Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ проблемы повышения эффективности функционирования сетей подвижной радиосвязи стандарта GSM 9
1.1. Общая характеристика сотовых систем подвижной радиосвязи стандарта GSM 9
1.2. Требования к качеству обслуживания абонентов в сетях стандарта GSM 11
1.3. Требования к алгоритмам управления ресурсами радиосети 16
1.4. Обобщенныйалгоритм управления радиоресурсами 20
1.5. Постановка задач исследования 24
Глава 2 Математическая модель сети подвижной радиосвязи стандарта GSM 25
2.1 Постановка задачи 25
2.2. Архитектура сети при использовании кластеров различной размерности 28
2.3. Математическая модель радиоканала 32
2.4. Математическая модель внутрисистемных помех 36
2.5. Вероятность обеспечения требуемого отношения сигнал/помеха .44
2.6. Учет вероятности активности помехоопасных радиотаймслотов .48
2.7. Анализ внутрисистемных помех на основе разработанной математической модели 56
2.8. Анализ состояний сети с учетом внутрисистемных помех и абонентской нагрузки на сеть по критериям спектральной эффективности и эффективности использования оборудования 59
Глава 3 Алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM 64
3.1. Постановка задачи 64
3.2 Баланс голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800 66
3.2.1 Определение условий баланса голосового трафика 66
3.2.2 Модель перехода голосового трафика между сонаправленными секторами GSM-900/1800 68
3.2.3 Метод расчета управляющего воздействия 70
3.3. Алгоритм регулирования голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800 78
3.4. Предложения по распределению голосового и пакетного трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800 86
Глава 4. Методика формирования списков соседних сот всетях08м 103
4.1. Постановка задачи 103
4.2. Процесс формирования списков соседних сот в сетях GSM 104
4.3. Метод обнаружения пропущенных NR 107
4.4. Метод обнаружения неэффективных NR 117
4.4. Алгоритм оптимизации списков соседних сот 124
Заключение 126
Список использованных источников 127
Приложения 132
- Требования к качеству обслуживания абонентов в сетях стандарта GSM
- Архитектура сети при использовании кластеров различной размерности
- Баланс голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800
- Процесс формирования списков соседних сот в сетях GSM
Введение к работе
Актуальность работы. Сеть подвижной радиосвязи постоянно развивается в связи с необходимостью внедрения новых услуг связи и повышения их доступности. В то же время в любой действующей сети наблюдаются вариации числа абонентов. Данные факторы вызывают потребность в адекватном изменении емкости сети, что влечет за собой изменение параметров оборудования и (или) конфигурации сети в целом. Поэтому большую практическую значимость приобретает проблема управления радиоресурсами сети.
Опыт эксплуатации сетей стандарта GSM показывает, что при принятии решений по управлению радиоресурсами сети необходимо учитывать сложные многокритериальные зависимости между параметрами оборудования и качеством обслуживания абонентов. В связи с этим для повышения эффективности функционирования сети и качества обслуживания абонентов первостепенное значение приобретает разработка соответствующих алгоритмов управления.
Объектом исследования является двухдиапазонная сеть мобильной связи стандарта GSM.
Предметом исследования является процесс управления ресурсами радиосети.
Цель диссертационной работы состоит в повышении качества обслуживания абонентов действующими сетями подвижной радиосвязи стандарта GSM.
Научная задача заключается в разработке методов и алгоритмов управления радиосетью GSM, основанных на использовании статистических данных о функционировании сети и обеспечивающих пользователям услуги требуемого качества в условиях ограниченного аппаратного и частотного ресурса.
Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории вероятностей, теории массового обслуживания, статистической теории распространения радиоволн; методы математического моделирования, математической статистики, имитационного моделирования. Все математические расчеты выполнены на ЭВМ в программной среде «MathCAD-2003».
Достоверность полученных результатов обеспечена адекватным применением математических методов, корректностью постановок задач, вводимых допущений, ограничений и формулировок выводов, адекватностью применяемых моделей физическим процессам в ССПО. Достоверность научных положений подтверждена соответствием полученных результатов известным научным данным, а также успешным практическим применением в действующей ССПО СЗФ ОАО «МегаФон».
Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые получены следующие новые результаты.
Сформулированы требования к алгоритмам управления радиоресурсами на основе использования результатов радиоизмерений и сетевой статистики.
Разработана математическая модель сети подвижной радиосвязи стандарта GSM, связывающая показатели качества работы сети с ее эксплутационными характеристиками и абонентской нагрузкой.
Выполнена оценка внутрисистемных помех для сетей различной конфигурации на основе разработанной математической модели.
Проведен сравнительный анализ состояний сети с учетом внутрисистемных помех и абонентской нагрузки на сеть по критериям спектральной эффективности и эффективности использования оборудования.
Разработан алгоритм регулирования голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900 и GSM-1800, основанный на оценке текущего дисбаланса трафика и расчете порога срабатывания Umbrella-хэндовера.
6. Разработан алгоритм оптимизации списков соседних сот,
учитывающий текущие размеры списков и использующий специальную
сетевую статистику.
Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы операторами при принятии решений по развитию действующих сетей подвижной радиосвязи стандарта GSM и их настройке.
Полученные результаты также могут быть использованы в учебных курсах, посвященных планированию и оптимизации сетей подвижной радиосвязи стандарта GSM.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в практическую эксплуатационно-техническую деятельность Северо-Западным филиалом ОАО «МегаФон», в ОКР ФГНУ ГНЦ «Наука» и в учебный процесс СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича
Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 3-й международной НТК "Техника и технология связи" (Одесса, 2001), международной НТК ICC2001, ЛЭТИ (СПб, 2001), 6-й НТК "Компьютерные технологии, коммуникации, численные методы и математическое моделирование", СПбГТУ (СПб, 2001), на Российской школе-конференции «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых ученых и преподавателей (Москва, 2006); 54-й, 57-й, 58-й, 59-й и 60-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (СПб, 2002,2005,2006, 2007, 2008).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 87 наименований, и приложений. Работа содержит 144 страницы текста, 44 рисунка и 19 таблиц.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель сети подвижной радиосвязи стандарта GSM, связывающая показатели качества работы сети с ее эксплуатационными характеристиками и абонентской нагрузкой.
Алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM, основанные на результатах сетевых измерений, учитывающие архитектуру, принципы планирования и методы управления трафиком.
Методика формирования списков соседних сот в сетях GSM, обеспечивающая надежность, производительность и возможность высокой степени автоматизации.
Требования к качеству обслуживания абонентов в сетях стандарта GSM
Под качеством обслуживания абонентов (QoS), согласно определению СС1ТТ (International Telegraph and Telephone Committee Consultative Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии) [5], понимается суммарный эффект от параметров обслуживания, который определяет степень удовлетворения пользователя услугами связи. Стандартизация требований к QoS в Европе проводится ETSI [34-38]. Требования к качеству предоставления наиболее популярных услуг в сетях подвижной связи GSM и 3G, а также рекомендации по определению критериев их оценки и методам измерения QOS содержатся в техническом стандарте ETSI TS 102 250 [37]. С точки зрения абонента можно выделить четыре основных требования к услугам связи: доступность, непрерывность связи, скорость установления соединения, качество передачи речи (данных). Для проверки качества передачи речи между конечными пользователями обычно используют метод субъективного тестирования качества речи, при котором слушатели выставляют оценки по шкале средней экспертной оценки MOS (Mean Opinion Score) - табл. 1.4. Анализ жалоб абонентов на технические аспекты обслуживания позволяет сделать выводы о неудовлетворительном качестве передаваемой речи, обрывах связи, невозможности выполнить соединение на том или ином участке сети.
Но для устранения причин возникновения претензий субъективной оценки явно недостаточно. Поэтому требования к QoS сети задаются в виде показателей качества обслуживания абонента - численных характеристик услуг связи (табл. 1.5) [5]. ЗАО "Институт сотовой связи" совместно с ФГУП ЛОНИИС был разработан руководящий документ отрасли Министерства РФ по связи и информатизации РД 44.254-2002. «Нормы на показатели качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний» [15], устанавливающий единые нормы на показатели качества услуг ССПО независимо от стандарта. В соответствии с этим документом определены следующие нормативы на показатели качества услуг связи (табл. 1.6). Согласно [15] нормальный уровень - это уровень, минимально необходимый для обеспечения качества услуг; высокий уровень - уровень, рекомендуемый для повышения качества услуг. Реальные технические показатели качества в действующей сети рассчитываются на основе анализа сетевой статистики и результатов радиоизмерений. Классификация показателей качества приведена на схеме рис. 1.1.
Архитектура сети при использовании кластеров различной размерности
В качестве основы для моделирования используем сеть с идеальной гексогональной топологией: базовые станции (BS) распределены равномерно в пределах сети, количество приемопередатчиков (TRX) в секторах BS одинаково, параметры оборудования (мощности передатчиков, чувствительности приемников, высоты подвеса антенн) идентичны для всех BS сети. Распределение абонентов в зоне обслуживания сети также предполагается равномерным. На рис. 2.1-2.3 представлены фрагменты сетей на основе типовых кластеров, используемых в сетях стандарта GSM. Соты с одинаковыми номерами (рис. 2.1-2.3) используют одинаковые частотные каналы ВССН и попВССН [86]. Это позволяет говорить о группах частотных каналов, составляющих ВССН- и попВССН-слои. того в кластере 4x12 расстояние от MS до мешающих BS (r]0,r20,r30)зависит от способа стыковки кластеров (рис. 2.4) и азимута антенны конкретной соты (рис. 2.5). На рис. 2.5 крест накрест заштрихованы обслуживающие соты с разными азимутами — BSo и BS o, а диагональной штриховкой разного направления обозначены сектора помехоопасные для абонентов для BSo и BS o Расстояния между рассматриваемой мобильной станцией (MSo) и мешающими базовыми станциями (BSi, BS2) для разных типов кластеров приведены в табл. 2.1 Следует отметить, что данные табл. 2.1. справедливы только в рамках используемой модели, в реальной же сети расстояния между BS и азимуты секторов будут в значительной мере случайны.
Здесь г - расстояние от BS до геометрического центра соты; г0о - расстояние между MS0 и обслуживающей BSol По, 20 зо - расстояния между MSo и мешающими BSi, BS2 и BS3 соответственно; vl и v2 - способы стыковки кластеров типа 4x12 (рис.2.4) В процессе моделирования необходимо оценить зависимость характеристик от типа используемого кластера. Справедливость результатов моделирования сети подвижной радиосвязи в значительной степени зависит от адекватности использованной модели радиоканала характеристикам среды распространения сигнала и указанным в стандарте параметрам работы оборудования. В системе подвижной радиосвязи стандарта GSM среда распространения может оказывать следующее воздействие на переданный радиосигнал: - средние потери (ослабление) на трассе распространения BS- MS; - медленные замирания, обусловленные затенением трассы распространения естественным рельефом местности, застройкой, растительностью и т.п.; - быстрые замирания, обусловленные многолучевым распространением, случайностью времени задержки, начальной фазы и доплеровского сдвига отдельных многолучевых компонент принимаемого сигнала [52]. В рамках решаемых задач главенствующее значение имеют первые 2 типа воздействия. Поэтому в целях упрощения модели радиоканала и без ущерба для ее точности исключим из рассмотрения быстрые замирания сигнала при приеме. Структурная схема радиоканала показана на рис.2. 6. Средние потери (PL) и медленные замирания (FL) определяются общей структурой трассы распространения, и их статистические характеристики слабо изменяются в пределах относительно больших участков зоны обслуживания сети. В соответствии с [80] будем рассматривать медленные замирания сигнала как результат влияния среды распространения в ближней зоне приемника (FLnear) и в дальней зоне приемника {FLfar). В зависимости от того, какой канал связи рассматривается, нисходящий (BS-»MS) или восходящий (MS—»BS), ближней зоной может служить локальная область вблизи MS или BS соответственно. Продукт мультипликативного воздействия средних потерь и медленных замираний представим произведением Принимая гипотезу о логарифмически-нормальном законе медленных замираний, рассмотрим канал BS- MS: at, b - весовые коэффициенты ближней и дальней зоны соответственно. Исследования [80] подтвердили правомерность гипотезы о равновесном и некореллированном характере медленных замираний в ближней и дальней зонах приемника Средние потери сигнала на трассе распространения PL будем оценивать с использованием статистических моделей Окамура-Хата (Rec. ITU-R P.529-2) [45] и COST231-XaTa [2] для диапазонов 900 и 1800 МГц соответственно. Расчетные уравнения моделей для различных территориальных зон и дополнительных условий приведены в табл. 2.2.
Баланс голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800
Представлены фрагменты сетей на основе типовых кластеров, используемых в сетях стандарта GSM. Соты с одинаковыми номерами (рис. 2.1-2.3) используют одинаковые частотные каналы ВССН и попВССН [86]. Это позволяет говорить о группах частотных каналов, составляющих ВССН- и попВССН-слои. того в кластере 4x12 расстояние от MS до мешающих BS (r]0,r20,r30)зависит от способа стыковки кластеров (рис. 2.4) и азимута антенны конкретной соты (рис. 2.5). На рис. 2.5 крест накрест заштрихованы обслуживающие соты с разными азимутами — BSo и BS o, а диагональной штриховкой разного направления обозначены сектора помехоопасные для абонентов для BSo и BS o Расстояния между рассматриваемой мобильной станцией (MSo) и мешающими базовыми станциями (BSi, BS2) для разных типов кластеров приведены в табл. 2.1 Следует отметить, что данные табл. 2.1. справедливы только в рамках используемой модели, в реальной же сети расстояния между BS и азимуты секторов будут в значительной мере случайны. Здесь г - расстояние от BS до геометрического центра соты; г0о - расстояние между MS0 и обслуживающей BSol По, 20 зо - расстояния между MSo и мешающими BSi, BS2 и BS3 соответственно; vl и v2 - способы стыковки кластеров типа 4x12 (рис.2.4) В процессе моделирования необходимо оценить зависимость характеристик от типа используемого кластера. Справедливость результатов моделирования сети подвижной радиосвязи в значительной степени зависит от адекватности использованной модели радиоканала характеристикам среды распространения сигнала и указанным в стандарте параметрам работы оборудования. В системе подвижной радиосвязи стандарта GSM среда распространения может оказывать следующее воздействие на переданный радиосигнал: - средние потери (ослабление) на трассе распространения BS- MS; - медленные замирания, обусловленные затенением трассы распространения естественным рельефом местности, застройкой, растительностью и т.п.; - быстрые замирания, обусловленные многолучевым распространением, случайностью времени задержки, начальной фазы и доплеровского сдвига отдельных многолучевых компонент принимаемого сигнала [52]. В рамках решаемых задач главенствующее значение имеют первые 2 типа воздействия. Поэтому в целях упрощения модели радиоканала и без ущерба для ее точности исключим из рассмотрения быстрые замирания сигнала при приеме. Структурная схема радиоканала показана на рис.2. 6. Средние потери (PL) и медленные замирания (FL) определяются общей структурой трассы распространения, и их статистические характеристики слабо изменяются в пределах относительно больших участков зоны обслуживания сети. В соответствии с [80] будем рассматривать медленные замирания сигнала как результат влияния среды распространения в ближней зоне приемника (FLnear) и в дальней зоне приемника {FLfar). В зависимости от того, какой канал связи рассматривается, нисходящий (BS-»MS) или восходящий (MS—»BS), ближней зоной может служить локальная область вблизи MS или BS соответственно. Продукт мультипликативного воздействия средних потерь и медленных замираний представим произведением Принимая гипотезу о логарифмически-нормальном законе медленных замираний, рассмотрим канал BS- MS: at, b - весовые коэффициенты ближней и дальней зоны соответственно. Исследования [80] подтвердили правомерность гипотезы о равновесном и некореллированном характере медленных замираний в ближней и дальней зонах приемника Средние потери сигнала на трассе распространения PL будем оценивать с использованием статистических моделей Окамура-Хата (Rec. ITU-R P.529-2) [45] и COST231-XaTa [2] для диапазонов 900 и 1800 МГц соответственно. Расчетные уравнения моделей для различных территориальных зон и дополнительных условий приведены в табл. 2.2.
Процесс формирования списков соседних сот в сетях GSM
Учитывая требования к качеству обслуживания абонентов, можно выделить следующие функциональные задачи, решаемые в процессе принятия решений по развитию сети подвижной радиосвязи: 1. Обеспечение уверенного радиопокрытия в зоне обслуживания сети. 2. Увеличение пропускной способности сети. 3. Расширение набора услуг. 4. Обеспечение требуемого качества обслуживания. Решение этих задач осуществляется с помощью управления радиоресурсами. Существует два основных способа воздействия оператора на радиосеть: 1. «Жесткие» изменения на уровне количества, типа и конфигурации базового оборудования: количество базовых станций (BS) и сот, конфигурация сот (число приемопередатчиков), тип оборудования BS (мощность, пропускная способность, массогабариты, энергопотребление и т.д.), дизайн и параметры антенно-фидерных устройств (типы антенн, азимуты, углы наклона и т.д.). Данный способ наиболее эффективен, но и наиболее затратен. Востребованность перечисленных механизмов коррекции зависит от бизнес-модели, используемой оператором связи. 2. «Мягкие» изменения на уровне параметров работы оборудования и функциональности подсистемы BS (BSS): коррекция основных параметров работы оборудования (мощности передатчиков, уровни доступа в сеть и т.п.), включение и настройка дополнительных функций BSS - HR, прыжки по частоте (FH — frequency hopping), расширение сот (extended cell) и т.д. Данный способ более доступен и широко используется вне зависимости от бюджета технического развития оператора.
Наибольшая техническая эффективность алгоритмов управления радиоресурсами обеспечивается планомерным использованием обоих механизмов. При выборе способа воздействия на сеть первоочередной задачей является анализ QoS (рис. 1.2) Исходными данными как для анализа QoS, так и для принятия решений по развитию сети являются: 1. Параметры конфигурации (частотный ресурс, выделенный оператору AFN, размерность используемого кластера (группы сот, в пределах которой повторное использование одних и тех же частотных каналов недопустимо из-за превышения порогового уровня взаимных помех) (Sx К). 2. Показатели качества (вероятность блокировки вызова Ры, отношение сигнал/помеха С/Т). Типовое значение Ры для сетей связи общего пользования составляет 2%. 3. Показатели эффективности функционирования сети (общая абонентская нагрузка на сеть TN, спектральная эффективность SE). Показатели качества и функционирования сети определяются на основе данных радиоизмерений и сетевой статистики. Радиоизмерения в сетях GSM/(E)GPRS выполняют с использованием специализированных измерительных комплексов. Наиболее часто операторы применяют комплексы Ericsson TEMS, Nemo, Agilent и др. Однако, формат драйв-теста не позволяет говорить о статистической репрезентативности сделанных измерений. Поэтому такие радиоизмерения обычно используют только для целевой диагностики проблем качества обслуживания на отдельных участках зоны охвата сети.
При принятии решений по управлению радиосетью необходимо использовать более достоверные данные, т.е. опираться на данные сетевой статистики BSS. Каждый показатель качества обслуживания (табл. 1.5) характеризуется одним или несколькими показателями качества работы сети. Структура показателей качества выбрана таким образом, чтобы отразить долю неуспешных попыток соединений с сетью на различных этапах звонка. Для определения производительности сети и выявления «узких» мест сети GSM используется несколько групп индикаторов BSS: ключевые показатели качества (KPI - key performance indicators); технические показатели качества (PI - performance indicators), являющиеся составными частями KPI; сетевые счетчики. KPI отражают общее состояние сети и предназначены для оценки эффективности функционирования сети с позиций менеджмента. К ним относится доля вызовов, окончившихся разъединением установленного соединения не по инициативе абонента, средний интервал между обрывами связи, число обрывов на Эрланг и т.п. К техническим показателям качества относят любые характеристики работы сети, используемые инженерным персоналом в процессе развития и эксплуатации сети. В свою очередь все показатели качества опираются на счетчики событий, каждый из которых имеет название и собственный уникальный номер в базе данных подсистемы управления и поддержки (OSS - Operating and Support Subsystem). Например, в BSS Nokia, ключевой показатель качества, характеризующий блокировки канала трафика (TBL - ТСН Blocking Level) определяется как
Похожие диссертации на Алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM
