Алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM

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.

1. Сформулированы требования к алгоритмам управления радиоресурсами на основе использования результатов радиоизмерений и сетевой статистики.

2. Разработана математическая модель сети подвижной радиосвязи стандарта GSM, связывающая показатели качества работы сети с ее эксплутационными характеристиками и абонентской нагрузкой.

3. Выполнена оценка внутрисистемных помех для сетей различной конфигурации на основе разработанной математической модели.

4. Проведен сравнительный анализ состояний сети с учетом внутрисистемных помех и абонентской нагрузки на сеть по критериям спектральной эффективности и эффективности использования оборудования.

5. 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 ICC`2001, 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.

2. Алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM, основанные на результатах сетевых измерений, учитывающие архитектуру, принципы планирования и методы управления трафиком.

3. Методика формирования списков соседних сот в сетях GSM, обеспечивающая надежность, производительность и возможность высокой степени автоматизации.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определены цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана общая характеристика сотовых систем подвижной радиосвязи стандарта GSM, выполнен обзор технологий передачи данных и рассмотрены требования, предъявляемые к качеству обслуживания абонентов.

Проведен анализ проблемы повышения эффективности функционирования сетей подвижной радиосвязи стандарта GSM. Сформулированы требования к алгоритмам управления ресурсами радиосети.

Рассмотрены функциональные задачи, решаемые в процессе принятия решений по развитию сети подвижной радиосвязи.

Определен необходимый набор показателей, характеризующих состояние радиосети. Эти данные включают в себя параметры конфигурации (, K, S), показатели качества (P_bl, C/I) и эффективности функционирования сети (T, SE).

В заключение главы сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе построена математическая модель, связывающая показатели качества работы сети с ее эксплуатационными характеристиками и абонентской нагрузкой

Рассмотрены основные параметры, характеризующие состояние сети: средний трафик на соту (Эрл), средняя спектральная эффективность соты SE (Эрл/МГц), вероятность блокировки вызова P_bl и отношение сигнал/помеха С/I.

Здесь - общая абонентская нагрузка на сеть (Эрл); - число сот в сети. число каналов трафика в соте, число каналов трафика в соте, выделенный оператору частотный ресурс, K число сот в кластере,  =01 - коэффициент, учитывающий процент трафика, обслуживаемого в режиме с полускоростным кодеком (half rate - HR).

В качестве основы для моделирования использована сеть с идеальной гексагональной топологией: базовые станции распределены равномерно в пределах сети; количество приемопередатчиков в сотах одинаково; параметры оборудования (мощности передатчиков, чувствительности приемников, высоты подвеса и типы антенн) идентичны для всех BS; соты используют секторные антенны с идеальной диаграммой направленности; принята гипотеза о равномерном распределении абонентов в зоне обслуживания сети. Для исследования выбраны основные типы частотных кластеров: 39, 412, 721.

Получены аналитические выражения, связывающие вероятность блокирования вызова, уровень внутрисистемных помех и спектральную эффективность с объемом и характером абонентской нагрузки.

Разработана математическая модель внутрисистемных помех в BCCH-слое и non-BCCH-слое. Принцип расчета C/I в рамках данной модели иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1. Трассы распространения полезного сигнала и помех:

MS₀ - рассматриваемая мобильная станция (MS), обслуживаемая BS₀;

MS₁, MS₂ - мобильные станции, обслуживаемые BS₁ и BS₂ соответственно;

BS₀, BS₁, BS₂ принадлежат к разным кластерам и используют одинаковые частотные каналы;

, , , , - трассы полезных сигналов BS₀MS₀, BS₁MS₁, BS₂MS₂ и помех BS₁MS₀ и BS₂MS₀ соответственно;

Получены выражения для определения C/I и вероятности обеспечения требуемого отношения сигнал помеха C/I >q, q = 9 дБ.

Здесь ИИМ i-ой BS, при передаче сигналов BCCH; уровень сигнала на входе приемника MS; общие потери сигнала на трассе; - средние потери сигнала на трассе; потери сигнала, вызванные медленными замираниями; N - общее число помехоопасных сот, n - число активных помехоопасных сот

Проведена оценка C/I в каналах трафика и управления с учетом режимов работы приемопередающего оборудования (рис. 2, 3).

Рис. 2. Оценка отношения сигнал/помеха в BCCH- и nonBCCH-слоях: кластеры 39, 721 F=1800 МГц, 2 TRX в соте, _L =10 дБ, режим работы кодека FR, MS в центре соты; а - зависимость отношения сигнал/помеха от числа занятых каналов трафика в соте (с учетом активности помехоопасных RTSL в nonBCCH-слое) б - зависимость вероятности обеспечения требуемого отношения сигнал/помеха от числа занятых каналов трафика в соте;

Выполнен анализ условий работы радиосети при различных соотношениях абонентской нагрузки, аппаратного и частотного ресурсов; выделены основные градации состояния сети (рис.4). В качестве критериев оценки QoS использованы коэффициент блокирования вызовов и уровень внутрисистемных помех C/I.

Рис. 3. Зависимость отношения сигнал/помеха в nonBCCH-слое от числа занятых каналов трафика в соте для разных режимов работы кодека (с учетом активности помехоопасных RTSL) F=1800 МГц, 2 TRX в соте, _L =6 дБ, MS в центре соты; а - кластер 39, б - кластер 721

Рис. 4. Градации состояния сети

Нагрузку соты трафиком определяет коэффициент нагрузки k_c = T_c/C, где T_c - трафик соты в ЧНН (Эрланг), С - емкость соты (Эрланг). При высокой нагрузке соты ее трафик превышает номинальную емкость: k_c>1; при низкой нагрузке соты ее аппаратный ресурс может быть сокращен на 1 и более приемопередатчиков с условием, что сократившаяся емкость соты не станет меньше текущего трафика (вследствие нелинейности закона Erlang-B верхняя граница области низкой нагрузки соты зависит от числа используемых приемопередатчиков).

Характеристика градаций состояния:

1. При высокой нагрузке соты и невысокой спектральной эффективности (1, рис.4) имеют место повышенные блокировки, обусловленные недостатком приемопередатчиков в соте.

2. При низкой нагрузке соты и низкой спектральной эффективности (7, рис.4) обеспечивается высокое QoS. Однако, в этом случае и стоимость сети будет неоправданно высокой, что не позволяет говорить об эффективном ее использовании.

3. При высокой нагрузке соты и высокой спектральной эффективности (3, рис.4) имеют место высокие блокировки наряду с высоким уровнем внутрисистемных помех. Данное состояние присуще сетям, операторы которых пытаются обеспечить приток абонентов низкой ценой на услуги связи.

4. При низкой нагрузке соты и высокой спектральной эффективности (9, рис.4 - избыток приемопередатчиков при частом повторном использовании частот) уровень внутрисистемных помех высок в BCCH-слое и менее высок в non-BCCH-слое за счет низкой вероятности обслуживания на помехоопасном таймслоте (аналогия frequency hopping).

5. При нормальной нагрузке соты (4-5-6, рис.4) спектральная эффективность в силу эффекта транкинга зависит от числа приемопередатчиков в соте.

6. При нормальной спектральной эффективности (2-5-8, рис.4) обеспечивается допустимый уровень внутрисистемных помех. При этом QoS определяется блокировками, уровень которых зависит от нагрузки соты и достаточности аппаратного ресурса соты.

В третьей главе разработаны алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM, основанные на результатах сетевых измерений, учитывающие архитектуру, принципы планирования и методы управления трафиком.

В качестве параметрического способа перераспределения абонентской нагрузки в главе разработан метод баланса голосового трафика на сонаправленных секторах GSM-900/GSM-1800. В основе метода лежит математическая модель, связывающая трафик с энергетическими соотношениями при приеме сигналов абонентами сонаправленных секторов (рис.4).

Обслуживающиеся на сонаправленных секторах GSM-900/1800 мобильные станции принимают сигналы обоих секторов и передают информацию об уровнях вверх по сети в сообщениях Measurement Report. Сформированная на основании таких сообщений сетевая статистика позволяет оценить распределение уровня сигнала от сектора GSM-1800, измеренного как абонентами самого сектора GSM-1800, так и абонентами сонаправленного соседнего сектора GSM-900 (рис.5).

Рис. 5 Определение изменения управляющего воздействия

Интегральная функция данного распределения позволяет вычислить поправку порога срабатывания междиапазонного хэндовера Umbrella, при котором трафик секторов GSM-900, GSM-1800 будет пропорционален их номинальной емкости:

,

где , ЧНН-трафик сонаправленных секторов GSM-900/1800 соответственно; , емкость секторов GSM-900/1800, вычисленная по формуле Erlang-B; a - порог срабатывания хэндовера Umbrella.

В главе получены соотношения для оценки дисбаланса трафика и расчета оптимального изменения порога срабатывания Umbrella-хэндовера; исходными данными для расчета являются счетчики Defined Adjacent Cell Measurement BSS Nokia.

Дисбаланс голосового трафика сонаправленных секторов GSM 900/1800

проявляется в перегруженности одного сектора и недогруженности другого, в результате чего могут возрасти отказы в обслуживании, увеличиться доля HR-трафика, увеличиться коэффициент ошибок в канале как результат неравномерного использования частотного ресурса. При оптимальном балансе трафика распределение нагрузки между сонаправленными секторами GSM-900/1800 пропорционально их емкости:

Порог срабатывания Umbrella-хэндовера связан единой системой уравнений с сопутствующими параметрами, ответственными за распределение голосового трафика, что обеспечивает согласованное изменение всей группы параметров:

сеть радиосвязь трафик

где int[x] - функция выделения целой части; hoLevelUmbrella - порог срабатывания хэндовера Umbrella; CRO₁₈₀₀ - cell reselection offset (параметр, определяющий сдвиг критерия реселекции C2), RxLAM₁₈₀₀ - уровень доступа в сеть на сотах GSM-1800; hoMarginPBGT_{9001800/1800900}- пороговая разность бюджетов мощности, при которой возможны хэндоверы бюджета мощности GSM-900 > GSM-1800, GSM-1800>GSM-900.

Метод предусматривает ограничения, определяющие условия и порядок применения соответствующего алгоритма. Разработанный в главе алгоритм регулирования нагрузки сонаправленных секторов GSM-900/1800, использует данные сетевой статистики; его схема представлена на рис. 6. Алгоритм является итерационным; период применения - 1 неделя. Для анализа и расчета поправки управляющего воздействия (hoLevelUmbrella, hoMarginPBGT_9001800, RxLAM₁₈₀₀, CRO₁₈₀₀) следует использовать статистику двух дней прошедшей недели с максимальным суммарным трафиком на сонаправленных секторах. счетчик циклов прогона алгоритма; ₁ > ₂ - пороги дисбаланса трафика. Необходимыми условиями для выполнения регулирования являются достаточный трафик на сонаправленных секторах ( или ) и наличие существенного дисбаланса: . Достоинствами разработанного метода являются точность, надежность, высокая производительность, возможность 100% автоматизации. Недостатками являются необходимость адаптации к системе (системам) BSS различных производителей и необходимость достаточного трафика в сети в период сбора статистики.

В заключение главы описан способ адаптации алгоритма регулирования голосового трафика применительно к задаче управления смешанным пакетным и голосовым трафиком сонаправленных секторов GSM-900/1800. Также сформулированы основные положения стратегии совместного распределения сигнального, голосового и пакетного трафика в 2-диапазонных сетях GSM-900/1800. При наличии у оператора достаточного частотного ресурса в диапазоне GSM-900 пакетный (PS) трафик и сигнальный трафик с коммутацией каналов (SDCCH) целесообразно максимально переместить в диапазон GSM-900; оставшийся ресурс GSM-900 и GSM-1800 следует использовать для сбалансированной загрузки голосовым CS-трафиком. Основным преимуществом данного подхода является возможность выделения единых ресурсов для обслуживания пакетного и сигнального трафика в слое GSM-900, что повышает эффективность их использования и упрощает планирование.

В четвертой главе разработана методика формирования списков соседних сот в сетях GSM.

Наличие соседских связей между секторами (NR - neighbor relations) в радиосети стандарта GSM обеспечивает возможность выполнения процедур селекции/реселекции сот и хэндовера. NR во многом определяют уровень внутрисистемных помех, качество обслуживания и доступность услуг связи для подвижных абонентов. Пропущенные NR могут привести к ухудшению качества связи и обрыву звонка. Вместе с тем, избыточность NR приводит к увеличению времени, необходимого MS для выполнения измерений и передачи Measurement Reports, что обуславливает задержки выполнения хэндоверов и может привести к обрыву звонка (особенно при движении абонента с высокой скоростью в черте города). Кроме того, избыточность NR обуславливает избыточные ограничения при расчете частотно-территориального плана и может вызвать ухудшение основных показателей качества (KPI).

Для проверки эффективности действующих в радиосети NR и коррекции списков соседних сот целесообразно использовать статистику по количеству и успешности попыток хэндоверов, а также статистику, позволяющую оценить уровень перекрытия сот.

В главе изложен алгоритм оптимизации списков соседних сот, базирующийся на анализе интенсивности попыток хэндоверов, уровне перекрытия сот-кандидатов на установление или удаление NR, и использующий сетевую статистику в качестве исходных данных.

Перекрытие двух сот означает, что трафик одной соты находится в зоне покрытия другой (рис. 7). В качестве меры перекрытия сот А и В принята доля трафика соты А, находящаяся в зоне покрытия соты В: , где трафик соты А, находящийся в зоне покрытия соты В; трафик соты А.

Рис. 7. Определение уровня перекрытия сот А и В: Сov A/B - зоны покрытия сот A, B; Serv A/B - зоны обслуживания сот A, B; (вертикальной и горизонтальной штриховкой выделено пересечение зоны обслуживания соты A с зоной покрытия соты B)

При количественном определении уровня перекрытия пространственные области зон перекрытия должны быть взвешены плотностью трафика:

, где плотность распределения трафика соты А.

С учетом плотности распределения трафика сот А и В уровень перекрытия сот:

,

где средний уровень приема сигнала BCCH-каналов сот A и B, функция Хэвисайда.

Блок-схема алгоритма оптимизации списков соседних сот приведена на рис. 8. Алгоритм учитывает архитектуру, методы планирования и управления трафиком, принятые в радиосети. В радиосети, построенной на оборудовании Nokia, для оценки эффективности NR целесообразно использовать статистику сетевых измерений Handover Adjacent Cell, Channel Finder (CF) и Defined Adjacent Cell (DAC).

Алгоритм адаптирует пороги принятия решения о разрыве NR к размеру списка соседей (BAL): чем длиннее список соседей, тем выше необходимость его сокращения и, следовательно, тем выше должны быть уровни порогов , и Y_{thresh_del}:

Таблица

Достоинствами предложенной методики являются надежность, производительность, возможность высокой степени автоматизации. Недостатками являются необходимость адаптации к системе (системам) BSS различных производителей и необходимость достаточного трафика в сети в период сбора статистики.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Приложения содержат математические выкладки, использованные при построении математических моделей, другой вспомогательный материал.

Математическая модель сети подвижной радиосвязи стандарта GSM, позволяет установить влияние архитектуры сети, параметров оборудования и абонентской нагрузки на эффективность функционирования радиосети при различных режимах работы базового оборудования;

Разработанные алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной связи стандарта GSM основаны на использовании сетевой статистики. Алгоритмы учитывают архитектуру, методы планирования и управления трафиком, принятые в радиосети данного оператора и позволяют принимать эффективные решения по ее развитию и настройке.

Алгоритм регулирования голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800 и методика формирования списков соседних сот в сетях GSM, реализованы в рабочих процессах СЗФ ОАО «МегаФон».

Наряду с результатами, выносимыми на защиту, получен ряд других результатов, имеющих теоретическую и практическую значимость.

Дальнейшие научные работы по управлению радиоресурсами в сетях подвижной связи стандарта GSM целесообразно осуществлять в следующих направлениях: автоматизация процесса управления ресурсами, разработка баз данных для осуществления автоматизированного управления ресурсами, исследование влияния различных режимов обработки сигналов на сетевом уровне на эффективность функционирования сети.

Литература

сеть радиосвязь трафик

1.Руфова А.В. Частотно-территориальное планирование сетей подвижной связи: учеб. пособие / Под ред. В.Ю. Бабкова // СПбГУТ. - СПб, 2002. - 64 с.

2.Руфова А.В. Сравнительный анализ сетей технологической железнодорожной радиосвязи на основе стандартов IMT-MC, GSM-R и TETRA / А.В. Руфова, В.Ю. Бабков, М.К. Кадерлеев, М.М. Шипилов // Мобильные системы. - 2002. - № 11. - С.34-39 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России)

3.Руфова А.В. Управление распределением речевого и пакетного трафика в сетях GSM/(E)GPRS // Сети мобильной связи: планирование, оптимизация и управление / СПБГУТ-ИА «Энергомашиностроение». - СПб, 2007. - С. 84-89.

4.Никитина А.В. Алгоритм формирования и оптимизации списка соседних сот в радиосети стандарта GSM / А.В. Никитина, А.Н. Никитин // НТВ СПбГПУ. - СПб, 2008. - № 6 - С. 53-59. (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России)

5.Руфова А.В. Оптимизация параметров интегральных сетей сотовой связи стандарта GSM на этапе построения начального приближения сети // 3-я МНТК студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ; Техника и технология связи: докл. - Одесса, 2001. - С. 92-95.

6.Руфова А.В. Оценка эффективности двухдиапазонных сетей стандарта GSM / А.В. Руфова, В.Ю. Бабков // МНТК ICC`2001: мат-лы / СПбГЭТУ (ЛЭТИ). - СПб, 2001.

7.Руфова А.В. Комплексный анализ принципов построения сотовых сетей по критериям эффективности использования аппаратурного и частотного ресурсов / А.В. Руфова, В.Ю. Бабков // МНТК ICC`2001: мат-лы / СПбГЭТУ. - СПб, 2001.

8.Руфова А.В. Повышение качества обслуживания речевого и пакетного трафика в сетях GSM/(E)GPRS-900/1800 // Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных с участием молодых ученых и преподавателей: мат-лы. - М., 2006. - С. 99-101.

9.Руфова А.В. Учет влияния абонентской нагрузки при решении задачи оптимизации сети сотовой связи // 6-я НТК «Компьютерные технологии, коммуникации, численные методы и математическое моделирование»: тез. докл. / СПбГТУ. - СПб, 2001.

Размещено на Allbest.ru