Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ моделей подвижности трафика и методов планирования характеристик систем мобильной сотовой связи в свете повышения их информационной ёмкости
1.1. Особенности функционирования систем широкополосной мобильной сотовой связи и направления повышения их информационной ёмкости
1.2. Анализ моделей подвижности трафика систем мобильной связи
1.3. Анализ методов планирования сотовых систем мобильной связи
1.4. Ситуационно-адаптивное планирование как метод повышения информационной емкости системы широкополосной мобильной связи и эффективности её эксплуатации
1.5. Выводы по первой главе
Глава 2. Модели и алгоритмы ситуационно-адаптивного планирования сети широкополосной мобильной сотовой связи
2.1. Разработка стохастической модели ситуационно-адаптивного планирования сети широкополосной мобильной сотовой связи
2.2. Разработка и исследование алгоритма распознания (идентификации) ситуации в системе мобильной связи
2.3. Разработка алгоритмов оптимального перераспределения канально-временного ресурса между подсистемами сети мобильной связи в условиях неопределенности состояний наблюдений
2.4. Топологический способ канально-временного планирования в сетях мобильной радиосвязи
2.5. Геометрический метод оптимального прогноза зон радиопокрытия сети мобильной связи
2.6. Разработка алгоритма уточнения (переоценки) параметров моделей ситуационно-адаптивного планирования
2.7. Основные результаты и выводы по второй главе
Глава 3. Разработка структурных алгоритмов оптимального конфигурирования транспортной сети широкополосной мобильной сотовой связи .
3.1 Анализ особенностей передачи сообщений в транспортных сетях широкополосной радиосвязи
3.2. Постановка задач о нахождении оптимальной конфигурации транспортной сети сотовой связи
3.3. Разработка алгоритма выбора оптимальной конфигурации транспортной сети при ограничении ее протяженности .
3.3.1. Исследование свойств неориентированного связного графа (НСГ) при ограничении протяженности.
3.3.2. Разработка алгоритма выделения НСГ при ограничении протяженности
3.4. Разработка алгоритма выбора оптимальной конфигурации транспортной сети при ограничении ее расстояния
3.5. Основные результаты и выводы по третьей главе
Глава 4. Разработка инженерных методик и технических рекомендаций по оптимизации сети мобильной широкополосной радиосвязи на примере системы связи ООО «Скартел» в г. Уфе
4.1. Разработка стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования подвижной сети сотовой связи ООО «Скартел» г. Уфы
4.1.1. Разработка инженерной методики получения стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования
4.1.2. Исследование характера изменения свойств моделей ситуационно-адаптивного планирования подвижной сети сотовой связи ООО «Скартел» в г. Уфе
4.1.3. Оценка времени прогноза достоверного определения ситуации в системе мобильной связи
4.2. Разработка инженерного метода и технических рекомендаций по модернизации (оптимизации) канально-временного плана сети широкополосной сотовой связи ООО «Скартел» в г. Уфе
4.3. Модернизация транспортной сети ООО «Скартел»
4.4. Оценка экономической эффективности модернизации проекта сети сотовой мобильной связи ООО «Скартел» в г. Уфе
4.4.1. Оценка снижения размера капитальных затрат
4.4.2. Оценка снижения текущих затрат
4.4.2.1. Определение размера экономии технического ресурса
4.4.2.2. Оценка снижения затрат на ремонт оборудования при использовании алгоритмов ситуационно-адаптивного планирования.
4.4.2.3. Расчёт снижения затрат на потребляемую электроэнергию 4.4.2.4. Оценка изменения затрат на выплату заработной платы
4.4.2.5 Оценка общей экономической эффективности от использования алгоритмов ситуационно-адаптивного управления сетью
Основные результаты
Список литературы
- Анализ моделей подвижности трафика систем мобильной связи
- Разработка алгоритмов оптимального перераспределения канально-временного ресурса между подсистемами сети мобильной связи в условиях неопределенности состояний наблюдений
- Разработка алгоритма выбора оптимальной конфигурации транспортной сети при ограничении ее протяженности
- Разработка инженерной методики получения стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования
Введение к работе
Актуальность темы. Опережающее развитие систем мобильной сотовой радиосвязи по сравнению с системами фиксированной связи является общепризнанной тенденцией настоящего времени. Так как происходит резкий скачок количественного и качественного многообразия передаваемых сообщений, системы мобильной связи выходят на максимальный уровень нагрузки. Следует отметить несовершенство существующих методов проектирования и управления системами мобильной связи. В частности, современные методы проектирования основаны на частотно-территориальной привязке средств радиодоступа и не учитывают такие важные факторы как изменение нагрузки (трафика) во времени, «миграцию» мобильных абонентов в условиях неопределенности их позиционирования, качественного изменения структуры телетрафика, изменения зон радиопокрытия и сопутствующий этим условиям выбор конфигурации транспортной сети. В итоге это вызывает необходимость модернизации и оптимизации сети мобильной связи уже после начала её эксплуатации, что снижает общую экономическую эффективность её эксплуатации.
Тем самым можно отметить недостаточную глубину проработки методов проектирования, оптимизации и управления систем мобильной связи и, как следствие этого, недостаточную автоматизацию процессов проектирования и управления, что увеличивает сроки проектирования. Следует отметить необходимость разработки эффективных алгоритмов перераспределения ресурсов сети на уровне зон радиопокрытия базовых станций (БС), функционирующих в реальном масштабе времени. Поэтому актуальным направлением развития сотовых систем мобильной связи является повышение их пропускной способности за счёт поиска новых способов, методов и алгоритмов организации и последующей активизации неиспользуемых «внутренних» ресурсов систем радиосвязи. К таким способам можно отнести методы ситуационно-адаптивного планирования систем мобильной связи. Под ситуационно-адаптивным планированием понимается процесс рационального управления «свободными» (незадействованными) канально-временными, информационными и иными ресурсами систем мобильной связи с целью повышения информационной ёмкости систем мобильной связи и снижения затрат на их эксплуатацию и строительство. Среди всего комплекса задач ситуационно-адаптивного планирования, требующих своего решения, можно выделить следующие - главные - это разработка системных моделей ситуационно-адаптивного планирования, алгоритмов идентификации текущих ситуаций с возможностью дальнейшего предсказания изменений «трафиковых» ситуаций, модернизация алгоритмов канально-временного и сетевого (транспортного) планирования (в отличие от известных, в условиях жёсткого
временного ограничения получения решений). Следует отметить, что общие идеи и пионерские работы по этой проблематике возникли уже достаточно давно. Среди отечественных учёных можно выделить труды Б.В. Гнеденко, М.А. Шнепса, Б.С. Лившица, Г.П. Башарина, А.П. Пшеничникова, А.Д. Харкевича, Е.И. Рухмана, Б.Я. Советова, С.А. Яковлева, В.А. Кочегарова, Г.А. Фролова, О.А. Шорина, И.В. Кузнецова. Большой вклад в развитие идей этого направления исследований внесли зарубежные учёные: Клейнрок Л., Спенсер Р., Мартин Дж., Галлагер Р., Мерлин П., Сегал А. и др.
Задача повышения эффективности остаётся актуальной также и для широкополосных систем мобильной связи. Это связано с тем, что возрастает спектр предоставляемых услуг от относительно низкоскоростной передачи речевых сообщений до высокоскоростного потокового видео, что оказывает влияние на пространственно-временное сосредоточение абонентских точек радиодоступа с вытекающими отсюда проблемами электромагнитной совместимости, радиопокрытия и т.д. Отметим, что это подтверждается практикой эксплуатации операторов сетей сотовой связи, сотовых сетей широкополосной радиосвязи ООО «Скартел» в Уфе, Москве, Санкт-Петербурге и других крупных городах России. Следовательно, решение задачи повышения эффективности систем связи является актуальным как в научном, так и в практическом отношениях.
Объект исследования - телекоммуникационные системы и сети
широкополосной сотовой связи на примере стандарта 802.16е (WiMax).
Предмет исследования - разработка алгоритмов построения эффективных широкополосных телекоммуникационных систем на основе методов ситуационно-адаптивного планирования.
Цель работы - разработка научно-обоснованных алгоритмов
ситуационно-адаптивного планирования систем широкополосной мобильной
радиосвязи, учитывающих пространственно-временное изменение
абонентского трафика, позволяющих увеличить локальную информационную ёмкость распределённых систем связи при помощи критериального перераспределения канально-временного ресурса, а также повысить качество работы этих систем.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
1. Разработать стохастическую модель трафиковых процессов в
широкополосных сотовых системах радиосвязи, описывающую
территориальную подвижность (мобильность) абонентов в зоне обслуживания.
2. Разработать алгоритм идентификации и прогнозирования ситуации
локального пространственно-временного изменения трафика в зоне
обслуживания на основе стохастической модели трафиковых процессов.
3. Разработать алгоритм перераспределения канально-временного ресурса
между базовыми станциями сети широкополосной мобильной связи.
4. Разработать алгоритм оптимизации конфигурации транспортной сети
широкополосной мобильной связи с учётом ограничений на временные
задержки при передаче сообщений, обусловленные транзитным характером
передачи сообщений.
5. Разработать инженерную методику и рекомендации по модернизации и
ситуационной оптимизации сети широкополосной сотовой связи
обособленного подразделения ООО «Скартел» в г. Уфе.
Методы исследований. При решении поставленных задач, в работе используются положения теории вероятностей и математической статистики, исследования операций и линейного программирования, методы теории конечных графов, массового обслуживания и аналитической геометрии. При проведении экспериментальных исследований применяются методы математического моделирования, в том числе компьютерного.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Представление моделей трафиковых процессов в широкополосных сотовых системах радиосвязи в форме набора скрытых марковских моделей (СММ) позволяет учитывать неопределённость локального пространственно-временного изменения трафика в зоне обслуживания сети.
Алгоритм идентификации и прогнозирования ситуации локального пространственно-временного изменения трафика, разработанного на основе СММ, в отличие от известных, позволяет повысить достоверность прогнозирования изменения нагрузки в условиях неопределённости позиционирования мобильных станций в зоне обслуживания сети.
3. Применение топологического метода и метода линейного
программирования в алгоритме перераспределения канально-временного
ресурса между базовыми станциями сети широкополосной мобильной связи,
позволяет обеспечить перераспределение радиоресурсов в масштабе реального
времени.
4. В решении оптимизационной (критериальной) задачи выбора
конфигурации транспортной сети в системах мобильной связи, в отличие от
известных, учитываются структурные ограничения на конфигурацию сети,
которые позволяют уменьшить временные задержки при передаче сообщений,
обусловленные транзитным характером передачи.
5. Предложенные технические решения и инженерная методика основаны
на алгоритмах ситуационно-адаптивного планирования и применены при
модернизации сети широкополосной сотовой связи 000 «Скартел» в г. Уфе.
Практическая ценность работы
1. Разработана инженерная методика получения стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования.
2. Разработаны рекомендации по ситуационно-адаптивному
планированию широкополосной сети сотовой связи ООО «Скартел» в г. Уфе.
3. Разработаны рекомендации по модернизации сети сотовой связи для
режима максимальной абонентской нагрузки 000 «Скартел» в г. Уфе.
4. Разработаны рекомендации по модернизации транспортной сети
системы мобильной связи 000 «Скартел» в г. Уфе.
Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены при проектировании (модернизации) южного участка сотовой сети мобильной связи 000 «Скартел» г. Уфы, а также в учебном процессе Уфимского государственного авиационного технического университета.
На защиту выносятся:
Стохастическая модель трафиковых процессов широкополосной сети мобильной связи на основе скрытых марковских процессов.
Алгоритмы идентификации и прогнозирования ситуации локально-временного изменения трафика в зоне обслуживания на основе стохастической модели трафиковых процессов.
3. Алгоритм оптимального перераспределения канально-временного
ресурса между подсистемами сети широкополосной мобильной связи.
4. Алгоритмы оптимизации конфигурации транспортной сети
широкополосной мобильной связи с учётом ограничений на временные
задержки передачи сообщений, обусловленные транзитным характером
передачи сообщений.
5. Инженерная методика и рекомендации по модернизации и
ситуационной оптимизации сети широкополосной сотовой связи
обособленного подразделения 000 «Скартел» в г. Уфе.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:
Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «IX Королёвские чтения»;
Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» г. Казань;
Всероссийская молодёжная научная конференция «Мавлютовские чтения»;
X международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г. Самара;
Одиннадцатая Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г. Уфа. Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях, в том числе в 7 статьях, 2 из которых в журналах, вошедших в перечень ВАК, в 3
материалах международных и российских конференций. 7 публикаций, на 23 страницах, выполнены без соавторов.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, приложений и изложена на 154 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 94 наименования литературы.
Анализ моделей подвижности трафика систем мобильной связи
Выделим основные особенности функционирования систем мобильной связи:
Функционирование систем мобильной связи происходит в режимах существенных «колебаний» интенсивности трафика нагрузки как во времени, так и в пространстве. Пространственно-временное изменение трафика обусловлено подвижностью абонентов и особенностями территориального распределения подсистем радиодоступа. Если временное изменение (нестационарности) нагрузки в сети является довольно известным фактом, то с фактом пространственного изменения нагрузки приходится «сталкиваться» совсем недавно. Под пространственным изменением нагрузки понимается резкое локальное повышение (и/или понижение) в одной или нескольких сотах системы мобильной связи, вызванное скоплением («рассасыванием») подвижных абонентов в отдельных участках зоны обслуживания. В итоге, это приводит к «неравномерному» характеру предоставления вида услуг мобильной связи, локальным перегрузкам (недогрузкам) в подсистемах (сотах) радиодоступа, возможному нарушению «целостности» и эффективности функционирования всей системы радиосвязи.
Системы мобильной сотовой связи предоставляют всё возрастающее число разнообразных услуг связи. Если до недавнего прошлого 90% трафика составляла речевая информация, то сейчас в силу развития новых информационных технологий увеличивается разнообразие передаваемых сообщений, требующих выделения дополнительных ресурсов и соответствующей пропускной способности каналов. Как известно [24,25,27], сегодня практически все типы мобильных телефонных аппаратов позволяют поддерживать следующие службы передачи сообщений: SMS (Short Message Service) - коротких сообщений, EMS (Enchanced Mobile Service) - расширенных сообщений, MMS (Multimedia Mobile Service) мультимедийных сообщений. При этом SMS - сообщения (длиной символов до 160 знаков) обеспечивают передачу данных в режимах индивидуального обмена по схеме «точка-точка» с подтверждением его получения на приёмной стороне, а также «точка-многоточка», предназначенной для односторонней передачи сведений общего характера (сводки погоды, условий дорожного движения, рекламы и др.) многим абонентам без подтверждения факта приёма. Более того, эксплуатирующиеся системы мобильной связи в некоторых случаях являются основой построения некоторых корпоративных сетей электросвязи, обеспечивающих передачу различных (не только телекоммуникационных) данных, например, для систем мониторинга транспортных средств в крупных городах России, организации структуры служб (телеслужб) и т.д. Однако выраженная «мультисервисность» систем мобильной связи предполагает разную техническую реализацию коммутации сигналов [30,32,33] (например, коммутации каналов для передачи речи, коммутации сообщений и пакетов - для передачи телеграфных данных и мультимедийной информации), что влияет на количество и качество предоставляемых абонентам каналов и время транспортировки данных.
В отдельный пункт особенностей следует выделить особенности предоставления услуг позиционирования мобильным пользователям. Услуги пози 18 ционирования носят важный характер для систем мобильной связи, т.к. позволяют с одной стороны, определять местоположения абонентов для предоставления им соответствующих информационных услуг, а с другой стороны, определять характеристики трафика распределённой системы, к которым относятся сотовые сети связи. Среди технологий позиционирования, применяемых в се \ тях мобильной связи можно выделить следующие методы [27]: Cell-D, осно ванный на измерении уровня сигнала мобильной станции в точке приёма базовой станции (обеспечивает простоту реализации при очень низкой точности 300 — 400 м позиционирования); ТОА и OTD, основанные на измерении интер валов времени, за которые сигнал доходит до нескольких (не менее 3-х) базо вых станций (характеризуется относительно простым алгоритмом реализации и относительно высокой точностью позиционирования до 100 м, однако требует установки специального оборудования как для базовых, так и мобильных стан ций и спутниковой синхронизации); A-GPS основан на использовании ресурсов глобальной спутниковой системы позиционирования GPS (Global Positioning System). Несмотря на то, что метод A-GPS имеет абсолютное преимущество по точности определения мест положения мобильных пользователей (до 20 м) он имеет недостатки, обусловленные дополнительным расходом потребителей и тем, что он должен работать в пределах прямой видимости 3 спутников, что не І всегда возможно, особенно, если подвижный абонент находится внутри здания, метро, если имеются высокие строения и препятствия. Поэтому метод A-GPS в настоящее время нашёл более широкое применение в определении мест поло \ жения различных транспортных средств. Из всего сказанного следует сделать вывод о недостаточной точности позиционирования мобильных абонентов и не \ развитости услуг позиционирования, что предъявляет требования к созданию алгоритмов управления сетью мобильной связи в таких условиях эксплуатации.
Важным элементом эффективности эксплуатации систем мобильной связи является совершенствование её транспортной составляющей, обеспечивающей внутрисистемную передачу сообщений или, другими словами, внутрисистемное взаимодействие между БС, центром обработки данных или центром коммутации и другими сетями фиксированной либо мобильной связи. К особенности транспортной составляющей сети мобильной связи можно отнести резкое увеличение объёма передаваемых управляющих команд и сигналов сигнализации и синхронизации. Следует отметить, что эти сигналы передаются наряду с «полезными» абонентскими. При этом важной составляющей штатного функционирования всей системы мобильной связи является своевременная передача, получение команд управления, сигнализации и синхронизации подсистем мобильной связи. Сложность управления системами мобильной связи усугубляется большим разнообразием тандемно (последовательно) включенных разнотипных, разноскоростных кодеков и интерфейсов, которые увеличивают время передачи этих команд и сигналов, что вызвано необходимостью проведения дополнительных операций преобразования, согласования сигналов, «перекодирования» сообщений и т.д.
В настоящее время осуществляется постоянное техническое совершенствование и обновление парка вычислительных средств систем мобильной связи [63]. Это открывает принципиально новые возможности автоматизированного решения задач адаптивного управления ресурсами сети мобильной связи, а также повышения информационной ёмкости и эффективности её использования.
Разработка алгоритмов оптимального перераспределения канально-временного ресурса между подсистемами сети мобильной связи в условиях неопределенности состояний наблюдений
Важным этапом ситуационно-адаптивного планирования сетей мобильной связи является прогноз зон радиопокрытия сети сотовой связи. Зоной радиопокрытия называется некоторая обслуживаемая базовыми станциями местность, в которой энергетический уровень радиосигнала не ниже заданного соотношения сигнал/шум, определяемый чувствительностью радиоприемника мобильного абонента и вероятностью невыполнения требований по допустимому соотношению сигнал/помеха. Другими словами, на этапе прогноза зон радиопокрытия определяются граничные участки обслуживаемой местности, обеспечивающие заданное качество приема сигналов, и уточняются (по необходимости) частотные и мощностные характеристики передатчиков базовых станций. Прогнозирование зоны радиопокрытия предназначено для того, чтобы обеспечить заданное качество приема по всей области обслуживания, а не в какой-либо отдельной точке.
В процессе ситуационно-адаптивного планирования возможно изменение конфигурации (структуры) сети, приводящей к соответствующему изменению зоны радиопокрытия, так называемому расщеплению сот. При этом процесс расщепления сот может быть связан с переводом в активный режим (подключением), либо выводом из активного режима (выключением) уже действующих, эксплуатирующихся базовых станций, либо с необходимостью развертывания новых базовых станций на этапе расширения сети в условиях наблюдаемого роста нагрузки. Проведем анализ методов прогноза зон радиопокрытия. В общем случае планирование сети мобильной связи может быть осуществлено на основе известных [7, 8, 27] статистических, детерминированных методов, учитывающих параметры географического района модернизации сети и реальных измерений напряженности электромагнитного поля по местоположению, полученных в процессе эксплуатации сети. Напомним, что статистические методы прогноза основаны на презентативной выборке измерений реальных сигналов, в соответствии с которым зоны покрытия базовых станций моделируются кругом, радиус которых соответствует заданному проценту глобальных зон с качественной связью на его границе, либо определяется граница зоны покрытия как совокупность точек удалений приемника мобильной станции от базовых станций по азимутальным углам до достижения в них показателей качества своих предельных значений. Детерминированные методы прогноза основаны на учете факторов влияния препятствий на трассе распространения электромагнитных волн от мобильных до базовых станций, учитывающих общие дифракционные потери и затухания сигналов в условиях их замирания. Последний метод прогноза может быть связан с агрегированием (объединением) нескольких узлов спроса и соответствующим выделением локальной зоны покрытия так, чтобы нагрузка не превосходила суммарную канальную ёмкость обслуживаемых базовых станций. Границы локальной зоны покрытия могут служить основой для уточнения величины необходимой средней мощности передатчика базовой станции.
Несмотря на то, что рассмотренные методы прогнозирования рекомендованы соответствующими инструкциями [51 - 54] для задания параметров мобильной сети первоначального приближения, они характеризуются рядом недостатков:
1. Всегда необходимо знать местоположение базовых станций на обслуживаемой территории. При этом существующие рекомендации разработчикам систем мобильной связи о выборе размещения базовых станций не носят вид формализованных алгоритмов определения координат размещения базовых станций на обслуживаемой территории.
2. Процесс прогнозирования радиопокрытия представляет многопараметрическую итерационную задачу со многими неизвестными, требующий соответствующих вычислительных ресурсов и времени на обработку данных. На самом деле, помимо исходных данных о морфоструктуре местности и расположения базовых станций в моделях Окамуры-Хата, Кся-Бертони, Уолфиша-Икегами нужно располагать данными о высоте подвеса антенн и мощности излучения передатчиков базовых станций и др., величины которых, как правило, являются неизвестными и подбираются в процессе решения задачи.
3. Следствием второго пункта является то, что полученное решение не обеспечивает оптимальное радиопокрытие с точки зрения минимизации энергетических характеристик базовых станций. Другими словами, предлагаемые методы радиопокрытия не дают однозначного решения в условиях неопределенности размещения базовых станций, т.е. меняя тем или иным способом конфигурацию размещений базовых станций, можно добиться минимизации мощности их излучателей, не ухудшая при этом качество связи. Для того чтобы преодолеть указанные недостатки, предлагается альтернативный геометрический подход к методам оценки (прогнозирования) зон радиопокрытия [20]. Следует отметить, что предлагаемый метод не заменяет, а лишь дополняет существующие методы расчета радиопокрытия, который можно применить для последующего расширения сети мобильной связи, проводящейся в рамках ситуационно-адаптивного планирования.
Прежде, чем сформулировать задачу геометрического оптимального радиопокрытия, опишем некоторые предварительные замечания: 1. Количество вновь вводимых (развертываемых) базовых станций неве лико и ограничивается величиной единиц штук. При вводе большего количест ва базовых станций возникает проблема электромагнитной совместимости. 2. Определяется зона обслуживания, которая должна быть описана гео метрической фигурой произвольной формы. При этом профиль зоны обслужи вания должен быть более или менее однородным, т.е. перепад высот с учетом уровня урбанизации (высотности зданий и сооружений) не должен превышать в среднем предполагаемую высоту подвеса антенн базовых станций, участки местности не должны включать (либо включать в наименьшей степени) лесные, водные препятствия. 3. В качестве оценочной диаграммы направленности (в горизонтальной плоскости) антенн базовых станций выбирается круговая. 4. Будем считать, что площадь круговой диаграммы направленности пропорциональна мощности передатчиков базовых станций, требуемой для покрытия заданной соты. Рассмотрим постановку задачи геометрического радиопокрытия зоны обслуживания, которую будем решать методами теории аналитической геометрии [62].
Пусть задана обслуживаемая территория, описываемая геометрической фигурой произвольной формы и L базовых станций с круговыми диаграммами направленности излучений их антенн. Необходимо полностью покрыть заданную зону кругами так, чтобы круги полностью описывали покрываемую территорию и общая (суммарная) площадь всех кругов была минимальна.
Нетрудно видеть, что решение поставленной задачи позволяет определить центры кругов, где возможно расположение базовых станций, и радиус диаграмм направленности излучений. На основе полученных данных можно сделать оптимальную оценку мощности передатчиков базовых станций и определить высоту подвеса антенн, применяя полуэмпирические модели расчёта зоны радиопокрытия.
Рассматриваемую задачу можно рассматривать также в качестве модификации задач раскроя-упаковки, исследуемых школой Уфимского авиационного университета. Отличие от известных задач раскроя-упаковки заключается в том, что здесь допускается перекрытие вписываемых фигур и, более того, площадь перекрываемых фигур может носить вполне определенный смысл, например, определять зону эффективной эстафетной передачи (хэндовера) системы мобильной связи.
Ограничиваясь введением в эксплуатацию одной базовой станции (для упрощения представления), рассмотрим алгоритм оптимального геометрического прогнозирования зоны радиопокрытия. Легко видеть, что в этом случае задача по существу превращается в построение круга, описывающего геометрическую фигуру произвольной формы.
Разработка алгоритма выбора оптимальной конфигурации транспортной сети при ограничении ее протяженности
Таким образом, разработан формализованный способ определения оптимальной структуры ССС с позиции минимизации затрат (при выборе в качестве метрики величины соответствующих затрат) на создание и обслуживание ЛС между БС и ЦОД, при заданном уровне задержек на передачу информации.
Этот способ может быть использован как на этапе проектирования ССС, так и при ее эксплуатации, при вводе в строй новых БС.
Также, после определения структуры ССС, разработчику легче выбрать конкретный тип ЛС (РРЛ, оптоволокно и т.д.) в соответствии с будущей загруженностью данной ЛС. Что в свою очередь помогает снизить затраты на создание ССС в целом. При этом следует иметь ввиду, что необходим некоторый запас по пропускной способности ЛС для возможности дальнейшего расширения сети в данном направлении.
В случае расширения сети ССС применяется тот же алгоритм. В этом случае в качестве вершин полного нагруженного графа будут выступать не все БС и ЦОД, а лишь те работающие (введенные в строй до этого) БС и ЦОД, которые расположены на определенном (ограниченном) расстоянии от вводимых, и вводимые в строй БС. Критерием для определения работающих БС, которые будут выступать в качестве вершин графа, может стать некоторая максимальная мера, связанная с материальными затратами на создание ЛС между этими БС и вводимыми в строй. Другими словами, при превышении л(У) (где і-номер вводимой БС, j-номер работающей БС) некоторой величины цтах, j-я БС отбрасывается и в дальнейшей организации сети не участвует.
1. Сформулирована оптимизационная (критериальная) задача выбора конфигурации сети сотовой подвижной связи, позволяющая наилучшим спосо бом учитывать как требования на ее построение, так и влияние конфигура ции на динамические свойства передачи данных проектируемой системы. В качестве инструмента решения поставленной задачи предложено использовать математический аппарат теории графов, в рамках которого поставленная зада ча сводится к построению минимальных нагруженных графов с ограниченной протяженностью и расстоянием.
2. Разработаны алгоритмы выделения наилучшей, с учетом ограничений конфигурации на время передачи данных, топологии (конфигурации) транс портной сети подвижной радиосвязи. При этом рассматриваются два алгоритма оптимизации. Первый из них определяет конфигурацию транспортной сети, в которой величина запаздывания (временной задержки) передачи сообщений в информационных каналах обмена инвариантна к выбору маршрута передачи данных. Второй алгоритм определяет конфигурацию сети, в которой минимум временных задержек достигается соответствующим выбором маршрута пере дачи данных. Следует отметить, что для топологии транспортной системы со товой сети, полученной в результате решения первой задачи оптимизации, ха рактерна простота реализации протоколов обмена. Для транспортной сети подвижной радиосвязи, полученной в результате решения второй задачи оп тимизации, характерны более высокие скорость передачи данных и отказо устойчивость. Однако при этом возможны сложности с выбором протоколов обмена, т.к. имеется неоднозначность в выборе маршрутов движения данных.
Разработка инженерных методик и технических рекомендаций по оптимизации сети мобильной широкополосной радиосвязи на примере системы связи ООО «Скартел» в г. Уфе
Разработка стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования подвижной сети сотовой связи ООО «Скартел» г. Уфы
Оптимизация любой системы и сети связи заключается в выравнивании потребностей телетрафикового спроса с техническими ресурсами по удовлетворению этого спроса. Наверное, не будет большой ошибкой, если утверждать, что чем точнее выдерживается это равенство, тем система связи становится более экономичной. Другими словами, необходимым условием оптимизации системы связи является обеспечение адекватности моделей источника трафика (модели подвижности) и модели сетевого трафика (наблюдаемого со стороны неподвижных элементов сети). Как было показано выше, ситуационно-адаптивная модель в какой-то степени точности отражает картину ожидаемого телетрафикового спроса. Рассмотрим метод получения упрощенных стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования. Для этого вначале проведем анализ изменения спроса в г. Уфе.
Для проведения анализа изменения трафика в эксплуатируемой сети широкополосной сотовой связи ООО «Скартел» вся территория города Уфы была условно разбита на 14 районов (рисунок 4.1.1). Выбор границ районов города был осуществлен с учетом характерной географической, урбанистической и топологической морфологии всей зоны обслуживания (включающую почти всю территорию города Уфы) и в небольшой степени совпадающей с административными районами города. В дальнейшем районы обслуживания будем считать узлами спроса. На основании статистических исследований получены интенсивности трафика колебания нагрузки в выбранных районах в зависимости от времени суток, рабочих выходных и праздничных дней. Так, на рисунке 4.1.2, 4.1.3 показаны усредненные суточные изменения трафика по районам соответственно в рабочие дни и выходные дни, полученные в течение 2009-2010 года.
В выходные дни высокий уровень нагрузки сохраняется в местах расположения крупных торговых точек с 12 до 15 часов (район 6) и культурных центров с 20 до 01 часа.
Следовательно, проведенный анализ колебаний интенсивности нагрузки ещё раз подчеркивает необходимость оптимизации конфигурации сети мобильной сотовой связи методами ситуационно-адаптивного планирования. Поэтому в соответствии с первым этапом разработаем модель ситуационно-адаптивного планирования, являющейся отражением модели подвижности абонентов.
Разработка инженерной методики получения стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования
Важной составляющей проектирования системы мобильной связи является разработка и оптимизация её транспортной сети. Транспортная сеть мобильной связи обеспечивает передачу потоков сообщений БС в ЦОД сети и обратно. Инженерный метод построения транспортной сети мобильной связи состоит из ряда последовательно выполняемых этапов.
Организация и анализ транспортной сети первого приближения. Пер-воначально предполагается, что транспортная сеть будет организована с помощью радиорелейных линий (РРЛ) связи. На основе сбора первоначальных данных о профилях трасс и визуальных наблюдений определяется наличие прямой видимости между БС. Наличие прямой видимости является обязательным условием для нормальной работы РРЛ. Если условие прямой видимости не выполнятся, то выделяются группы БС, транспортная сеть которых организуется с помощью подключения к оптическому транспортному кольцу города, либо с помощью организации собственной корпоративной оптоволоконной сети связи.
Расчет параметров транспортной сети и принятие решения об её оптимизации. Для всех БС и ЦОД, находящихся на линии прямой видимости, определяется примерный частотный план РРЛ и рассчитываются их параметры. Полный расчет параметров РРЛ включает определение высоты просвета при нулевой рефракции, потери в антенно-фидерном тракте РРЛ, энергетическое ослабление луча в открытом пространстве с учетом величины замирания сигнала, устойчивость связи и процент её неготовности, расчет показателей качества связи по ошибкам и т.д. На этом же этапе определяется конфигурация архитектуры сети, определяемая типом интерфейсов связи и протоколами взаимодействий, резервированием, и определением производительности транспортных потоков (пропускной способности) между всеми элементами сети. По окончании его составляется карта (протокол) маршрутизации транспортных потоков с учетом типа их коммутации в сети. При наличии достаточно большого числа вариантов подключений транспортных потоков, неопределённости в выборе топологии (карты маршрута), сложности в реконфигурировании структуры транспортной сети в процессе её эксплуатации и т.п. принимается решение о проведении оптимизации транспортной сети системы широкополосной мобильной связи.
Выбор параметров оптимизации транспортной сети. Вырабатываются критерии оптимизации, в качестве которых могут быть предложены следующие [13,15,40,45,65]: - минимизация энергетических ослаблений (затуханий) радиосигналов на пролетах РРЛ и сигналов в проводных системах; 141 - минимизация материально-стоимостных затрат (например, габаритных размеров проводных линий связи, стоимости на разработку и эксплуатацию интерфейсов связи); - экстримизация надежностных характеристик соединительных связей транспортной сети; - экстримизация информационных характеристик сети (например, интегральной пропускной способности сети); - экстримизация критерия обобщенного качества транспортной сети, полученной в результате проведения экспертного анализа.
Наряду с выработкой критериев оптимизации формулируются ограничения, накладываемые на транспортную сеть. В частности, в качестве таких ограничений могут выступать структурные ограничения на длину последовательного соединения БС, влияющих на величину объёма потоков передачи данных в процессе их ретрансляции, временных задержек этих потоков, надежностных требований на ретрансляцию и т.д.
Непосредственно оптимизация транспортной сети. В соответствии с формальным описанием исходной модели транспортной сети в виде полного нагруженного графа (рассмотренного в третьей главе), выбранных критериев оптимизации и ограничений, задаются величинами мер исходного полного на груженного графа, структурной протяженности или расстояния. Применяются разработанные алгоритмы определения наилучшей конфигурации транспорт ной системы.
Отладка и построение транспортной сети. Отладка транспортной сети мобильной связи может быть осуществлена в соответствии с ее представлени ем, при котором возможны четыре метода отладки: - полное макетирование; - частичное макетирование при использовании типового ядра технических средств; - имитационное моделирование; - имитационное моделирование с использованием реальных блоков технических средств.
По окончании этого этапа делается вывод о соответствии разработанной транспортной сети заданным техническим требованиям, ее устойчивости и качества, здесь еще раз осуществляется оценка эффективности ее функциониро 142 вания. Далее производится построение транспортной сети, её тестирование и приёмка в соответствии с утвержденным в Компании порядком (бизнес-планом) ее проведения.
С целью последовательного улучшения получаемых конфигураций (топологий) транспортной сети предлагается модернизация разработанного ранее алгоритма с ограничением структурной протяжённости. При этом проведение оптимизации сети предлагается проводить поэтапно, увеличивая каждый раз ограничение величины протяженности до предельного значения равной 6 транзитным переходам. Другими словами, сначала ищутся те станции РРЛ (по существу БС), которые могут быть подключены к центру обработки данных (ЦОД) при величине протяженности равной 2. Затем протяженность устанавливают равной 3, и далее, ведут поиск незадействованных БС, которые могут быть подключены к подсети, полученной на предыдущем шаге. Вся процедура повторяется до тех пор, пока не «исчерпаются» всё множество незадействованных БС, либо величина структурной протяжённости не станет равной 6. В процессе оптимизации сети учитывается также возможность организации РРЛ с антенной диаметром 0,6 метра, но предпочтение отдается приёмопередающим станциям РРЛ с малым диаметром антенны. Этот учёт позволяет уменьшить количество транзитных БС с максимальным удалением (протяженностью) от ЦОД, что, в свою очередь, позволяет минимизировать временные задержки на передачу сообщений. Таким образом, модифицированный алгоритм выделения оптимальной сети состоит из следующих шагов:
