Содержание к диссертации
Введение
1 Качество обслуживания в беспроводных сетях 11
1.1 Стандартизация качества 11
1.1.1 Международная стандартизация требований к качеству услуг связи 11
1.1.2 Ганская система стандартизации и контроля качества 20
1.1.3 Система показателей, применяемая в Ганской стандартизации качества
1.2 Обеспечение качества обслуживания в сетях 3-го поколения 31
1.3 Качественные показатели и их обеспечение в сетях LTE 35
1.4 Выводы 38
2 Анализ архитектуры сетей WIMAX и механизмов обеспечения качества обслуживания 40
2.1 WIMAX как предмент исследования 40
2.2 Технология и архитектура сетей WiMAX
2.2.1 Общая модель стандарта широкополосного доступа IEEE 802.16 40
2.2.2 Структура фрейма стандарта IEEE 802.16 42
2.2.3 МАС-уровень стандарта IEEE 802.16 43
2.2.4 Физический уровень стандарта IEEE 802.16 47
2.3 Качество обслуживания в сетях WiMAX 51
2.3.1 Механизмы обеспечения качества обслуживания в сетях WiMAX для
различных видов трафика 52
2.4 Планирование кадра и управление потоками обслуживания в сетях
WiMAX 58
2.4.1 Механизмы планирования передачи пакетов 58
2.4.2 Механизмы распределения полосы 63
2.5 ВЫВОДЫ 66
3 Математический анализ задержки доступа к интервалу запроса полосы в сетях wimax 67
3.1 Спецификация беспроводных MAN-SC PHY 67
3.1.1 Обзор 67
3.1.2 Планирование кадра WiMAX 68
3.1.3 Поддерживаемая длительность кадра 68
3.2 DL PHY (Среда передачи вниз) 71
3.2.1 Технология OFDM и выделение канального ресурса 71
3.3 UL PHY (Среда передачи вверх) 77
3.3.1 Подкадр передачи вверх 77
3.4 Размещение полос диапазона и механизм запроса 79
3.4.1 Запросы 79
3.5 MAC поддержка среды (PHY) 80
3.5.1 Частотное дуплексирование (ЧД) 80
3.5.2 Временное дуплексирование (ВД) 3.6 Разределение состязательнного слота (СС) в UL-MAP 82
3.7 Алгоритм вычисления средной задержки доступа (access delay) в WiMAX 3.7.1 Описание схемы алгоритма для расчета задержки доступа 86
3.7.2 Анализ модели 90
3.7.3 Результаты 91
3.8 Влияние распределения СС на задержку доступа 97
3.8.1 Предлагаемый алгоритм 97
3.8.2 Результаты 99
3.9 Выводы 103
4 Алгоритм повышения качества обслуживания на phy–уровне сетей wimax с использованием техники ретрансляционного узла и совместного использования спектра 105
4.1 Повышение качества обслуживания в сетях WiMAX с использованием ретрансляционных узлов 105
4.1.1 Допущения 105
4.1.2 Описание схемы ретрансляционного сценария 107
4.2 Используемые метрики 108
4.2.1 Мощность 108
4.2.2 Мощность принимаемого сигнала 110
4.2.3 Мощность излучаемого сигнала 110
4.2.4 Расстояние от АС до базовой станции 112
4.2.5 Потери от затенения 113
4.2.6 Pэлеевское затухание (замирание вследствие многолучевого распространения) 113
4.2.7 Замирание с распределением Райса 115
4.2.8 Пропускная способность 116
4.2.9 Мощность ретрансляционного соединения
4.2.10 Вероятность блокировки 118
4.2.11 Результаты оценки потерь распространения в ретрансляционном и прямом соединениях. 119
4.3 Повышение качества обслуживания в сетях WiMAX на основе совместного использования спектра 122
4.3.1 Понятие совместного использования спектра 122
4.3.2 Будущее совместного использования спектра 124
4.3.3 Совместное использование спектра в сетях WiMAX 124
4.3.4 Постановка задачи исследования 125
4.3.5 Схема сценария совместного использования спектра 127
4.4 Результаты и анализ 130
4.4.1 Результаты оценки вероятности блокировки в прямом соединении и в соединении с совместным использованием спектра 131
4.4.2 Результаты оценки пропускной способности для прямого соединения, соединения ALGOLINK и соединения с совместным использованием спектра. 132
4.4.3 Результаты оценки влияния различного процентного соотношения совместного использования спектра 133
4.5 Выводы 135
Заключение 137
Список сокращений и условных обозначений 138
- Ганская система стандартизации и контроля качества
- Общая модель стандарта широкополосного доступа IEEE 802.16
- Технология OFDM и выделение канального ресурса
- Повышение качества обслуживания в сетях WiMAX на основе совместного использования спектра
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Интенсивное развитие беспроводных сетей ставит задачи увеличения их производительности, в том числе разработки алгоритмов функционирования физического и МАС-слоев, обеспечивающих своевременную и надежную передачу информации, уменьшающих время на выделение ресурсов абонентским станциям и позволяющих эффективно управлять их мощностью и распределять пропускную способность сети между ними при соблюдении регламентированного уровня качества обслуживания различных видов трафика. Механизмы распределения ресурсов в сетях WiMAX становятся критически важными для обеспечения требуемого качества обслуживания и надежности функционирования этих сетей. Сети WiMAX, функционирующие на основе рекомендаций IEEE 802.16, реализуют механизм обеспечения, требуемого для различных видов трафика качества обслуживания путём предоставления определённого ресурса – полосы передачи – в соответствии с запросом абонентской станции. Для реализации механизма запроса полосы стандартом предусмотрен конкретный временной интервал в кадре восходящей связи, который может варьироваться по длительности, и величина которого отражается на общей длительности слотов для передачи пользовательских данных. Поэтому задача поиска эффективных методов управления величиной интервала запроса полосы и разработка алгоритма разделения частотного ресурса между двумя операторами сетей WiMAX представляется актуальной.
Степень разработанности темы. Вопросы стандартизации технических требований к качеству услуг в существующих и перспективных сетях связи разрабатывает технический комитет ТС STQ. Основная задача этого комитета состоит в координации деятельности технических комитетов ETS по вопросам качества передачи речи между конечными пользователями. Комитет должен содействовать разработке оборудования передачи речи в существующих и перспективных сетях связи. Комитет был сформирован в 1997 году. Изначально он создавался как центр экспертизы по вопросам качества речи, однако сфера его деятельности была расширена за счет включения большего количества базовых вопросов, имеющих отношение к качеству услуг связи. Однако далеко не все вопросы повышения качества услуг связи решены этим комитетом, таких, как поиск эффективных методов управления величиной интервала запроса полосы и разработка алгоритма разделения частотного ресурса между операторами сетей WiMAX остается нерешенной.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании новых алгоритмов повышения качества услуг связи (QoS) в беспроводных системах, которые уменьшат время доступа абонентской станции к диапазону сети.
Задачи диссертационной работы.
-
Для достижения поставленной цели необходимо провести анализ того, как QoS поддерживается в различных системах беспроводной связи.
-
На основе анализа существующих методов повышения QoS в беспроводных системах решается задача разработки математической модели повышения QoS в MAC-слое и алгоритма повышения QoS в физическом (PHY) слое сетей WiMAX.
-
На основе математической модели повышения QoS необходимо разработать алгоритм выбора энергоэффективных маршрутов с учетом вариации расстояний между пользователем и базовыми станциями собственной и сторонней сети.
Научная новизна работы состоит в:
использовании математической модели вместо традиционной case- модели при решении задачи поиска рациональных управленческих решений по количеству слотов, позиционированию, ретрансляционной точке и частотам;
разработке модели доступа с учетом требований к качеству обслуживания приложений в сетях WiMAX;
предложенном алгоритме выбора энергоэффективных маршрутов с учетом вариации расстояний между пользователем и базовыми станциями собственной и сторонней сети.
Теоретическая и практическая значимость результатов состоит в:
определении пороговых значений показателей эффективности функционирования PHY и MAC слоев для обеспечения QoS;
появлении у операторов сетей WiMAX возможности определения размеров абонентской базы и/или величины интервала запроса полосы при обеспечении требуемого качества обслуживания конкретных приложений;
повышении энергетической эффективности соединения на основе регулировки мощности при ретрансляции и за счет совместного использования частотного ресурса при сохранении требуемого качества обслуживания.
Практическая ценность работы состоит в установлении для сетей WiMAX зависимости качества обслуживания приложения от задержки доступа к регулятору распределения ресурса на уровне МАС-слоя; в создании модели рационального управления соотношением числа состязательных слотов и слотов данных МАС-кадра для сетей WiMAX; установлении возможности улучшения QoS на PHY-уровне в сетях WiMAX с помощью ретрансляции доступа абонентской станции и совместного использования частотного ресурса смежными операторами.
Методы исследования.
При выполнении диссертационной работы использовались методы теории вероятностей, математической статистики и теории массового обслуживания.
Положения, выносимые на защиту.
1. Анализ показателей QoS для разных видов трафика, регламентируемого
международными органами стандартизации и национальным регулятором Республики Гана.
-
Математическая модель для оценки задержки доступа к сервису или услугам в сетях WiMAX.
-
Влияние соотношения количества состязательных слотов и слотов передачи данных в МАС-кадре на качество обслуживания в сетях WiMAX.
-
Алгоритм выбора энергоэффективных маршрутов с учетом вариации расстояний между абонентской и базовыми станциями собственной и сторонней WiMAX сетей.
-
Алгоритм реализации разделения частотного ресурса между двумя операторами сетей WiMAX.
Достоверность научных результатов подтверждается соответствием результатов
теоретического анализа результатам имитационного моделирования, доказавшим
преимущества предложенных в работе моделей и алгоритмов. Результаты исследования соответствуют пунктам 5 и 12 паспорта научной специальности 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций.
Обоснованность научных положений определяется корректностью постановки
научно-технической задачи исследования, строго обоснованной совокупностью
ограничений и допущений, представительным библиографическим материалом (список использованной литературы содержит свыше 70 наименований); опорой на современную научную базу, корректным применением апробированных общенаучных и специальных методов исследования; и подтверждается соответствием результатов имитационного и аналитического моделирования, полученных разными методами, а также тем, что результаты имитационного моделирования не входят в противоречие с соображениями здравого смысла.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на III и IV Международных научно- технических и научно-методических конференциях «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2014,2015), III Международной конференции «The Future of Mobile ICT and New Media Africa» Ганский университет телекоммуникаций (Акра, 2014), 68 региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов молодых ученых «Студенческая весна - 2014» (Санкт-Петербург, 2014).
Полнота изложения материалов диссертации в публикациях.
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 8 работах объемом 7,6 п.л., из них 6 работ в перечне рецензируемых научны журналах и изданиях, рекомендованных ВАК; личный вклад автора составляет 5,2 п.л.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 136 страницах, содержит 17 таблицы и 50 рисунков.
Ганская система стандартизации и контроля качества
Стандартизация требований к QoS в Европе проводится ETSI, который разработал и ввел в действие два базовых стандарта: ETR 003, определяющий общие требования к качеству услуг связи, и ETR 138, определяющий показатели QoS для сетей передачи речи и данных. Структура ETSI, состоящая из комитетов и рабочих групп, приведена на рисунке 1.3. Вопросы стандартизации технических требований к качеству услуг в существующих и перспективных сетях связи разрабатывает технический комитет ТС STQ (Качество услуг связи при передаче речи и данных). Основная задача ТС STQ состоит в координации деятельности технических комитетов ETSI по вопросам качества передачи речи между конечными пользователями. Комитет должен содействовать разработке оборудования передачи речи в существующих и перспективных сетях связи. Комитет был сформирован в 1997 году. Изначально он создавался как центр экспертизы по вопросам качества речи, однако сфера его деятельности была расширена за счет включения большего количества базовых вопросов, имеющих отношение к качеству услуг связи. В сферу его полномочий входят:
Комитет ТС STQ координирует свою работу с деятельностью других комитетов (рисунок 1.3), стандартизирующих технические требования к качеству услуг связи. В частности, с проектным комитетом ЕР TIPHON (Гармонизация протоколов сетевого обмена Интернета и систем радиосвязи), техническим комитетом ТС SPAN (Услуги и протоколы для перспективных сетей), а также с партнерским проектом 3GPP. WG 5 TC SPAN Рисунок 1.3 Технические комитеты ETSI, отвечающие за стандартизацию технических требований к качеству услуг связи
Целью проектного комитета ЕР TIPHON является разработка технических решений для передачи речевых сообщений и предоставления других услуг через Интернет. Вопросы качества услуг передачи голоса и данных в рамках проектного комитета ЕР TIPHON находятся в компетенции рабочей группы WG 5.
Технический комитет ТС SPAN отвечает за стандартизацию фиксированных сетей связи, эволюционное сближение настоящих и будущих сетей связи (включая мобильную составляющую сети фиксированной связи). В рамках комитета ТС SPAN вопросы качества услуг связи находятся в ведении рабочих групп SPAN 13 и SPAN 14.
Партнерский проект 3GPP (3rd Generation Partnership) занимается стандартизацией концепции QoS. Он был образован в 1998 г. с целью разработки глобальных спецификаций для GSM и ЗG-сетей. Проект объединяет ETSI, 5 региональных организаций, занимающихся вопросами стандартизации в Азии и США, ряд ассоциаций и более 450 компаний. Уже к концу 1999 г. проект 3GPP выпустил первую серию документов (Release 99), полностью охватывающих систему мобильной связи. В нее входят около 300 технических спецификаций (TS) и технических отчетов (TR), касающихся UTRA-радиоинтерфейса, архитектурных аспектов концепции качества услуг связи (3G TR 23.907 версия 1.3.0, 1999) и при мерно 50 приложений, включая MMS. В 2001 г. проект 3GPP выпустил новую серию документов (Release 4), основанную на Release 99 и дополненную спецификациями для технологии TD-SCDMA, видеопотока, а также для элементов, необходимых при использовании GPRS и EDGE сетей. В 2002 г. Проект 3GPP опубликовал Release 5, содержащий спецификации, касающиеся использования инфраструктуры IP-сетей для пакетной передачи голоса и мультимедийных услуг.
Основными спецификациями на момент создан проекта 3GPP в этой области являются- ETSI TS 123 107: UMTS; качество услуг (QoS) - концепция и архитектура (3GPP TS 23.107 версия 5.4.0 Release 5); ETSI TS 129 208: UMTS; качество услуг в цепочке «конечный пользователь - конечный пользователь» (3GPP TS 29.208 версия 5.1.0 Release 5); ETSI TS 124 228: UMTS; сигнальные потоки для контроля мультимедийных вызовов на базе SIP и SDP (3GPP TS 24.228 версия 5.2.0 Release 5).
Появление новых технологий и изменение структуры сети заставляют стандартизировать качество услуг не только на уровне внедряемой сети, но и на уровне всей цепочки «конечный пользователь - сеть мобильной связи - конечный пользователь», которая включает, как правило, взаимодействующие сети связи, построенные на базе различных технологий и имеющие разную степень интеграции.
Единые процедуры и требования сертификации качества услуг связи, прошедшие стандартизацию, создают возможность добровольной сертификации для операторов сетей связи. В недалеком будущем QoS превратится в один из важнейших показателей конкуренции на рынке услуг связи.
Общая модель стандарта широкополосного доступа IEEE 802.16
Имя класса сервиса «расширяется» набором параметров в то время, когда БС успешно утверждает поток сервиса. Параметры передаются со стороны БС в сообщениях DSA-REQ, DSC-REQ, DSA-RSP, DSC-RSP. Во всех случаях БС должна включает в сообщение имя класса сервиса и набор параметров данного класса. Если со стороны АС приходит запрос, содержащий дополнительные или модифицированные параметры, то ответ должен включать в себя эти параметры.
Если имя класса сервиса передается в запросе на утверждение или активизацию, то возвращаемый набор параметров может быть, разным для разных активизаций. Это может произойти вследствие изменения параметров QoS для данного класса на БС. Изменение параметров класса на БС не влияет на активные потоки сервиса.
Когда АС использует имя класса для определения набора утвержденных параметров, то кодированные значения (TLV) набора параметров должны быть возвращены АС в ответах на DSA-RSP или DSC- RSP. Использование имени класса при последующей активизации может привести к отказу, если определение класса изменилось. Поэтому АС для активации должна явно использовать набор параметров, который был получен ранее в ответах.
Каждое изменение параметров QoS потока сервиса должно быть подтверждено модулем авторизации. Это относится к каждому DSA-REQ сообщению для создания нового сервиса и к каждому DSC-REQ сообщению для изменения параметров сервиса. Эти изменения требуют запроса управляющего решения (т.е. установки AdmittedQoSParamSet) и запроса активизации потока (т.е. установки ActiveQoSParamSet). Запросы на сокращение утвержденных и активизированных ресурсов также должны проверяться модулем авторизации.
В случае статической модели авторизации модуль авторизации хранит возможные значения параметров для всех «отложенных» потоков. Запросы на утверждение и активизацию потоков сервиса должны быть подтверждены, поскольку запросы на изменение набора возможных параметров должны отклоняться, так же, как и запросы на создание новых динамических потоков сервиса. Эти правила определяют статическую систему, в которой все возможные сервиса определены в начальной конфигурации АС.
При динамической авторизации модуль авторизации взаимодействует через отдельный интерфейс с независимым сервером политики. Этот сервер может сообщить модулю авторизации необходимую информацию (допустимый набор параметров) для принятия решения на запросы утверждения и активизации. Запрашиваемые параметры должны быть подмножеством набора параметров, полученных от сервера политики.
До начала процедуры установления соединения БС должна извлечь набор возможных параметров для АС. БС должна быть способна использовать эту информацию для динамической авторизации потоков. В БС должен быть реализован механизм аннулирования процесса автоматического подтверждения. Например, данный механизм может: отвергать все запросы, вне зависимости от того, как они были сконфигурированы; определять внутреннюю таблицу с более широким механизмом политики, но на основе набора возможных параметров; перенаправлять все запросы к серверу внешней политики.
Поток сервиса кодируется либо полным определением набора параметров или именем класса сервиса. Имя класса сервиса - это строка, известная на БС и неявно определяющая набор параметров QoS.
Возможность управления каждым специфичным параметром потока сервиса является опциональной. Динамическое создание потока сервиса инициируется БС (обязательная возможность) или АС (опциональная возможность). Создание потока сервиса по инициативе АС показано на рисунке 2.8. Запрос DSA-REQ от АС содержит ссылку на поток сервиса и набор параметров QoS. БС отвечает сообщением DSA-RSP, принимая или отвергая запрос. Если запрос отвергается, то в ответе может содержаться параметр, по которому произошел отказ. DSA- REQ от БС содержит SFID для прямого или обратного потока сервиса, возможно СШ, и набор активных или утвержденных параметров. АС отвечает сообщением DSA-RSP, принимая или отвергая запрос. Если запрос отвергается, то в ответе может содержаться параметр, по которому произошел отказ
Технология OFDM и выделение канального ресурса
В сетях случайного множественного доступа, где число пользователей может превышать доступные сетевые ресурсы, конфликт считается наилучшим методом обеспечить доступ к сети. Опубликованные технические требования WiMAX оставляют вопрос определения алгоритмов доступа к состязательным слотам (СС) запроса полосы открытым, а возрастающая абонентская населенность сетей WiMAX и расширяющееся разнообразие услуг требуют все более частого обращения абонентских станций к механизму запроса полосы. Большинство технологий доступа, применяющих MAC-протоколы с динамическим распределением ресурсов, не устанавливают строго обязательных требований к числу или частоте появления состязательных слотов (СС) в подкадре UL. СС могут планироваться для совокупности или по отдельности для каждого подкадра UL.
В процессе запрос полосы (BR) пакет передается в начале следующего состязательного слота (СС) как при выполнении эксперимента Бернулли. В среднем ожидаемое вероятность выпадения «орла» при любом подбрасывании монетки составит: E[Xt =Н]=Р (3.10) где: Я Количество значений «орел» Xt - случайная величина. Для любой случайной величины xt - из бесконечной последовательности опытов Бернулли, которые составляют процесс Бернулли, интересно, насколько часто будет наблюдаться Я в последовательности N подбрасывания монетки. Это вычисляется путем простого подсчета: дано п последовательных подбрасываний монетки, то есть, учитывая множество всех возможных наборов длины п, число Щк,п) таких строк, которые содержат К появлений Н задается биномиальным коэффициентом
Если вероятность выпадения «орла» задается р, то полная вероятность увидеть строку длины п с к «орлом» будет следующей: E[Xt =Hkoutofn times] = Р(к, п) = Q pk(l - р)п к (3.12) ДА ( началоJ ) ss передает BR в кадре j НЕТ Вычислить вероятность того, что BR был успешным, используя форм 3.13 Вычислить вероятность того, что BR был неудачным используя форм 3. Вычислить задержку доступа используя форм 3.16 Вычислите вероятность что SS успешно передал BR в определённым число CS используя форм 3. Вычислить Задержку доступа с помощью статистической модели, используя форм 3.19 Вычислите Задержку Доступа, используя вероятностную модель, используя форм 3.17 и 3. Получить задержку доступа используя форм 3.22 f конец V Рисунок 3.13 Алгоритм схемы процесса для расчета задержки доступа В нашем случае можем взять N как количество абонентских станций (при условии, что каждая абонентская станция посылает один запрос) или N как количество BR (предполагая, что требования к пропускной способности абонентской станции не изменяются динамически) и k = 1, таким образом, результат эксперимента Бернулли может быть либо успешная передача пакета с вероятностью Psuc, либо коллизия, с вероятностью Punsuc, где:
В подкадре UL возможно только конечное число СС. Увеличение периода конкуренции в кадре увеличивает вероятность успешной передачи на протяжении кадра. Однако, поскольку подкадр UL имеет фиксированный размер, оно уменьшит число слотов данных (СД) и, следовательно, уменьшит пропускную способность представленного кадра. Расс(п) определяется как вероятность успешного доступа абонента к услуге при конечном числе СС. Расс(п) определяется как вероятность успешной передачи BRt оборудованием абонента в данном кадре и может быть выражена следующей математической формулой:
Определение задержки доступа BR (запроса полосы) - это период между первой передачей запроса полосы (BR) и ее успешным завершением. Поскольку периоды СС чередуются с периодами СД, модель задержки доступа составляется из периодов СС и периодов СД. Если BRt был передан успешно в одном из щ СС (в кадреу), то ожидаемая задержка доступа будет:
С другой стороны, если запрос BR не был успешным в кадре у, абонентская станция (АС) повторит процедуру BR в кадре j+І и состязаться в п+1 состязательных слотах. Задержка доступа в этой второй попытке может быть сформулирована как: Dacci = Pace DFj + P Uj) \Pacc{jlj+1) (7 . + DFj+J (3.17) Если BR не был успешным и во второй попытке, абонентская станция (АС) повторит процедуру BR в кадре j+2 и будет состязаться в n+2 состязательных слотах. Задержка доступа в этой попытке может быть сформулирована как:
Этот цикл будет продолжаться, пока не исчерпается число попыток, установленных базовой станцией в начале процесса BR, т.е. если число попыток установлено как 22, то абонентское оборудование попытается отправить BR 4 раза, затем отбросит BR. Эта группа вероятностных уравнений не дает окончательного решения, поэтому для получения задержки доступа используется статистический подход. Если BRi не был успешно передан в кадре j, ожидаемая задержка в начале кадра j + 1 будет равна TUL_subframe. С этого момента, поскольку результаты в текущем кадре не зависят от результатов конкуренции в предыдущем кадре, то по статистике процесс запускается вновь и может быть выражен следующей математической формулой:
Аналитическая модель в приведенном выше уравнении показывает, что чем выше, PAcc(rij), тем ниже второй компонент задержки, получаемый в результате возобновления конкуренции в последующем кадре. Подставляя (форм 3.15) и (форм 3.16) в (форм 3.20), чтобы получить Dlaccess как функцию п; (количество CС-х в кадре у) получим результирующую формулу, которая будет выглядеть следующим образом:
Повышение качества обслуживания в сетях WiMAX на основе совместного использования спектра
Перспективная организация сетей беспроводной связи основана на сотовой архитектуре. В каждой соте для каждой базовой станции выделен набор каналов. Соседние ячейки должны использовать разные каналы во избежание недопустимых помех. Когда АС хочет общаться с другим абонентом или базовой станцией, она должна сначала получить канал от одной из базовых станций, которые слышат ее (обычно, это базовая станция, которая слышит лучше всех).
Если канал доступен, он предоставляется пользователю. В случае, когда все каналы заняты, новый вызов блокируется. Этот вид блокировки называется блокировкой нового вызова. Пользователь освобождает канал, следуя одному из следующих сценариев: пользователь завершает вызов или пользователь переходит к другой соте (ячейке) до завершения звонка. [30]
Доля заблокированных вызовов в течение довольно длительного интервала времени действия системы называется вероятностью блокировки. Вероятность блокировки - это действительно важный показатель, так как он используется для определения качества услуг в сетях связи [54]. Она может быть определена с помощью формулы модели Erlang. Вероятность блокировки равна условной вероятности того, что в стационарной конфигурации (незаблокированной), нельзя обслужить нового пользователя, если не все пользователи в текущей конфигурации могут быть обслужены.
Потери мощности, необходимой для передачи данных в беспроводной сети, определяются наличием препятствий между передатчиком и приемником. Рассчитывается средняя мощность, используемая 1000 пользователями в каждом подразделении. Моделируются два сценария: прямого соединения (нормальное соединение передачи т.е. от АС к HBS – Direct link power) и соединения с использованием ретранслятора (передачи через FBS – Relay link power). Алгоритм разработан таким образом, что он выбирает один из этих двух сценариев: тот, который использует меньше всего потери энергии на каждом 1км дистанции (distance) связи (ALGOLINK). Результаты показаны и описаны ниже (рисунок 4.7): до одного километра дистанции потери, необходимые для достижения сторонней базовой станции больше, чем это необходимо для достижения домашней базовой станции. Поэтому алгоритм выберет прямое соединение (от АС к HBS). Это связано с тем, что АС находится очень близко к базовой станции. Тем не менее замечено, что на расстояниях порядка 1000 метров, действие алгоритм приводит к переходу на ретрансляцию (то есть, линию связи от АС к FBS и затем к HBS), которая использует меньше энергии для передачи данных.
Это происходит потому, что пользователи в этой зоне находятся ближе к FBS, чем к HBS. при расстояниях, существенно больших 1000 м, алгоритм все еще выбирает стороннюю базовую станцию в качестве лучшей альтернативы для общения. Даже если мощность, необходимая в этом случае значительно возросла, она по-прежнему меньше, чем требуется для передачи через домашнюю базовую станцию. Абоненты в этой зоне все еще далеки от HBS.
Ниже приведена таблица (таблица 4.2), показывающая различия значений мощности в прямом соединении и соединении ALGOLINK. Согласно этой таблице приводится диаграмма с изложением разницы между значениями мощности. Таблица 4.2 Данные по необходимым мощностям.
Можно сказать, что совместное использование спектра - это системный подход к использованию одного и того же частотного спектра сетевыми операторами по взаимной договоренности. Есть две основные категории использования спектра: a. исключительное использование, основанное на какой-либо форме права собственности на полосы частот (участок спектра), и b. неисключительное использование на основе лицензирования отдельных видов использования или классов пользователей - например, 122 общественная мобильная радиосвязь - либо без лицензирования спектра например, полосы пропускания в 2,4…2,4835 ГГц, используемые Wi-Fi и Bluetooth (ISM диапазон) и аналогичные. Термин «радиочастотный спектр» относится к той части электромагнитного континуума, которая является предметом какой-либо формы регулируемого использования. В низкочастотном конце этот диапазон включает в себя ультранизкие частоты (несколько килогерц), используемые для связи, охватывающей весь земной шар и распространяющейся в поверхностном слое земли и воды. Высокочастотный конец достигает субмиллиметровых волн, которые соответствуют частотам 300 ГГц и более. Есть различные типы распределения спектра: на первичной и на вторичной основе. Эти распределения подразделяются на виды “услуг”; например, услуги подвижной связи или сервис радиолокационной связи [65] [66] [67]. Использование радиочастотного спектра вызвало огромные изменения в способах коммуникации людей и организации - общения, ведения своего бизнеса и развлечений. С появлением новых видов использования и возрастающего значения новых приложений, таких как дистанционное управление, научные наблюдения, в частности, в радиоастрономии, телеметрии и т.д., совместное использование спектра быстро развивалось [56]. Учитывая требования к еще более широкой полосе пропускания со стороны растущего числа приложений, считается, что есть дефицит спектра, и следует принять меры для решения этого вопроса.
Тем не менее, практика отличается от теории. Несмотря на значительную асимметрию между контролируемым правительством участками спектра и "гражданскими" участками спектром, дефицита как такового нет. Однако, существует сильное желание со стороны многих игроков в этой области заполнить всем вместе наиболее привлекательный диапазон спектра - между 30 и 3000 МГц. В этом диапазоне частот, распространение, как правило, хорошее, и пропускная способность достаточна для большинства целей. Таким образом, использование этого спектра должно быть каким-либо образом разделено. Некоторые, как например, Калабрезе и Benker [68] утверждают, что продвинутые технологии – например, когнитивное радио - позволят делиться этим спектром без предварительной договоренности. Но корыстные интересы, а также теория и практика показывают, что эти привлекательные проекты не реализуемы. Проблема совместного использования спектра – это прежде всего, техническая проблема эффективности пропускной способности канала в различных средах (которые ограничивают эффективную пропускную способность канала (по теореме Шеннона-Хартли), в пустыне или на море), т.е. при различных условиях распространения радиоволн, которые меняются с местоположением, временем суток, погодными условиями и т.д.
Прогресс в совместном использовании спектра можно рассматривать с точки зрения пользователя, регулятора и отрасли. В данном исследовании мы будем рассматривать его с точки зрения отрасли. Индустрия беспроводной связи разработала и реализовала множество схем совместного использования спектра, начиная от ограничения предельно допустимых уровней излучения внутри и вне полосы используемых полос частот в соответствии с применяемой в сотовой связи ограничительной маской спектра излучения до используемого в беспроводных локальных сетях схемы множественного доступа по уровню несущей. Все эти схемы более сосредоточены на оптимизации самой системы, а не на целях общего улучшения совместного использования спектра. Такая политика довольно актуальна, учитывая, что нынешние нормативы по радиосвязи являются селективными, а не совместными. Тем не менее, в данном исследовании предлагается другой подход, в котором избыточные частотные ресурсы будут использоваться, когда сеть одного из операторов перегружена. [69]