Содержание к диссертации
Введение
1. Системы определения местоположения абонентов в сетях подвижной сотовой связи 14
1.1 Методы определения местоположения абонентов сетей сотовой связи стандарта GSM 14
1.2 Влияние систем определения местоположения на сеть сотовой связи и на мобильные терминалы 34
1.3 Системы определения местоположения на основе GPS 39
Выводы 45
2. Передача информации в системах диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов 46
2.1 Структурные схемы диспетчерского центра системы и терминальных модулей 46
2.2 Методы управления множественным доступом к среде передачи данных 65
2.3 Синхронизированная передача SMS-сообщений.. 72
Выводы 78
3. Анализ эффективности синхронизированной передачи SMS-сообщений методами теории систем массового обслуживания 79
3.1 Элементы теории систем массового обслуживания 79
3.2 Расчет среднего времени передачи SMS-сообщений в сети GSM .90
3.3 Расчет среднего времени синхронизированной передачи SMS-сообщений в сети GSM 99
3.4 Анализ полученных аналитических результатов средствами имитационного моделирования ...120
Выводы 128
4. Результаты использования синхронизированной передачи SMS-сообщений 129
4.1 Оценка времени доставки SMS-сообщений в сети GSM 129
4.2 Оценка нагрузки на каналы сигнализации в сети GSM 139
4.3 Анализ длительность доставки телематических сообщений при обычном и синхронизированном способе доставки 143
4.4 Анализ степени вариации длительности доставки телематических сообщений при обычном и синхронизированном способе доставки 152
4.5 Результаты эксперимента по использованию синхронизированной передачи SMS-сообщений 157
Выводы 159
Заключение 161
Библиографический список использованной литературы 164
- Влияние систем определения местоположения на сеть сотовой связи и на мобильные терминалы
- Методы управления множественным доступом к среде передачи данных
- Расчет среднего времени передачи SMS-сообщений в сети GSM
- Оценка нагрузки на каналы сигнализации в сети GSM
Введение к работе
Актуальность, Во многих современных распределенных информационных системах ключевую роль играет информация о местоположении различных подвижных объектов. К таким системам относятся системы диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов, интеллектуальные транспортные системы, системы подвижной сотовой радиосвязи и др. По прогнозам ITU в ближайшие пять лет рост рынка таких систем будет составлять около 25% в год. Растущий интерес к системам определения местоположения подвижных объектов не в последнюю очередь обусловлен широким распространением сетей подвижной сотовой связи (в особенности на производстве [6]), для которых принцип определения-местоположения абонента является ключевым, наряду с принципом повторного использования частот. С другой стороны, для внедрения новых приложений в системах сотовой связи поколений 2,5G и 3G необходимо использовать дополнительные ресурсы. Прежде всего, речь идет об использовании информации о местоположении абонента. Согласно многочисленным исследованиям в области развития рынка услуг подвижной связи определение местоположения будет одной из ключевых функций; на базе которой будут формироваться услуги нового поколения.
Сочетание таких факторов, как широкое распространение, приемлемая стоимость услуг и абонентских терминалов, наличие базовых функций определения местоположения," возможность двусторонней передачи данных, обусловило широкое применение сетей сотовой связи в системах определения местоположения подвижных объектов. В настоящей работе рассматриваются сети стандарта GSM, получившие наиболее широкое распространение (свыше 70% абонентов сетей сотовой связи в мире и свыше 90% в России используют именно этот стандарт). Для сетей GSM предлагается множество различных методов и технологий определения местоположения абонентов [1, 3, 7]. Эти методы_ отличаются различным
влиянием на инфраструктуру сети и на абонентские терминалы. Различные методы также обладают различной точностью определения местоположения. При. выборе метода определения местоположения необходимо в первую очередь учитывать следующие основные моменты:
необходимую точность определения местоположения;
возможность (в практическом смысле) необходимой модернизации сетевой инфраструктуры и абонентских терминалов;
текущие затраты, связанные с занятием трафиковых и сигнальных каналов сети.
Для широкого класса систем диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов с учетом указанных факторов был выбран метод, основанный на применении сигналов спутниковых навигационных систем GPS, GLONASS, Galileo. Поскольку этот метод единственный из существующих обладает достаточной точностью и не требует доработки сети, он используется в таких популярных системах диспетчеризации-подвижных объектов, как «Алмаз», RussGPS, WEB-Locator. Для применения в подобных системах в настоящее время серийно выпускаются различные телематические- модули, сочетающие приемник спутниковой системы, навигации (обычно GPS) и терминал сотовой связи стандарта GSM. Для передачи информации в центр диспетчеризации, в таких системах используются SMS-сообщения. Выбор такой технологии, обусловлен следующими соображениями:
передача SMS не требует выделения каналов трафика,
используемых, например, для передачи речи;
объем SMS-сообщения - 160 буквенно-цифровых знаков (140
октетов) - вполне достаточен для передачи характерных для
телематических систем объемов информации;
использование SMS более предпочтительно для абонента по
сравнению с передачей речи или данных по финансовым
соображениям;
служба SMS реализована в подавляющем большинстве сетей GSM и действует на всей территории покрытия, как базовый сервис, в отличие от службы пакетной передачи данных GPRS, которая пока предлагается только в крупных, городах, как дополнительная услуга с негарантированным качеством; прием и отправка SMS мобильной станцией возможна практически в любые моменты времени (во время разговора, во время сеанса передачи данных), исключение составляют лишь состояния при хендовере и при начале или завершении вызова, возможны одновременный прием и отправление SMS-сообщений мобильной станцией;
для приема и передачи SMS-сообщений на практике требуется
меньший, уровень приема сигнала базовой сяншцщш, чгйэ
увеличивает в этом смысле зону действия сети сотовой связи.
Технология SMS в последнее время становится все более популярной.
В частности, в 2000 г. по всему миру передавалось около 1 млрд. SMS-
сосбщений в месяц, а в 2002 г. уже свыше 20 млрд. С другой стороны, в
телематических системах обнаруживается спрос на более интенсивный
информационный обмен. Между тем, хотя технология SMS предусматривает
гарантированную доставку SMS-сообщений без искажений, данная
тоснология не гарантирует каких-либо временных параметров доставки SMS-
собщений, что крайне неудобно в телематических системах, где требуется
пер давать, различные экстренные сообщения. Для. обеспечения
неоС'.одимых характеристик времени доставки SMS-сообщений необходимо
оптшизировать алгоритм отсылки сообщений терминальными модулями и
другиіи абонентами сети. Решение этой задачи усложняется следующими
фактории:
необходимость передачи SMS-сообщений в силу характера пользования этой услугой может возникать в произвольные моменты времени у произвольных абонентов;
5"
загрузка инфраструктуры сети GSM неравномерна во времени и
пространстве;
для некоторых классов сообщений-требуется более высокий
приоритет, однако стандартом GSM приоритеты при передаче
SMS-сообщений не предусмотрены;
стандарт GSM не предусматривает какой-либо синхронизации
работы абонентских терминалов;
внесение изменений в программное и аппаратное обеспечение
действующих сетей сотовой связи на практике невозможно. Отсутствие синхронизации осложняет управление потоком сообщений. Однако, в системах определения' местоположения абонентов с использованием систем спутниковой навигации есть надежный' и высокостабильный источник синхронизации - - системное время системы спутниковой pggg88i8FiiJ88: Этот источник синхронизации может быть использован для управления передачей SMS-сообщений. Невозможность на практике модернизировать программное и аппаратное обеспечение действующих сетей сотовой связи предлагается преодолеть путем внедрения -управления передачей SMS-сообщений не на канальном или сеансовом уровнях модели межсетевого взаимодействия, а на высоком уровне,- т. е. на уровне приложения. В этом случае, изменения потребуется вносить только в логику работы программного обеспечения абонентских терминалов.
Цель работы. Разработка научно-обоснованного способа управления передачей SMS-сообщений, обеспечивающего характеристики времени передачи, требуемые в системах диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов, и расчет характеристик времени передачи SMS-сообщений при обычном и вновь разработанном способах передачи. Задачи исследования:
1. . исследование методов определения местоположения
абонентов сетей сотовой связи и существующих стандартов на системы определения местоположения, анализ
действующих систем диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов, анализ методов управления множественным доступом к среде передачи.
разработка способа управления передачей SMS-сообщений по асинхронной сети сотовой связи стандарта GSM с синхронизацией по системному времени спутниковой системы, навигации GPS, разработка функциональных схем телематического модуля и центра диспетчеризации для осуществления' синхронизированной передачи» SMS-сообщений. Разрабатываемый способ управления передачей SMS-сообщений не должен предусматривать изменений в программном и аппаратном обеспечении сети сотовой связи.
разработка методик и алгоритмов расчета характеристик времени передачи SMS-сообщений в асинхронном- и синхронизированном режиме, разработка имитационных моделей для проверки полученных результатов.
анализ и экспериментальная проверка полученных результатов.
Методы исследования. Для получения характеристик времени передачи SMS-сообщений в работе используется математический аппарат теории массового обслуживания, в частности, методы вложенных цепей Маркова, теория марковских и полумарковских процессов. Алгоритмы расчета характеристик, для которых не удается получить аналитическое выражение в явном виде, реализованы на языке MATLAB. Для проверки полученных результатов методами имитационного моделирования использована система GPSS World.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложены методики точного расчета характеристик одноканальных
систем с повторными заявками и с временным разделением канала с
учетом влияния нагрузки от внешних источников;
предложены методики и разработаны алгоритмы численного расчета характеристик многоканальных систем с повторными попытками и с временным разделением канала;
получено в аналитической форме выражение для плотности распределения времени, оставшегося до начала окна передачи в системах с временным разделением канала;
получена формула для преобразования Лапласа распределения времени пребывания заявок в одноканальной системе с различными распределениями времени обслуживания заявок, застающих систему свободной, и заявок, застающих систему занятой ранее поступившими сообщениями.
Практическая ценность и результаты внедрения, В результате проведенных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований разработаны функциональные схемы терминального устройства и центра диспетчеризации системы диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов, реализующие описанный выше метод синхронизированного управления передачей SMS-сообщений. Результаты работы внедрены в системе «Алмаз» ЗАО «Новые технологии телематики» и проходят апробацию в ОАО «Мобильные ТелеСистемы». Результаты внедрения подтвердили практическую ценность разработанных моделей, алгоритмов и методов. Имеются соответствующие акты внедрения. По результатам работы подготовлена и направлена заявка на получение патента «Телематическая система с синхронной передачей информации».
Полученные входе подготовки настоящей работы результаты анализа характеристик времени передачи SMS-сообщений используются в ОАО «Мобильные ТелеСистемы» для контроля качества оказываемых услуг сотовой связи. Предложенный способ управления передачей SMS-сообщений с синхронизацией от систем спутниковой навигации может быть также широко применен в системах сотовой связи 2-го и 3-го поколений для оптимизации использования ресурсов сети со стороны широкого круга
абонентов, имеющих жесткие требования к характеристикам времени передачи SMS-сообщений. На защиту выносятся:
Способ синхронизированной передачи SMS-сообщений на асинхронной сети сотовой связи стандарта GSM, при котором доля сообщений, время доставки которых превышает среднее, уменьшается от 1,5 до 2,5 раз.
Функциональные схемы телематического модуля и центра системы диспетчеризации и мониторинга с синхронизированной, передачей сообщений.
Методики и алгоритмы расчета для характеристик времени передачи SMS-сообщений обычным и синхронным способами.
Результаты анализа характеристик времени передачи SMS-сообщений асинхронным и синхронным способами.
Апробация работы. Материалы, представленные в настоящей работе докладывались на конференции «Мобильная связь в России» 30-31 марта 2004 г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в шести печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 169 страницах и иллюстрированных 49 рисунками и 9 таблицами, а также библиографического списка использованной литературы из 70 наименований.
Влияние систем определения местоположения на сеть сотовой связи и на мобильные терминалы
Стоимость и сроки внедрения систем определения местоположения: зависят от сложности и объема изменений в сети сотовой связи ив мобильных терминалах абонентов. GMLC отвечает за взаимодействие с клиентами системы определения местоположения. В одной PLMN может быть более одного GMLC. GMLC может обращаться к HLR за маршрутной информацией. После авторизации GMLC направляет запросы на определение местоположение на обслуживание MSC.
SMLC выполняет функции остальных компонентов сервера определения местоположения, осуществляет окончательный: расчет координат и точности полученного результата. В сетях GSM возможно два; размещения SMLC: внутри базовой подсистемы и внутри сетевой подсистемы. Для получения необходимых измерений SMLC обращается; к измерительным модулям (Line Measurement Unit — LMU). LMU могут быть двух типов. LMU типа А подключаются по радиоканалу, a LMU типа В по Abis-интерфейсу (аналогично BTS; такие LMU могут также совмещаться с BTS).
SMLC и GMLC могут быть физически совмещены в некотором существующем модуле (например, в MSC), могут размещаться в отдельном модуле или в различных новых модулях. Lh - для взаимодействия с GMLC с HLR: На рис. 1.6 не показан интерфейс Lp, используемый для взаимодействия двух SMLC, если это требуется. В качестве протокола физического уровня для реализации перечисленных интерфейсов используется SS7. На более высоких уровнях применяются МТР и SSCP. А на уровне приложений используется модифицированный вариант BSSAP (используемый также в базовой подсистеме).
Как видим, предусмотренный стандартом уровень интеграции системы определения местоположения в структуру сети GSM, а также используемые при этом интерфейсы, таковы, что построение в действующей сети сотовой связи системы определения местоположения абонентов без участия со стороны оператора невозможно. Это означает, что вопрос целесообразности вложений, выбор метода определения местоположения и сроки внедрения услуг может определять только владелец сети сотовой связи. Рассмотрим подробнее степень влияния различных методов определения местоположения на сеть и на абонентские терминалы. Cell ID-ТА Минимум модернизации сети.Не требуется модернизация терминала.Недорогой способ точногоместоопределения в пикосотах.Оператор обладает правом собственностина информацию о местоположении. Снижение точности по мере увеличения радиуса сот.. Точность может составлять от нескольких сот метров до нескольких километров.
E-OTD Более высокая точность по сравнению спервым методом.Минимальная модернизация терминала (восновном; требуется дополнительноепрограммное обеспечение),Оператор: сети имеет более жесткийконтроль над информацией оместоположении по сравнению с методомA-GPS. Значительная м о дерн изация инфраструктуры сети сотовой свят Разная ТОЧНОСТЬ результатов в зависимости от местоположения базовых станций, пользователя а условий среды распространения радиоволн.
GPS, A-GPS Высокая точность, если абонент находится в зоне прямой видимости спутников GPS (вне помещения)..Для; пользователя и третьих лиц-поставщиков услуг важно то, что оператор сети не является владельцем информации местоопределения. Оператор не имеет правасобственности на информациюм естоопределен ия.Повышенная сложность терминаловподвижной связи.Меньшая. точность при нахожденииабонента внутри помещений и вгородской среде с многоэтажнымизданиями. Метод Cell ID - ТА не требует существенной модернизации сети, поскольку он является изначальной характеристикой сети сотовой связи. Возможно, потребуется модернизировать некоторые приложения для обеспечения услуг местоопределения на базе идентификационного номера соты. Основной недостаток этого метода заключается в низкой точности результатов по сравнению с другими методами. Тем не менее, следует помнить, что для многих услуг местоопределения может и не требоваться высокая точность.
Метод E-OTD предполагает существенную модернизацию сети. Во многих случаях потребуется модернизировать программное обеспечение практически каждого сетевого элемента PLMN. В некоторых случаях потребуется новое оборудование, например, LMU, позволяющие измерить время поступления пакетов данных в эталонный приемник в заданном месте. Тем не менее, метод E-OTD позволяет операторам тщательнее отслеживать использование информации о местоположении по сравнению с методом А-GPS.
Метод A-GPS позволяет максимально точно определить местоположение терминала, если пользователь находится в зоне прямой видимости, по крайней мере, четырех спутников GPS. Внутри помещений точность резко снижается. Влияние на сеть также минимально. Возможно, операторам придется инсталлировать несколько эталонных приемников GPS, чтобы получить уточненные данные, необходимые терминалам, и модернизировать программное обеспечение, чтобы обработать сигнализацию, которая требуется для передачи этой информации терминалам.
Однако в этом случае оператор имеет менее жесткий контроль над дальнейшей судьбой информации о местоположении. Определив местоположение с помощью уточненных данных, терминал может передать эту информацию в прозрачном режиме (т.е. не уведомляя оператора) третьим лицам - поставщикам услуг - для дальнейшей обработки. Это очень важное обстоятельство. Именно благодаря ему уже сегодня, не дожидаясь внедрения систем определения местоположения операторами сотовой связи, абоненты активно применяют телеметрические GSM-GPS модули, которые осуществляют, определение местоположения подвижных объектов независимо от сети сотовой: связи и передают информацию о местоположении посредством SMS..
С другой: стороны, при определении местоположения на базе GPS наибольшей модернизации подвергаются терминалы. У большинства из них отсутствует отдельная GPS-антенна, а для получения сигналов GPS используется антенна сотовой связи. Затраты растут, если требуется дополнительная антенна (для приема сигналов, передаваемых в низкой полосе частот (L-band) 1,2 ГГц и 1,5 ГГц).
Необходимость использовать специальную антенну для системы GPS может иметь самые серьезные последствия для дизайна пользовательских трубок. Дополнительная антенна для получения сигналов GPS позволит терминалу прослушивать сигналы GPS, не прерывая обмен сообщениями с сетью. Развязка между антеннами должна быть минимальной, чтобы снизить действие взаимных помех. В результате терминал станет менее удобным в обращении.
Методы управления множественным доступом к среде передачи данных
Для управления доступом к общему каналу (или каналам, или к общей среде) передачи со стороны множества передающих устройств используются различные методы управления множественным доступом. Одной из основных проблем сетей передачи данных является разработка таких методов управления множественным доступом, которые обеспечивали бы высокую эффективность использования каналов одновременно с высокой надежностью, минимальной задержкой и оптимальным сочетанием других параметров, которые характеризуют качество обслуживания, предоставляемое сетью., При этом методы управления множественным доступом также должны обеспечивать требуемое качество обслуживания и; эффективность использования каналов при различных уровнях трафика.
Существующие методы управления множественным доступом (MAC - Media Access Control) можно- разделить на две основные группы: с конкурентным доступом и с бесконфликтным доступом [66, 68].
Наиболее простым и исторически первым: методом MAC с конкурентным доступом является метод ALOHA [20]. При использовании этого- метода передающие устройства могут начинать передачу в любое время непосредственно после появления предназначенного для передачи; блока информации. В случае одновременной попытки передачи двумя и более передающими: устройствами, происходит конфликт и переданная информация оказывается искаженной. После возникновения такого конфликта, все передающие устройства через случайный промежуток времени повторяют попытку передачи. Случайная длительность промежутка между повторами необходима для того, чтобы конфликты не повторялись бесконечно. Метод ALOHA хорошо подходит для систем с небольшим трафиком от каждого передающего устройства, поскольку устройства не удерживают канал занятым, при отсутствии блоков данных, предназначенных для передачи. Однако данный метод совершенно не эффективен при возрастании трафика, когда количество конфликтов экспоненциально возрастает. В значительной степени остроту проблемы снижает введение синхронизации, когда передающие устройства могут начинать передачу не в произвольные моменты времени, а только по фронту синхроимпульса, продолжительность которого равна или превышает время передачи блока данных [20]. Однако, и синхронизированный вариант метода ALOHA при большом трафике оказывается неэффективным.
Более эффективным конкурентным методом управления множественным доступом является метод множественного доступа с проверкой несущей (МДПН)., В зарубежной литературе данный метод называется СSMA . - Collision Sense Multiple Access. При этом методе передающие устройства перед попыткой передачи проверяют наличие несущей в канале, если несущая принимается, значит в канале идет передача данных. В зависимости от алгоритма работы выделяют три основных варианта метода CSMA [20, 68]: ненастойчивый С SMA; абсолютно настойчивый CSMA; /т-настойчивый CSMA.. При ненастойчивом CSMA передача осуществляется в соответствии со следующим алгоритмом [20]: если канал при проверке оказался свободным (нет несущей),то пакет передается; если, канал при проверке оказался занятым, то терминал назначает повторную передачу пакета на более позднее время в соответствии с распределением задержки повторной передачи; когда наступает время повторной передачи, терминал вновь проверяет канал и повторяет описанный алгоритм. Существует также синхронный вариант ненастойчивого CSMA, при котором ось времени разбивается на окна. Все передающие устройства синхронизируются и начинают передачу только в начале окна. Если пакет поступает в течение некоторого окна и действует в соответствии с описанным выше алгоритмом. Вариант метода CSMA с абсолютной настойчивостью предусматривает следующий алгоритм работы [20]: готовый терминал проверяет канал на наличие несущей; если канал при проверке оказался свободным, то терминал передает пакет с вероятностью 1; если канал при проверке оказался занятым,. то терминал ждет момента освобождения канала (т. е. непрерывно осуществляет проверку канала), и только тогда передает пакет с вероятностью 1. Абсолютно настойчивый CSMA также: может применяться в; синхронном варианте.
С одной стороны при ненастойчивом CSMA в моменты задержек на ожидание повторной передачи канал может простаивать, С другой стороны, при абсолютно настойчивом CSMA, если два; или более терминала одновременно обнаруживают, что канал свободен, они с вероятностью 1 одновременно начинают передачу, что опять же с вероятностью 1 ведет к возникновению конфликта. Идея рандомизации времени начала передачи пакетов, накопленных к концу передачи напрашивается сама собой; рандомизация поможет снизить интерференцию, повысить скорость передачи. Эта идея лежит в основе /7-настойчивых вариантов CSMA, которые обобщают абсолютно настойчивый CSMA. При р-настойчивом CSMA выполняется следующий алгоритм: если готовый к передаче терминал при проверке канала обнаружил, что канал свободный, то с вероятностью р он передает пакет, а с вероятностью Л-р задерживает передачу на одно окно (рассматриваем синхронный режим) и повторяет попытку; если готовый к передаче терминал находит канал занятым, то он ждет освобождения, канала и действует, как описано выше. Наиболее эффективным вариантом CSMA является р-настойчивый CSMA, в случае, если удается подобрать оптимальное значение вероятности Р [20]. Поскольку все конкурентные методы управления множественным доступом отличаются нестабильностью характеристик при высоком трафике, было разработано множество бесконфликтных методов.
Исторически первым методом бесконфликтного множественного доступа можно считать метод множественного доступа с частотным разделением канала (МДЧР). В иностранной литературе данный метод называется FDMA - Frequency Division Multiple Access. При данном методе для различных передающих устройств выделяется несколько полос частот в общей полосе частот, выделенной для данного вида передачи. Таким образом, передающие устройства могут одновременно передавать информацию и конфликтов не возникает. Однако, как хорошо показано в [68] данный метод оказывается неэффективным как с точки зрения использования пропускной способности, так и с точки зрения задержки передачи. Это связано с тем, что за счет сужения полосы частот пропускная способность, доступная каждому передающему устройству оказывается небольшой.
Расчет среднего времени передачи SMS-сообщений в сети GSM
Здесь и далее будем исходить из хорошо подтверждающегося на практике предположения, что входящий поток SMS-сообщений является пуассоновским. Для упрощения теоретических выкладок также будем предполагать, что при наличии свободного канала сигнализации передача SMS-сообщения от мобильной станции к сервис-центру всегда будет успешной. Стандарт GSM подразумевает следующий алгоритм передачи SMS-сообщения [54, 55]: если передача происходит при отсутствии голосового соединения, для передачи SMS-сообщения запрашивается выделенный канал сигнализации SDCCH; если канал предоставлен, происходит передача сообщения; если канал не может быть предоставлен или произошла другая ошибка во время передачи сообщения, повтор передачи производится по истечении некоторого защитного интервала. В общем случае, как будет показано ниже, время передачи зависит от размера сообщения, однако, поскольку в телематических системах разработчики стремятся передавать SMS-сообщения максимально возможного размера, будем при расчетах полагать время передачи сообщения постоянным: и равным То. Значение защитного интервала в соответствии с [54] должно быть случайной величиной со средним значением 15 с. Будем полагать, что оно распределено экспоненциально со средним значением г . В реальной системе число доступных для передачи SMS сообщений SDCCH постоянно меняется, поскольку организованные в ячейке SDCCH могут также использоваться; для других услуг, например, для установления голосовых соединений. Для упрощения, будем рассматривать систему с постоянным количеством SDCCH равным v, то есть многоканальную СМО с v полнодоступными каналами. Суммарную интенсивность сообщений от всех телематических модулей будем полагать равной Я.
Очевидно, что при исследовании такой системы необходимо учитывать эффект от повторных попыток передачи сообщений, которым обычно пренебрегают для упрощения расчетов. Поэтому будем характеризовать состояния рассматриваемой системы парой чисел (/, к), где у — число занятых каналов, а к — число сообщений, ожидающих повторной попытки передачи.
Поскольку входящий поток SMS-сообщений пуассоновский, интервалы между повторными попытками передачи распределены по экспоненциальному закону, будем считать, что все интервалы между любыми двумя из перечисленных событий одного вида также распределены по экспоненциальному закону. Для упрощения расчетов будем полагать, среднее время занятия канала равным единице (в последствии можно будет просто умножить все временные характеристики системы на То). Тогда вероятности наступления соответствующих событий пропорциональны числам: а) поступление первичного вызова Л, б) поступление повторного вызова к[л, в) уход ожидающего вызова ка, г) освобождение канала .
К сожалению, получение значения среднего числа ожидающих сообщений К, входящего в выражение (ЗЛІ) в аналитическом виде затруднительно, поскольку система уравнений (3.9) при и ад становится бесконечной. При бесконечном л решение системы (3.9) получено в аналитическом виде только для случаев v = 1, v = 2 [61]. Однако, путем решения системы (3.9) при конечном, но достаточно большом и можно получить приближенное решение с заданной степенью точности. Критерием точности полученного решения служит вероятность состояния (v, п). Если /r(v, п) в пределах заданной точности равна нулю, то значение п выбрано правильно. Но и при таком ограничении и система уравнений (3.9) содержит (Л+1)(У+1) уравнений, поэтому для решения данной системы уравнений в общем случае предлагается следующий численный метод решения.
Основой метода является разделение системы уравнений (3.9) на подсистемы из v уравнений, которые решаются каждая в отдельности. Обозначим через [/", к] то уравнение системы (3.9), левая часть которого содержит вероятность p(Jt к).
Система (3.14) имеет v уравнений с v+І неизвестными р(0, к), р{\, к), ..., p(v, к), так как вероятности р(0, к+\),/ (!, к+\), ..., p(v, к+1) считаются уже известными. Значение p(v, к) определяется из уравнения [v, к+1], которое содержит его в качестве единственного неизвестного. Теперь система (3.14) имеет v уравнений с v неизвестными и решается однозначно.. Придавая к последовательно значения п-1, я-2, ..., 1; 0, получим решения всей системы (3.9). Отметим, что система (3.9) определяет значения p(j\ к) лишь с точностью до постоянного множителя и определенность системы достигается введением дополнительного условия (3.13). Заменяя (3.13): условием нормировки (ЗЛО), что достигается делением полученных значений pQ, к) на их сумму, получаем истинные значения вероятностей р(/,к).
Напомним, что система уравнений (3.9) была получена в предположении, что время обслуживания сообщений распределено экспоненциально. В действительности, в рассматриваемой системе массового обслуживания время обслуживания сообщений постоянно, поэтому процесс q(t), где q(t) — число сообщений в системе в момент времени /, не является марковским. Однако, система уравнений (3.9) остается справедливой для марковской цепи, вложенной в моменты ухода сообщений из системы.
В стационарном режиме в рассматриваемой системе в любом интервале число переходов из состояния q в состояние q+l равно количеству обратных переходов. Поэтому, как показано в [7], стационарные вероятности для марковской цепи, вложенной в моменты поступления сообщений: совпадают со стационарными вероятностями для марковской цепи, вложенной в моменты ухода сообщений.
Алгоритм расчета времени передачи SMS-сообшеннн уравнений (3.9) справедлива для случая с постоянным временем обслуживания сообщений. Для анализа эффекта, оказываемого другими абонентами сети сотовой связи рассмотрим более подробно систему с одним SDCCH, то есть одноканальную СМО. Интенсивность сообщений от каждого из М телематических модулей будем полагать равной Я. Нагрузку на канал сигнализации от голосового трафика и других абонентов сети примем равной р. Схематично процесс передачи SMS-сообщений изображен на рис. 3.3. Аналогично тому, как это проделано в [27] воспользуемся аппаратом сетей Петри.
Оценка нагрузки на каналы сигнализации в сети GSM
Оценка пропускной способности сети GSM методами теории массового обслуживания неоднократно проводилась различными авторами [17, 41, 33]. Такие оценки необходимы для грамотного планирования; сети с учетом возможного абонентского трафика. Расчеты, как правило проводятся в предположении, что поток заявок пуассоновский, а распределение времени обслуживания носит экспоненциальный характер. При оценке нагрузки в сетях сотовой связи обычно пользуются моделью Эрланга для систем с отказами (модель Эрланга-В). И хотя другие модели Эрланга теоретически более точно отражают природу телетрафика [28], для практически возможного в сети GSM количества голосовых каналов они дают сходные результаты. Вероятность отказа в обслуживании при использовании указанной модели определяется выражением: Р М где А — трафик, a N— количество каналов. При проектировании сетей операторы пытаются обеспечить вероятность отказа не выше 1 % (существующие нормативы допускают не более 5% потерянных вызовов). В таблице 4.1 приведены значения пропускаемого трафика для вероятности отказа 0,01. Из таблицы видно, что снижение количества каналов в четыре раза (с 20 до 5) ведет к снижению трафика почти в десять раз (с 12 Эрл до 1,36 Эрл), поэтому целесообразное количество голосовых каналов в ячейке должно быть не менее 20-30.
Аналогичным образом рассуждают производители оборудования и проектировщики сетей GSM, поэтому для обслуживания голосовой нагрузки применяются устоявшиеся схемы конфигурации БС:: с двумя, с тремя с четырьмя, реже с шестью частотными; каналами. Большее количество частотных каналов в одной БС применяется редко из-за недостатка полос частот. В таблицах 4.2-4.5 [70] приведена типовая конфигурация голосовых каналов (ТСН) и каналов сигнализации (ВССН и SDCCH) для БС с различным количеством частотных каналов (TRX).
Отметим, что приведенные конфигурации являются жесткими. В частности, в оборудовании Flex BTS производства Lucent Technologies изменить соотношение трафиковых каналов и каналов сигнализации весьма затруднительно. Таким образом, в конфигурациях с двумя, тремя, четырьмя и шестью частотными каналами БС имеют соответственно по 14, 21, 29 и 43 трафиковых канала и по 8, 16, 16 и 24 выделенных канала сигнализации SDCCH (в каждом временном окне помещается восемь каналов SDCCH). При. расчете количества каналов сигнализации, как правило, учитывают только потребности обеспечения установления голосовых вызовов и хэндовера, при этом растущие потребности таких дополнительных услуг, как SMS, USSD и т.п. игнорируются. Равно как не учитывается иной характер дисциплины обслуживания вызовов передачи данных. Только сравнительно недавно проектировщики стали уделять внимание этой проблеме [22, 3]. Для нас важно определить, какая часть ресурсов типичной БС может быть задействована для обеспечения нужд службы SMS в ЧНН голосового трафика. Для этого требуется определить, какая часть каналов сигнализации будет задействована для обслуживания голосовых вызовов в ЧНН. В [3] для этих целей вводится коэффициент отношения информационной нагрузки к сигнальной, но не приводится каких-либо числовых данных.
Процедура, установления голосового соединения в сетях GSM предусматривает [8, 17] занятие канала SDCCH с момента нажатия абонентом клавиши: посыла и до установления MSC соединения с вызываемым абонентом. После установления соединения- подвижной станции выделяется трафиковый канал и дальнейшая: сигнализация передается в ассоциированном; канале сигнализации SACCH [8, 54]. Из практики, среднее время установки соединения составляет около 10 с и распределено экспоненциально.
Согласно принятых нормативов [22] считается, что среднее число голосовых: вызовов в ЧНН в сетях сотовой связи С [выз./час] = 0,7. Средняя длительность сеанса связи tv [c] - 90. Таким образом, средний трафик от одного абонента по трафиковым каналам составит " Уо ІЗрл] = O tv /3600 = 17,5-10 Эрл. Руководствуясь таблицей 4.1 определим, что при таких характеристиках трафика. БС с тремя частотными каналами (наиболее типичная для городской БС конфигурация) может обслужить приблизительно 730 абонентов. Средний трафик от одного абонента по каналам сигнализации yos = C ts /S600 х 1,9-10 3 Эрл, а общий трафик от 730 абонентов по каналам сигнализации в ЧНН составит у$ да 1,42 Эрл, то есть (см, таблицу 4.1) потребуется 6 каналов SDCCH. Результаты
"Приведенные рассуждения показывают, что предположение о средней продолжительности вызова, которому часто придают небольшое значение, играет при современной российской картине трафика сетей подвижной связи важную роль. В рамках настоящей работы для телематической системы «Алмаз» разработан алгоритм синхронизированной передачи SMS-сообщений; Суть этого алгоритма изложена в разделе 2. Для проведения сравнительного анализа эффективности этого алгоритма в сравнении со стандартным асинхронным способом передачи определим практически возможные рассчитать требуемое количество трафиковых каналов с запасом. Между тем, в нашем примере видно, что если величина tv уменьшится вдвое, то требуемое количество каналов сигнализации возрастет более чем в два раза, поскольку БС будет обслуживать вдвое больше абонентов. диапазоны изменения значений параметров в выражениях (3.11) и (3,42) для среднего времени передачи сообщения в асинхронном и синхронном режимах соответственно. Перечислим параметры, встречающиеся в указанных выражениях: То — номинальное время передачи сообщения по радиосети; Я — интенсивность передачи сообщений телематическим модулем (средняя); М- количество конкурирующих за занятие одного SDCCH модулей; р — нагрузка на SDCCH со стороны остальных абонентов сети; F - среднее время ожидания повторной передачи при асинхронной передаче сообщений. Значения некоторых из указанных параметров можно определить однозначно. Так в соответствии с [54] г =15с. Выкладки раздела 4.1 показывают, что Т0= 2,5 с. Значения других параметров можно задать в виде диапазонов. Так в разделе 4.2; показано, что 1 р 0,35. Существующий опыт эксплуатации системы «Алмаз» показывает, что один,телематический модуль передает в среднем до 10 сообщений в час, соответственно верхний: предел интенсивности передачи сообщенийX равен 10/3600 3-Ю"3.
Значение параметра М- количество конкурирующих за занятие одного SDCCH телематических модулей - будет зависеть от их распределения по зоне покрытия сети GSM, от количества и положения базовых станций сети, от конфигурации базовых станций (круговые, секторные) и т.п. Для оценки значения; М примем, что доля абонентов системы «Алмаз» от общего количества абонентов сети; GSM может достигнуть значения 5%. В этом случае, например, базовая станция с четырьмя частотными каналами будет обслуживать порядка пятидесяти телематических модулей, то есть на один (в данном случае из шестнадцати) SDCCH будет приходиться 3-4 телематических модуля. Таким образом, наиболее вероятные на практике значения параметра М следует ожидать в диапазоне до 10.
