше возможностей выявлять проблемы и находить их решение на основе только собираемой и обрабатываемой статистической информации. Особенно актуальной эта задача становится на этапе оптимизации сетей, когда грубой оценки сети по ключевым индикаторам уже явно недостаточно.
В качестве примера можно привести следующие вспомогательные индикаторы: - процент хендоверов по причине низкого уровня в прямом/обратном направлении; - процент хендоверов по причине плохого качества в прямом/обратном направлении; - процент хендоверов в лучшую соту; - процент измерений с RXQUAL ниже 4; - процент регистрации (Location update) абонентов; - процент входящих/исходящих SMS сообщений.
Методика настройки параметров по перераспределению ресурсов между голосовым и пакетным трафиком
В настоящее время с ростом популярности услуг, основанных на технологиях пакетной передачи данных, перед оператором встает нелегкая задача определить стратегию перераспределения имеющихся ресурсов между конкурирующими услугами - пакетной передачей данных и голосовым трафиком, т.к. обе услуги используют один и тот же физический ресурс. Практически все компании-производители оборудования позволяют жестко фиксировать тайм-слоты под ту или иную услугу, т.е. в зависимости от потребностей, оператор может всю имеющуюся емкость предоставить под пакетную передачу данных (при этом голосового трафика не будет в соте вообще), или наоборот, запретить выделять тайм-слоты под GPRS [17]. Естественно, эти крайние случаи не охватывают все реальные ситуации, и на практике оператору необходимо иметь возможность динамически управлять ресурсами в зависимости от ситуации в данный момент времени - или выделить большее количество тайм-слотов под GPRS, или, наоборот, приоритезировать голосовую услугу. Именно поэтому в программном обеспечении всех производителей оборудования используется динамическое управление ресурсами. Рассмотрим основные принципы такого управления [5,21,22,25,29,50,82].
В большинстве случаев решение о том, какое количество ресурсов выделяется под GPRS основано на сравнении текущей нагрузки в соте с неким порогом, задаваемым оператором. Под нагрузкой понимается количество занятых тайм-слотов, вне зависимости от того, под какую услугу они задействованы. На рис. 3.7 приведено графическое отображение процесса выделения тайм-слотов под GPRS. значения которых позволяет управлять динамическим распределением ресурсов. HIGH_TRAFFIC - значение в процентах загрузки соты, когда с точки зрения системы она считается сильно нагруженной. MAX_PDCH - максимально возможное количество тайм-слотов, выделяемых в соте под GPRS. MAX_PDCH_HIGH_TRAFFIC - максимально возможное количество тайм-слотов, выделяемых в соте под GPRS, при условии, что сота находится в состоянии высокой нагрузки. MIN_PDCH - количество тайм-слотов, жестко закрепленных под GPRS. Поясним те процессы, которые происходят при динамическом перераспределении ресурсов, согласно рис. 3.7 [11,30]:
1 - GPRS в соте активирован, под GPRS используется 1 тайм-слот.
2 - пакетный трафик увеличивается, и поскольку голосовой трафик мал, система позволяет занять под GPRS все возможные тайм-слоты.
3 - начинает увеличиваться голосовой трафик, и общая нагрузка превышает заданный порог, и, с точки зрения системы, сота переходит в состояние высокой загрузки.
4 - голосовой трафик продолжает увеличиваться, общая нагрузка все еще превышает заданный порог, еще один тайм-слот освобождается от GPRS в пользу голосового трафика. В случае если динамика увеличения голосовой нагрузки сохранится, количество тайм-слотов, используемых для пакетного трафика постепенно уменьшится до величины, равной значению MAX_PDCH_HIGH_TRAFFIC.
5 - голосовая нагрузка немного уменьшилась, и общая нагрузка в соте меньше заданного порога. Однако ее значение таково, что выделение тайм-слота под GPRS приведет к превышению порога, поэтому под пакетный трафик дополнительных ресурсов не выделяется.
6 - голосовая нагрузка продолжает уменьшаться, при этом система позволяет в случае необходимости выделить дополнительное количество тайм-слотов под пакетный трафик. При этом их количество таково, чтобы общая нагрузка не превышала значение порога HIGH_TRAFFIC.
Необходимо отметить, также еще одну опцию, которая стандартизована и используется в большинстве случаев для повышения качества услуг для передачи пакетного трафика - это так называемая задержка в окончании TBF-соединения (delayed TBF release). Основное назначение этой опции состоит в том, чтобы более эффективно, без избыточных установлений TBF-соединений на линии «вниз», передавать прерывистый пакетный трафик, характерный для многих шлюзов и серверов внешних сетей передачи данных и поступающий в подсистему базовых станций. Однако после активации этой опции может наблюдаться увеличение значений обрывов TBF. Это обусловлено тем, что из-за увеличения длительности TBF количество попыток установления уменьшается, а количество обрывов остается тем же, т.е. с точки зрения абонента ситуация не изменилась, хотя формально значение показателя качества может ухудшаться.
Таким образом, при условии активации динамического управления ресурсами необходимо определить значения основных логических параметров, отвечающих за работу этой опции. Проведем сначала теоретические расчеты, которые позволят понять, какие же значения должны иметь указанные выше логические параметры, а затем подтвердим полученные теоретические выкладки практическими результатами.
Модели изменений интенсивности параметров мобильности. Параметры моделей для сетей стандарта GSM
Параметры мобильности, характеризующиеся интенсивностями входящих/исходящих хендоверов, учитывают только активных абонентов, т.е. абонентов уже занимающих ресурсы сети. Однако помимо них в зоне обслуживания соты находятся абоненты, мобильные аппараты которых находятся в режиме ожидания, т.е. которые являются потенциально активными абонентами.
В условиях роста нагрузки, т.е. количества активных абонентов, происходит изменение числа потенциально активных абонентов. Естественно это необходимо учитывать при перераспределении ресурсов. Особенно актуальной эта задача становится в условиях возникновения пробок, когда абоненты пытаются предупредить о задержке своих родных и близких, или в случае чрезвычайных ситуаций. Таким образом, необходимо определить соотношение между количеством активных и потенциально активных абонентов.
Для решения поставленной задачи были проанализированы статистические данные, собранные с контроллеров экспериментального участка сети. Были рассмотрены значения счетчиков, показывающие количество входящих хендоверов, а также значения счетчиков, показывающие количество звонков, инициируемые абонентами. Таким образом, можно получить отношение количества хендоверов, приходящихся на один звонок, т.е. другими словами, установить взаимосвязь между количеством активных абонентов в соте и количеством потенциальных звонков, которые будут осуществлять абоненты, находящиеся в зоне обслуживания данной соты и мобильный аппарат которых находится в режиме ожидания.
На рис.4.11 представлены полученные результаты. Как видно, отношение входящих хендоверов к количеству звонков, начинающихся в соте, в основном находится в пределах от 0.5 до 1.5. Другими словами, количество потенциально активных абонентов в соте, а значит и необходимую емкость, можно оценить на основе количества входящих хендоверов, т.е. есть все основания полагать, что количество абонентов, инициирующих вызов в соте, будет как минимум в 1.5-2.5 раза больше количества входящих хендоверов.
Разброс значений, приведенных на рис.4.11 обусловлен зависимостью от топологии сети и трафик-модели. Таким образом, можно сделать вывод о том, что оценка изменения интенсивности входящих хендоверов позволяет оценить минимальное количество звонков абонентов, которое может быть инициировано в соте.
Ранее, в разделе 4.3, было показано, что число абонентов, находящихся в зоне действия соты и интенсивность запросов на установление соединения связаны линейно, т.е. имеет место прямая зависимость между уровнем нагрузки в соте и количеством абонентов в соте. Кроме этого, согласно разделу 4.5 количество абонентов, инициирующих вызов в соте будет как минимум в 1.5-2.5 раза больше количества входящих хендоверов, т.е. при практической реализации рассматриваемых алгоритмов прогноза перегрузок необходимо учитывать указанное выше соотношение, и соответствующим образом должна рассчитываться необходимая емкость, требуемая для снижения перегрузок при перераспределении ресурсов.
Из теории случайных процессов известно [75], что если случайный процесс описывается стохастическими дифференциальными уравнениями, то оптимальной оценкой в гауссовском приближении будет оценка, формируемая по тенденции зависимости (или тренда) переходного процесса. Началом тренда будет оценка состояния процесса на текущий момент времени. Таким образом, для предсказания перегрузок необходимо определить аналитические соотношения соответствующих переходных процессов. С учетом достаточной точности оценок, формируемых согласно выражениям, полученных в разделе 4.4, а также, принимая во внимание характер изменения мобильности абонентов, можно говорить о справедливости гауссовского приближения при формировании эсктраполяционных оценок для предсказания перегрузок. Это позволит в найденные аналитические выражения подставлять вместо точных значений параметров интенсивности их оценки.
