Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии пропуска трафика и особенностей протоколов радиоинтерфейса в сетях GSM/GPRS 12
1.1. Общие характеристики стандарта GSM 12
1.2. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM ...20
1.3. Структура логических каналов в GSM 26
1.4. Организация физических каналов в GSM 30
1.5 Технология GPRS 32
1.6. Архитектура сети GPRS 37
1.6.1. Интерфейсы GPRS 38
1.6.2. Протоколы GPRS 40
1.6.3.-Схемы кодирования сигнала 41
1.7. Выводы 44
2. Разработка модели оптимального распределенияресурсов подсистемы базовых станций для передачи пакетных и голосовых сообщений и метода расчета трафика и качественных характеристик сети GSM/GPRS 45
2.1. Постановка задачи 45
2.2. Математическая модель оптимального распределения ресурсов подсистемы базовых станций сети GSM с GPRS и EDGE для передачи пакетных и голосовых сообщений 47
2.4. Метод метода расчета трафика и качественных характеристик сети GSM с GPRS и EDGE 53
2.4. Методика оптимизации распределения ресурсов подсистемы базовых станций для передачи пакетных и голосовых сообщений 54
2.5. Выводы 59
3. Имитационное моделирование метода расчета нагрузки и качественных характеристик подсистемы базовых станций сети GSM/GPRS 60
З.Госновные принципы и этапы имитационного моделирования 60
3.2 Описание имитационной модели 70
3.3 Алгоритм работы имитационной модели 73
3.3 Анализ результатов моделирования 76
3.4 Выводы 78
4. Оптимизация конфигурации ресурсов подсистемы базовых станций для пропуска трафика с коммутацией каналов и коммутацией пакетов для сети GSM с GPRS ЗАО «СМАРТС» Самарской области 78
4.1 Схема организации связи существующей сети ЗАО «СМАРТС» 79
4.2 Расчет оптимальной конфигурации ресурсов подсистемы базовых станций для сети GSM с GPRS ЗАО «СМАРТС» Самарской области 84
4.3. Выводы 91
Заключение 92
Литература
- Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM
- Математическая модель оптимального распределения ресурсов подсистемы базовых станций сети GSM с GPRS и EDGE для передачи пакетных и голосовых сообщений
- Алгоритм работы имитационной модели
- Расчет оптимальной конфигурации ресурсов подсистемы базовых станций для сети GSM с GPRS ЗАО «СМАРТС» Самарской области
Введение к работе
Актуальность темы
Несмотря на относительно короткую историю, (первая опытная сеть сотовой связи была развернута в 1978 году) сети сотовой связи в своем развитии уже прошли два поколения: 1G - аналоговые системы сотовой связи, 2G - цифровые системы сотовой связи. Самым распространенным цифровым стандартом систем сотовой связи стал стандарт GSM (Global System for Mobile Communications), разработанный под эгидой ETSI в конце 80-х годов. Сети GSM стремительно развиваются по всему миру, обеспечивая миллионы абонентов высококачественной мобильной связью. Современный этап развития сетей сотовой связи характеризуется переходом от систем сотовой связи 2-го поколения (сетей 2G) к системам 3-го поколения (сетям 3G); при этом стандарт GSM в фазе 2,5G обеспечивает базу для эволюционного перехода к сетям 3G с максимальным использованием подготовленной инфраструктуры.
Быстро растущая потребность в дополнительных услугах для мобильных г.бонентов обозначила необходимость перехода от уже существующих сотовых сетей второго поколения к перспективным сетям 2.5 и 3 поколения, что позволяет ввести принципиально новые услуги, которые раньше были недоступны. Технологии 2,5 и 3 поколения позволяют существенно расширить возможности передачи данных, доступные мобильному абоненту. Так услуги передачи коротких сообщений SMS замещаются услугами MMS (Multimedia Mobile Service). Более высокие скорости передачи обеспечат абонентов большим объемом услуг. Прежде всего это касается высокоскоростного доступа к ресурсам сети Интернет с удовлетворяющей потребителя скоростью. Технологии сетей 2,5 поколения (GPRS, EDGE) позволяют передавать и получать большие объемы данных через Интернет, видеоизображения,
музыкальные файлы в стандарте МРЗ, потоковое видео и другую мультимедийную информацию.
В результате внедрения новых услуг существенно увеличивается доля
передачи данных в мобильных сетях по отношению к речевому трафику.
Возникает необходимость при планировании и проектировании сетей 2.5 G
учитывать и прогнозировать рост трафика передачи данных, который не
учитывался при проектировании сетей сотовой связи второго поколения в
соответствии с методиками, утвержденными соответствующими
Руководящими документами [13,39,40].
Высокоскоростная технология GPRS представляет собой развитие GSM. При ее использовании сеть радиодоступа RAN (Radio Access Network) остается практически неизменной за исключением новой версии ПО и дополнительного аппаратного блока контроля пакетной передачи данных PCU (Packet Control Unit). Именно поэтому GPRS называют технологией 2.5 поколения. В ней вместо постоянного подключенного и, следовательно, довольно дорогого соединения, используемого технологией 3G [33], используется разбиение преобразованного в цифровую форму потока информации (текста, изображения, тональных сигналов и т.д.) на малые пакеты данных, которые сжимаются и кодируются. Затем эти информационные пакеты передаются получателю в «упакованном» виде в паузах, возникающих при передаче речи. Система GPRS обеспечивает значительно более скоростную передачу данных в пределах одного временного слота, чем 9.6 кБит/с, как в сети GSM второго поколения. Фактическая скорость передачи зависит от скорости кодирования, причем максимально достижимая скорость передачи в течение одного временного слота составляет 21,4 кБит/с, что соответствует общей скорости передачи для 4-слотовых терминалов 85,6 кБит/с, а при объединении 8 тайм-слотов - до 171,2 кБит/с.
Технология EDGE позволяет передавать данные еще быстрее, чем GPRS. Повышение скорости достигается за счет использования нового метода модуляции более высокого уровня (8PSK). Применение такой модуляции в
сочетании с кодированием (как и в случае с GPRS) позволяет скорость передачи данных довести до 384 кБит/с. Однако эта максимальная скорость передачи может использоваться только при соотношении сигнал/шум >20 - то есть на небольших расстояниях от базовой станции.
В настоящее время не существует утвержденных либо рекомендованных к применению методик расчета, моделирования и проектирования сетей 2.5 G, в результате чего Операторы сталкиваются с существенными сложностями при планировании этих сетей.
Сейчас GPRS в России находятся в начальной стадии развития, EDGE не запущен пи на одной сети, хотя сразу несколько крупных операторов GSM заявили о планах запустить сеть EDGE во второй половине 2005 года.
При запуске сетей GPRS все операторы в течение нескольких месяцев
осуществляли бесплатное для абонентов тестирование сетей, в ходе которых
фактически определялись основные характеристики построенных сетей GPRS,
предварительное планирование которых осуществлялось весьма
приближенными методами - как правило, методом экспертных оценок, либо основываясь на стандартных параметрах, предлагаемых поставщиками оборудования и основанных на европейском опыте внедрения сетей 2,5 поколения, которые, зачастую, совершенно не подходят для проектирования сети в России.
Сложности с использованием существующих моделей обусловлены тем, что большинство из них разработано отдельно для сетей с коммутаций каналов (ЬСК) [13,14,17,26,39,40], либо для сетей с коммутацией пакетов (КП) [1,6,14,15,18-20,22,25,29-34,37,38] и не могут быть применены для расчета сетей 2.5 G, являющихся по своей сути сетями с гибридной коммутацией (ГК), реализованной на базе временного разделения каналов [7]. В таких системах весь цикл передачи разбивается на временные канальные интервалы фиксированной длины. Методы и модели, разработанные для сетей с гибридной коммутацией, рассматривают либо системы с фиксированным порогом (ГКФП), при которой каналы тракта жестко распределены между
трафиком в режиме с КК и трафиком в режиме с КП [5], либо, в большинстве своем, для систем с адаптивной коммутацией (АК), в которых порог между КК и КП сообщениями смещается в обе стороны, а также имеется возможность заполнения пауз, появляющихся при передачи составных сообщений в режиме с КК. К таким работам относятся исследования М. Шварца, Л.Н. Назарова В.М. Вишневского, Л,И. Ляхова [3,12,35,36,42], в которых приводятся методики оценки трафика с коммутацией пакетов, либо адаптивной коммутацией, не применимые в чистом виде для сетей GSM с GPRS.
Данные методы не могут быть применены для сетей GSM 2.5 поколения, так как в этих сетях порог между каналами, занятыми под передачу сообщений с КК и КП может изменяться только в одну сторону — каналы, занятые под передачу КК сообщений могут заниматься под сообщения с КП, однако КК сообщения имеют приоритет над КП сообщениями причем возможны случаи, когда под передачу пакетов может быть занято сразу несколько канальных интервалов. Такие системы рассматривались в работах [4,41,51]. В них показана в общем виде возможность использования матричного метода исследования указанных систем массового обслуживания (СМО), который позволяет рассчитать данную систему при различных приоритетных дисциплинах на основе системы интегральных уравнений равновесия, записанной в матричной форме. Этот метод взят за основу в данном диссертационном исследовании и применен для разработки методики расчета и оптимизации трафика для сетей GSM 2,5 поколения.
Отсутствие же методик расчета трафика в сетях GSM 2.5 поколения, пригодных для планирования и инженерных расчетов, результаты которых согласовывались бы с реальными данными, полученными статистическим путем, может привести к ошибкам при планировании и проектировании этих сетей и, в конечном итоге, к значительным потерям инвестиций, построению несбалансированных сетей, не обеспечивающих требуемое качество обслуживания абонентов.
Объектом исследования являются сети сотовой подвижной связи стандарта GSM с GPRS и/или EDGE.
Предмет исследования
Анализ вероятностных характеристик трафика сети GSM 2.5 поколения (с GPRS и/или EDGE), разработка метода расчета нагрузок и качественных характеристик в сетях GSM с GPRS, моделей распределения ресурсов сетей, пригодных для проектирования и инженерных расчетов, разработка алгоритма оптимального распределения ресурсов этих сетей и с целью максимизации доходов от пропуска трафика при заданных качественных характеристиках сетей.
Цель работы
Оптимизация использования ресурсов подсистемы базовых станций сети GSM с GPRS/EDGE для пропуска трафика с гибридной коммутацией.
Основные задачи исследования
исследование и анализ вероятностных характеристик трафика сети с гибридной коммутацией с односторонним смещением порога с постоянной длиной цикла, реализованной на базе временного разделения каналов;
разработка метода расчета трафика и качественных характеристик в сетях GSM с GPRS, пригодных для проектирования и инженерных расчетов
разработка модели оптимального распределения ресурсов подсистемы базовых станций (BSS) сетей,
разработка алгоритма оптимального распределения ресурсов подсистемы BSS сети GSM с GPRS/EDGE между трафиком с коммутацией каналов (КК) и коммутацией пакетов (КП).
- оптимизация конфигурации ресурсов подсистемы BSS для пропуска
трафика с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.
Методы исследования
Основные теоретические и экспериментальные исследования
диссертационной работы выполнены с применением метода моделирования, методов теории массового обслуживания, теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов, теории организации.
Научная новизна работы
В работе впервые:
применен метод описания состояния системы с помощью дифференциальных уравнений для оценки качественных характеристик для сети GSM с GPRS;
разработана математическая модель расчета трафика сети с гибридной коммутацией с односторонним смещением порога;
разработан алгоритм оптимального распределения ресурсов между КК и КП сообщениями в сети GSM 2.5 поколения, обеспечивающий максимизацию дохода от пропуска трафика;
- применена разработанная модель для оптимизации конфигурации
ресурсов подсистемы BSS для пропуска КК и КП трафика в сети GSM с
GPRS ЗАО «СМАРТС» в Самарской области.
Практическая ценность и реализация результатов работы
В работе предложен новый метод инженерных расчетов трафика сети GSM GPRS, па основе которого разработан алгоритм оптимизации распределения радиоресурсов сети GSM GPRS, позволяющий уменьшить
капитальные затраты на построение сети и повысить качество обслуживания абонентов.
Разработанная в работе модель расчета трафика сети GPRS позволяет рассчитать сеть GPRS на этапе проектирования.
Разработанный в работе алгоритм оптимизации ресурсов подсистемы базовых станций (BSS), а также метод расчета трафика сети GPRS приняты к использованию оператором ЗАО «СМАРТС», предоставляющим услуги сотовой связи в стандарте GSM-900/1800 на территории Центрального, ириволжско-Уральского, Южного укрупненных Федеральных округов.
Апробация работы
Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на XII Российской научно-технической конференции ПГАТИ (Самара, 2005г.), V юбилейной Всероссийской научной конференции «Наука, Бизнес, Образование» (Самара, 2002г.), XV Межрегиональном семинаре руководителей и сотрудников предприятий, входящих в группу компаний «СМАРТС» (Сочи 2004г.).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 8 опубликованных работах. Публикации включают 2 тезисов докладов, б статей в научных изданиях.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы включает 99 страниц. Общий объем работы, включая приложения 137 страниц. В
приложениях приведены исходные данные и результаты расчетов, а также разработанные программы и документы, подтверждающие внедрение.
Положении, выносимые на защиту
математическая модель расчета трафика сети с гибридной коммутацией с односторонним смещением порога;
метод инженерных расчетов нагрузки в сети GSM 2.5 поколения с гибридной коммутацией;
модель оценки качественных характеристик для сети GSM GPRS;
алгоритм оптимального распределения ресурсов между КК и КП сообщениями в сети GSM 2.5 поколения.
Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM
В результате анализа различных вариантов построения цифровых сотовых систем подвижной связи (ССПС) в стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров показана на рис. 1.2. Длина периода последовательности в этой структуре, которая называется гиперкадром, равна Тг - 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Тс = 12533,76/2048 - 6,! 2 с.
Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров: 1) 26-позиционные TDMA кадры мультикадра; 2) 51-позиционные TDMA кадры мультикадра.
Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 мультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответственно: 1)Тм= 6120/51 = 120 мс; 2) Тм = 6120/26 = 235,385 мс (3060/13 мс). Длительность каждого TDMA кадра: Тк= 120/26 = 235,385/51 -4,615 мс (60/13 мс).
В периоде последовательности каждый TDMA кадр имеет свой порядковый номер (NF) от О до NFmax, где NFmax = (26x51x2048) -1 = 2715647.
Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA кадров. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется Требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр. TDMA кадр делится на восемь временных позиций с периодом:
То - 60/13:8 = 576,9 мкс (15/26 мс)
Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами, -время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым Информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным.
Цифровой информационный поток представляет собой
последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах — тайм слотах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.
Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью 270,833 кБит/с. Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бит.
Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс.
Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу длительностью 1/4 бита, присвоен номер 156. Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA кадра используются пять видов временных интервалов (окон):
NB используется для передачи информации по каналам связи и управления, за исключением канала доступа RACH, Он состоит из 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) в 8,25 бит длительностью 30,46 мкс. Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени.
В состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком того, содержит ли передаваемая группа речевую информацию или информацию сигнализации (на рисунке не показаны). В последнем случае информационный канал (Traffic Channel) "украден" для обеспечения сигнализации.
Между двумя группами зашифрованных бит в составе NB находится обучающая последовательность из 26 бит, известная в приемнике. С помощью этой последовательности обеспечивается:
- оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи. Конечно, речь идет только об оценке связи, а не о точных измерениях, так как проверяется только часть передаваемой информации. Параметр RXQUAL используется при вхождении в связь, при выполнении процедуры "эстафетной передачи" (Handover) и при оценке зоны покрытия радиосвязью;
- оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера в тракте приема;
- определение задержек распространения сигнала между базовой и подвижной станциями для оценки дальности связи. Эта информация необходима для того, чтобы пакеты данных от разных подвижных станций не накладывались при приеме на базовой станции. Поэтому удаленные на большее расстояние подвижные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции. FB предназначен для синхронизации по частоте подвижной станции. Все 142 бита в этом временном интервале - нулевые, что соответствует немодулированной несущей со сдвигом 1625/24 Кгц выше номинального значения частоты несущей.
Математическая модель оптимального распределения ресурсов подсистемы базовых станций сети GSM с GPRS и EDGE для передачи пакетных и голосовых сообщений
Однородный транзитивный марковский процесс x(t), описывающий работу данной системы, можно определить над следующим пространством состояний: Q = {( ,,fr2)/), =0,s,k2 =Q,s-kltl = 0,m}t (2.1) где kt - суммарное число требований первого потока, находящихся на обслуживании, к, - суммарное число требований второго потока, находящихся на обслуживании, / - число требований второго потока в очереди.
В связи со специфическими особенностями показательного закона состояние системы в некоторый момент времени вполне определяется числами ,,,,/. Действительно, вероятность того, что следующее требование поступит в момент t+u, и вероятность того, что обслуживание требования, находящегося в тайм-слоте, окончится в момент t + v, не зависят от течения рассматриваемого процесса массового обслуживания в прошлом.
Следовательно, прогноз будущего течения процесса при условии, что известно число требований, находящихся в системе в момент t, не может быть улучшен дополнительными сведениями о прошлом этого процесса. Иначе говоря, процесс x(t) является марковским.
Выведем соответствующую матрицу перехода.
Рассматриваемая СМО (рис.2.1) может находиться в четырех типах состояний. Каждое из подмножеств состояний рассмотрим отдельно. I. k}=0,s-rt-\, =0, - -1, / = 0. 2. А-, = 0, s —«— 1, k2-s-kx, / = 0,ш, 3. ki=s-n, k2=0,n \f / = 0, 4. k -s-n, к2-п, I-0, т.
1. Обозначим через Ек к j состояние, при котором в системе находятся А-, требований первого потока, к: требований второго потока, / требований второго потока находятся в очереди. В интервале (t,t + dt) могут произойти следующие переходы:
Пусть Ркік,і(0, /r,=0,5-n-l, /:2 =0,5-Аг, 1, / = 0, безусловная вероятность состояния []Ц в момент /; легко получить вероятности интервале dt, а деЛ - вероятность окончания обслуживания требования первого потока в этом интервале, когда , (). Аналогично X dt — вероятность поступления требования второго потока в интервале dt, а f-Цйі — вероятность окончания обслуживания требования второго потока в этом интервале, когда кг 0
Вероятности / ,( =0, 2=0,5-/:,,/ = 0,/)0 можно однозначно определить, решив систему уравнений {(2.2), (2.3), (2.4), (2.5), (2.6)} любым методом, например методом Гаусса или Крамера. Зная Рк к і, нетрудно определять следующие основные характеристики смешанной системы массового обслуживания:
Вероятность потерь речевых вызовов тг,, которая равна вероятности того, что все s-и не зарезервированные для GPRS каналы заняты речевыми вызовами: } т Ж\ = 2-і 2-і "а-пЛ-,,/ ( п\ A,=0/=0 \ ) 7С2 вероятность потерь пакетов % равную вероятности того, что все т мест ожидания в очереди заняты: s-n ж. = У Р 2 - ZJ l h m (2.8) it 1=0 среднюю длину очереди пакетов: И=Х/ХХ,-и; (2.9) /=1 А-1=0 суммарную пропущенную нагрузку, равную среднему числу занятых каналов: У = у](\-тг]) + у2(\-л2), (2.10) где ; , = Л,///,, v2= ///2.
Расчет среднего времени ожидания подробно изложен в [43], поэтому не требует отдельного исследования.
Применение данного математического аппарата позволяет структурировать отказы сети, создав иерархическую структуру, распределяющую сообщения по приоритетам в зависимости от различных критериев и фактических условий состояния системы. Такая структуризация позволяет создать комплекс целевых функций, обеспечивающих максимизацию использования ресурсов сети путем решения многокритериальной оптимизационной задачи.
В данной работе такая многокритериальная задача решается путем выбора главного критерия - максимальный доход и перевода такого критерия, как соблюдение нормативного качества предоставления услуг передачи речевой информации в разряд ограничений.
Универсальность разработанного математического аппарата обеспечивает возможность его использования для решения аналогичных задач, предусматривающих выбор в качестве основного других критериев, например, объем трафика, пропускаемый сетью или качество предоставления услуг.
Алгоритм работы имитационной модели
Рассмотрим применение разработанной в настоящем диссертационном исследовании модели оптимального распределения ресурсов подсистемы базовых станций сети GSM с GPRS и EDGE для передачи пакетных и голосовых сообщений.
Применение разработанного в диссертации метода оптимизации распределения ресурсов подсистемы базовых станций представлено на примере проекта внедрения услуг GPRS на сети сотовой связи стандарта GSM ЗАО «СМАРТС» в Самарской области. Отметим, что ряссматриваемый пример не является специфичным. Аналогичные задачи можно решать для всех предприятий, предоставляющих услуги мобильной связи в стандарте GSM и реализовавших на своей сети услуги GPRS или EDGE.
Рассмотрим постановку задачи оптимизации распределения ресурсов подсистемы базовых станций для достижения максимального дохода предприятия от пропуска трафика и ее решение с помощью разработанного в настоящей диссертации метода.
Деятельность оператора сотовой связи на региональных рынках России происходит в условиях олигополии при наличии трех, четырех (в последнее время и более) конкурентов-операторов сотовой связи [8]. В такой ситуации изменение тарифной (ценовой) политики одним из операторов приводит к необходимости ответных мер со стороны других операторов. Особенно острой является конкуренция в области тарифов на речевой трафик. Конкурентная обстановка в области услуг передачи данных и мультимедийных услуг в настоящее время не является столь жесткой [9,11]. В условиях меняющейся макро- и микросреды предприятия, насущной становится проблема оптимизации нагрузки, пропускаемой сетью, учитывая особенности тарифной политики, а также возможность оперативного влияния на тарифы, опираясь на имеющиеся ресурсы сети. Оперативность и правильность принятия решений, полностью определяет устойчивость положения и перспективы развития оператора на рынке сотовой связи региона.
В силу вышесказанного, как на стадии предпроектного исследования инвестиционных возможностей проекта по строительству сети GPRS, так и на эксплуатационной фазе, чрезвычайно актуальной является задача разработки методических подходов принятия управленческих решений в сфере оптимизации распределения ресурсов между речевым и пакетным ірафиком [28]. Актуальность разработки методического подхода также состоит в том, что он будет являться основой решения задач планирования подсистемы BSS, что позволит: 1. Максимизировать доход предприятия на основе оптимизации ресурсов сети. 2. Выработать меры по компенсации негативных воздействий внешней и внутренней среды оператора сотовой связи. 3. Моделировать решения, позволяющие максимально использовать потенциал и имеющиеся ресурсы сети. 4. Повысить устойчивость сети к перегрузкам [21,23].
Сеть ЗАО «СМАРТС» построена по звездообразному принципу с центром в г. Самара. На момент начала исследования на сети установлено 18 центров коммутации мобильной связи (MSC) в г.г. Самара, Тольятти, Казань, Набережные Челны, Йошкар-Ола, Чебоксары,
Иваново, Ярославль, Саранск, Пенза, Уфа, Оренбург, Саратов, Астрахань, Волгоград, Элиста, Краснодар, Сочи, 35 контроллеров базовых станций (BSC), около 1200 базовых станций, работающих в диапазоне 900 и 1800 МГц. Общая монтированная емкость сети 2.520.000 абонентов. Также в г. Самара установлены IN-платформа, GPRS Core (SGSN и GGSN) SMS-центр, голосовая почта (VMS). Эти услуги предоставляются в сетях других регионов по арендованными цифровыми междугородными каналам.
Как видно на рис.4.1, сеть GSM 2,5G ЗАО «СМАРТС» в
Поволжском регионе имеет звездообразную структуру и фактически состоит из двух частей — сеть с коммутацией каналов (сеть MSC) и сеть с коммутацией пакетов (сеть GPRS) с общей подсистемой базовых станций (BSS). В центре звезды сети с коммутацией каналов расположен MSC г. Самара, которому подключены MSC всех регионов и который выполняет опорно-транзитные функции, и функции шлюза для подключения всех MSC к транзитной сети GSM (сеть ЗАО «МТТ»). Каждый из MSC в свою очередь подключается к АМТС своей зоны, а также к ТФОП и к сетям GSM других операторов на местном уровне. В центре звезды сети с коммутацией пакетов (КП) располагается SGSN (г. Самара), к которому подключены PCU, расположенные в регионах, а также GGSN, выполняющий роль шлюза во внешние сети с пакетной коммутацией и система управления, с помощью которой происходит управление всей сетью КП.
В настоящее время на территории Самарской области сеть GPRS ЗАО «СМАРТС» работает со схемой кодирования CS1 и CS2, Расчет произведем для схемы кодирования CS2 - то есть скорость передачи данных составляет 13,4 кБит/с на один тайм-слот. В связи со значительной загрузкой подсистемы базовых станций речевым трафиком, а также отсутствием каких-либо методик по оптимизации подсистемы BSS для передачи КК и КП трафика на этапе ввода сети GPRS в эксплуатацию, принят следующий алгоритм закрепления тайм-слотов на базовых станциях за GPRS-трафиком: если речевая нагрузка с і-той соте ниже, чем 80 % от пропускной способности TRX-ов в этой соте, то за пакетным трафиксм закрепляется один тайм-слот, в противном случае за пакетным трафиком тайм-слотов не закрепляется. Применение такого алгоритма объясняется тем, что предоставление услуг GPRS не должно снизить качества предоставления услуг, связанных с передачей голоса, так как на момент запуска сети GPRS долях услуг, связанных с передачей голосового трафика составляет около 80% от общего объема услуг, предоставляемых абонентам.
Однако, этот ачгоритм не является оптимальным, так как не может обеспечить какого-либо гарантированного качества услуг GPRS, а в ЧНН даже самого факта доступности зтих услуг. При этом существующая емкость подсистемы BSS сети ЗАО «СМАРТС» в Самарской области, как будет показано далее, достаточна для передачи как голосового, так и пакетного трафика.
Расчет оптимальной конфигурации ресурсов подсистемы базовых станций для сети GSM с GPRS ЗАО «СМАРТС» Самарской области
Проведем в соответствии с методикой, изложенной в Главе 2 настоящей работы, оптимизацию ресурсов подсистемы BSS для сети ЗАО «СМАРТС в Самарской области.
Для расчета примем исходные данные, приведенные ниже. 1. Удельная абонентская наїрузка (голосовая): - для абонентов, зарегистрированных в HLR - yKKi [1R =0,015 Эрл; - для абонентов, зарегистрированных в VLR - YKKVLR -0,018Эрл. 2. Удельная пакетная абонентская нагрузка абонентов GPRS -Укп =500 Бит/с. 3. Средняя продолжительность разговора - СКк=50 с. 4. Средняя длина пакета GPRS Скп— 420 Байт=3360 Бит. 5. Нагрузка в ЧНН (Yj) в каждой соте всех базовых станций, расположенных в пределах города Самары (Приложение 1). 6. ЧИСЛО ТаЙМ-СЛОТОВ S; в со ге. 7. Максимальная вероятность отказа речевого сообщения на радиоинтерфейсе РккиоРм=5%. 8. Схема кодирования CS-2 - пропускная способность PDCH VKn= 13,4 КБит/с. Рассчитаем удельное число попыток вызовов в ЧНН для голосовых соединений: NmiCA=yKK 3600/CKK=0,015 3600/50=l)08 ед. Тогда интенсивность поступления речевых заявок в і-той соте будет равна: X,= NBIICA N,/3600, где Nj - число абонентов в ЧНН в і-той соте.
Удельное число попыток вызовов в ЧНН для GPRS соединений: NiiniJA =Укп 3600/Скп=500 3600/3360=535,74 ед. Тогда интенсивность поступления пакетов в і-той соте будет равна: 2=NBHDA NG] RSi/3600, где Noi RSi - число абонентов GPRS в ЧНН в і-той соте. Интенсивность обслуживания КХ сообщений: лкк=1/ Скк=0 02 заявки в секунду. Интенсивность обслуживания КП сообщений для CS-2: Икп= VKn/8/ Скп= 13400/8/420-3,99 пакета в секунду.
В каждой соте, имеющей 2 и более TRX есть 2 сигнальных тайм-слота (обрабатывают сообщения ОКС-7 и в расчете не участвуют), поэтому число тайм-слотов в секторе Si=NiTRX 8-2 приведено в таблице 2.1.
В приложении 1 приведены значения максимальной нагрузки по сотам в ЧНН, полученные с помощью программы обработки статистики подсистемы BSS, используемой в ЗАО «СМАРТС». Эти значения принимаются в качестве исходных данных для расчета. Проведем расчет для БСО/02. Исходные данные для БС 0/С2 приведены в табл. 3.1.
Вероятности потери КК и КП сообщений в зависимости от числа (j) тайм-слотов, зарезервированных для пакетного трафика в і-той соте, рассчитанные в соответствии с (2.8, 2.9) приведены в Табл.4.2.
Вероягности потери КК и КП сообщений, приведенные в таблице 4.3, позволяют определить оптимальное число каналов PDCH, зарезервированное под пропуск GPRS/EDGE трафика в каждой соте в зависимости от выбранного критерия оптимизации.
Как видно, результаты, приведенные в таблице 4,3 отличаются от результатов, полученных по результатам имитационного моделирования (табл, 3.2) на ±3%. Это говорит о высокой достоверности результатов, полученных аналитическим и имитационным путем. Графическая интерпретация этих расчетов имеет следующий вид (рис. 4.1).
В соответствии с выбранным критерием оптимальности и целевой функцией (2.11) рассчитаем оптимальное число тайм-слотов в соте, зарезервированное для пропуска КП трафика
При этом на сети действуют следующие ограничения, которые необходимо учесть в расчете: 1. Максимальная вероятность отказа речевого сообщения на радиоинтерфейсе РКк Норм=5%. 2. Максимально 4 тайм-слота PDCH может быть назначено для одного мобильного терминала. 3. Так как GPRS трафик сильно асимметричен, то рассматривается только канал по направлению от БС к абоненту (down link).
4. Схема кодирования CS-2 - просускная способность PDCH VKI1= 13,4КБит/с. Среднее число доступных PDCH в і-той соте определяется разностью общего числа тайм-слотов в соте (Табл 2.1.) к среднему числу тайм-слотов, занятых под передачу КК сообщений, рассчитанному по I формуле Эрланга (к): ПРОСНІ= s- k[ Средняя скорость передачи GPRS трафика в ЧНН на PDCH Vcp (Кбит/с):
Vcpi- NGpRSi yKn І прпсіїі При установке параметров подсистемы BSS в соответствии с (2.11) абоненту обеспечивается гарантированная скорость передачи GPRS трафика, которая определяется как отношение суммарной пропускной способности каналов PDCH на число абонентов GPRS в І-той соте:
