автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Алгоритмы управления радиоресурсами в сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM

На правах рукописи

Никитина Александра Викторовна

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОРЕСУРСАМИ В СЕТЯХ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ СТАНДАРТА вЭМ

Специальность 05.13.13. -телекоммуникационные системы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

003469383

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Валерий Юрьевич Бабков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Сергей Михайлович Одоевский

кандидат технических наук, с.н.с. Валерий Алексеевич Степанец

Ведущая организация ФГУП ЛОНИИР (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится «¿Г » 2009 г. в -уьчасов

на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «_ ¡0ъ _2009 г.

Ученый секретарь ----- у / ^

диссертационного совета у

кандидат технических наук, ддцёнт'^^ В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

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 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.

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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 (AFV, К, S), показатели качества (Ры, С/1) и эффективности функционирования сети (Г, 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 Тс (Эрл), средняя спектральная эффективность соты SE (Эрл/МГц), вероятность блокировки вызова Ры и отношение сигнал/помеха С/1.

т — "

Ри=-

Ы "гс Т'

1=0

$Е _ ты'к _ТС -К

V 1

Здесь Ты - общая абонентская нагрузка на сеть (Эрл); число сот в сети. М1х:н - число каналов трафика в соте, Итсн - число каналов трафика в соте, А- выделенный оператору частотный ресурс, К — число сот в кластере,

|1=0-И - 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: 3x9,4x12,7x21.

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 ВССН-слое и поп-ВССН-слое. Принцип расчета С/1 в рамках данной модели иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1. Трассы распространения полезного сигналам помех: МУо - рассматриваемая мобильная станция (М5), обслуживаемая В5о; М5ь Ай>2- мобильные станции, обслуживаемые В81 и ВБг соответственно; ВБо, ВЭи Ввг принадлежат к разным кластерам и используют одинаковые частотные каналы; гп, ги, гп, Г10, трассы полезных сигналов ВЗо-^МЭо, ВБ]—>М5|, В5;>->М52 и помех В51-»М8о и В52->М5о соответственно;

Получены выражения для определения С/1 и вероятности обеспечения требуемого отношения сигнал помеха С/1 >д, д = 9 дБ.

ь Е\С ВССН ] rBS„

PL(rM)-FL(rm)

Щ.1вссн 1 _ Е дг рТ%ассн V в

hPLirJ-F^)

ЩС,

попВССН1 _

£[4

я Иг,о)

Ь(ги) = тт

£[рг[с/} > д]]= £рг[л|Л']- Рг|%|,,т!ефе1ь)>д]

Здесь

- ИИМ /-ой В8, при передаче сигналов ВССН; - уровень

сигнала на входе приемника МБ; Ь(г) — общие потери сигнала на трассе;

РЬ(г) - средние потери сигнала на трассе; (?) - потери сигнала, вызванные

медленными замираниями; N - общее число помехоопасных сот, п - число активных помехоопасных сот

Проведена оценка С/1 в каналах трафика и управления с учетом режимов работы приемопередающего оборудования (рис. 2,3).

а) 6)

Рис. 2. Оценка отношения сигнал/помеха в ВССН- и попВССН-слоях: кластеры 3x9, 7x21 Р=1800 МГц, 2 ТИХ в соте, 0г. =10 дБ, режим работы кодека КИ, МЭ в центре соты; а - зависимость отношения сигнал/номеха от числа занятых каналов трафика в сотс

(с учетом активности помехоопасных ЯТБЬ в попВССН-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 (ЗоБ использованы коэффициент блокирования вызовов Ры и уровень внутрисистемных помех С/1.

0 123456?«9 10111213141516111» 19X21

¡Тт

01234367 89 10 И 12 13 141516171» 19 а 21 «ю,

а) б)

Рис. 3. Зависимость отношения сигнал/помеха в попВССН-слое от числа занятых каналов трафика в соте для разных режимов работы кодека (с учетом активности помехоопасных Я'ГЗЬ): Р=1800 МГц, 2 ШХ в соте, аI =6 дБ, МБ в центре соты; а-кластер 3x9, б-кластер 7x21

Загруженность каналов трафика

Низкая Нормальная Высокая Спектральная

эффективность,

Рис. 4. Градации состояния сети Эрл_

МГц

Нагрузку соты трафиком определяет коэффициент нагрузки кс = TJC, где Тс — трафик соты в ЧНН (Эрланг), С - емкость соты (Эрланг). При высокой нагрузке соты ее трафик превышает номинальную емкость: 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 (I, 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 ВССН-слое и менее высок в поп-ВССН-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 №х(х) уровня сигнала от сектора СЭМ-1800, измеренного как абонентами самого сектора 08М-1800, так и абонентами сонаправленного соседнего сектора СБМ-900 (рис.5).

вор, а х

Рис. 5 Определение изменения управляющего воздействия Интегральная функция данного распределения позволяет вычислить поправку порога срабатывания междиапазонного хэндовера Umbrella1, при котором трафик секторов GSM-900, GSM-1800 будет пропорционален их номинальной емкости:

а

т \w*x\%mix)dx 900 _ —к__^ '-900

71800 "\WRxnm{x)dx а

где 7ТО, Тт„ - ЧНН-трафик со направленных секторов GSM-900/1800 соответственно; С,т, С,ю- емкость секторов GSM-900/1800, вычисленная по формуле Erlang-В; а - 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

С Т g _ '-»оа___*\ш

Qoo + ^1800 ^900 + ^1800 проявляется в перегруженности одного сектора и недогруженное™ 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:

Zboo=^i8oo g o

т С

1900 *-900

' для выполнения условий выполнения Umbrella необходимо, чтобы уровень сигнала от соты-кандидата превышал установленный оператором абсолютный порог

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

RxLAMxm =

{hoLevelUmbrella, hoLevelUmbrella > -85 дБм - 85 дБм, hoLevelUmbrella < -85 дБм

CROma = 2 ■ int

- 75 - RxLAM900

, дБ

2

hoMargin PBGT9oa^mo = hoLevelUmbrella + 86 дБ

hoMarginPBGT\ soo->90(>= 63 дБ (max),

где int[x] - функция выделения целой части; hoLevelUmbrella - порог срабатывания хэндовера Umbrella; CROmо - cell reselection offset (параметр, определяющий сдвиг критерия реселекции С2), RxLA &оо - уровень доступа в сеть на сотах GSM-1800; hoMarginPBGTw± >i goo/i 8oo-»9oo- 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, hoMarginPBGTgoo-^im, RxLAMim, CRO^м) следует использовать статистику двух дней прошедшей недели с максимальным суммарным трафиком на сонаправленных секторах. Loop_cnt- счетчик циклов прогона алгоритма; 5i > 52 - пороги дисбаланса трафика.

Необходимыми условиями для выполнения регулирования являются

Т Т

достаточный трафик на сонаправленных секторах (-^->0.5 или '8С0 >0.5) и

^-900 ^1800

наличие существенного дисбаланса: |5r| > 5j.

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.

сонаправленных секторов GSM-900/1800

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 An В принята доля

Т

трафика соты А, находящаяся в зоне покрытия соты В: где ТАВ — трафик

Та

соты А, находящийся в зоне покрытия соты В\ ТА - трафик соты А.

СОУА

8еп/А

Рис. 7. Определение уровня перекрытия сот А и В: Сек А/В - зоны покрытия сот А, В; 5'еп> А/В - зоны обслуживания сот А, В; (вертикальной и горизонтальной штриховкой выделено пересечение зоны обслуживания соты А с зоной покрытия соты В)

При количественном определении уровня перекрытия пространственные области зон перекрытия должны быть взвешены плотностью трафика: \Ол{х,у)скс1у

1*АВ _ (СОУАГ\СОУВ)

Та ¡0А{х,у)ск(1у

(СОУА)

-, где 0А(х,у) - плотность распределения трафика соты А.

С учетом плотности распределения трафика сот А и В уровень перекрытия сот: | £>, (х, у) • ¿>, \bcchRxLeVg (х, у) - ЬссН1<хЬеул (х, у)\1хс}у

У Тл<в _ (СтАг,СоуВ)_

лг--~

Тл

где ЬссИЕхЬеу (х,у) - средний уровень приема сигнала ВССН-каналов сот А и В, б,- 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).

^ Начаяо -i

Измерения Channel Finder + ~

Анализ уровня перекрытия сот, не связанных NR

1 А<В у

Т,а

1В<А

I-

н

(3 месяца)

Обнаружение пропущенных NR

Y +Y >7У

1 JR ~ 1 R4 — ,hr.rh ndJ

Добавление пропущенных NR

А В, В А

+ -

Накопление статистики по количеству попыток хэндоверов А В, В А (измерена Handover Adjacent Cell)

Анализ интенсивности попыток хэндоверов

5.м- 5М

Обнаружение действующих NR, с низкой интенсивностью попыток хэндоверов

|6dg < & ¡fresh _dei

^AB < ^{hivsh_Jei^avg

SRJ <5,

ihntsh _d*l

Измерения Defined Adjacent Cell

Анализ уровня перекрытия сот, связанных NR

т т

у = А<в у — в<л

.43 * В.4 /р

JR " RJ

Обнаружение действующих NR с низким уровнем перекрытия сот

Адатпаг{ия порогов

Уthresh del

Рис. 8. Схема алгоритма оптимизации списков соседних сот

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

^thresh_del_mzxИ Ythresh dei-

Таблица

Интервал BAL г ° thresh _de!_avg С °thresh_del_ max V ' ihresh_del

0..12 0 0 0

13..18 0.004 0.010 0.10

19..25 0.006 0.015 0.30

26..32 0.008 0.020 0.40

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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

2. РуфоваЛ.В. Сравнительный анализ сетей технологической железнодорожной радиосвязи на основе стандартов IMT-MC, GSM-R и TETRA / A.B. Руфова, В.Ю. Бабков, М.К. Кадерлеев, М.М. Шипилов // Мобильные системы. - 2002. - X» 11. - С.34-39 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России)

3. РуфоваЛ.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 A.B. Алгоритм формирования и оптимизации списка соседних сот в радиосети стандарта GSM / A.B. 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 A.B. 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 A.B. Оценка эффективности двухдиаиазонных сетей стандарта GSM / A.B. Руфова, В.Ю. Бабков // МНТК ICC'2001: мат-лы / СПбГЭТУ (ЛЭТИ). - СПб, 2001.

7. РуфоваЛ.В. Комплексный анализ принципов построения сотовых сетей по критериям эффективности использования аппаратурного и частотного ресурсов / AB. Руфова, В.Ю. Бабков // МНТК ICC2001: мат-лы / СПбГЭТУ. - СПб, 2001.

8. РуфоваЛ.В. Повышение качества обслуживания речевого и пакетного трафика в сетях GSM/(E)GPRS-900/l800 II Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных с участием молодых ученых и преподавателей: мат-лы. - М., 2006. - С. 99101.

9. Руфова A.B. 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.

10. РуфоваЛ.В. Моделирование абонентской нагрузки при планировании интегральных двухдиапазонных сетей сотовой связи стандарта GSM // 54-я НТК: тез. докл. / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб, 2002. - С. 59.

11. Руфова A.B. Оценка влияния спектральной эффективности на качество работы сети стандарта GSM // 57-я НТК: тез. докл. / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб, 2005. - С. 54-55.

12. РуфоваЛ.В. Обоснование необходимости учета параметров трафика и спектральной эффективности при управлении ресурсами радиосети GSM // 58-я НТК: тез. докл. / СПбГУТ. - СПб, 2006. - С. 46.

13. Никитина A.B. Формирование и оптимизация соседских отношений секторов в радиосети стандарта GSM // 60-я НТК: тез. докл. / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб, 2008. - С. 5758.

Примечание. Работы авторадо 04.07.2007 г. опубликованы под фамилией Руфова.

Подписано к печати 23.03.2009 Объем 1 печ. л. Тир. 80 экз.

Тип. СПб ГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

СТАНДАРТА GSM.

1.1. Общая характеристика сотовых систем подвижной радиосвязи стандарта GSM.

1.2. Требования к качеству обслуживания абонентов в сетях стандарта GSM.

1.3. Требования к алгоритмам управления ресурсами радиосети.

1.4. Обобщенныйалгоритм управления радиоресурсами.

1.5. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЕТИ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ СТАНДАРТА GSM.

2.1 Постановка задачи.

2.2. Архитектура сети при использовании кластеров различной размерности.

2.3. Математическая модель радиоканала.

2.4. Математическая модель внутрисистемных помех.

2.5. Вероятность обеспечения требуемого отношения сигнал/помеха

2.6. Учет вероятности активности помехоопасных радиотаймслотов

2.7. Анализ внутрисистемных помех на основе разработанной математической модели.

2.8. Анализ состояний сети с учетом внутрисистемных помех и абонентской нагрузки на сеть по критериям спектральной эффективности и эффективности использования оборудования.

Выводы.

ГЛАВА 3 АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОРЕСУРСАМИ В СЕТЯХ

ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ СТАНДАРТА GSM

3.1. Постановка задачи.

3.2 Баланс голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800.

3.2.1 Определение условий баланса голосового трафика.

3.2.2 Модель перехода голосового трафика между сонаправленными секторами GSM-900/1800.

3.2.3 Метод расчета управляющего воздействия.

3.3. Алгоритм регулирования голосового трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800.

3.4. Предложения по распределению голосового и пакетного трафика сонаправленных секторов GSM-900/1800.

Выводы.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ СПИСКОВ СОСЕДНИХ СОТ В СЕТЯХ GSM.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Процесс формирования списков соседних сот в сетях GSM.

4.3. Метод обнаружения пропущенных NR.

4.4. Метод обнаружения неэффективных NR.

4.4. Алгоритм оптимизации списков соседних сот.

Выводы.

Сеть подвижной радиосвязи является постоянно развивающейся структурой. Охват новых областей, расширение набора услуг и повышение доступности их для пользователей стимулируют прирост абонентской базы, что, в свою очередь, требует расширения сетевой емкости и настройки режимов работы сетевого оборудования.

Проблема управления ресурсами радиосети имеет большую практическую значимость. Опыт эксплуатации и развития коммерческих сетей стандарта GSM убедительно показал, что правильный выбор режимов работы оборудования и тщательная настройка сетевых параметров являются необходимыми условиями успешной работы оператора. Эффективное управление ресурсами большой разветвленной сети связи требует использования соответствующих методов и алгоритмов с возможностью высокой степени их автоматизации. Таким образом, тема настоящей диссертационной работы является актуальной.

Цель работы состоит в повышении качества обслуживания абонентов сетей подвижной радиосвязи стандарта GSM.

Научная задача заключается в разработке алгоритмов управления радиосетью стандарта GSM с использованием статистических данных о работе сети.

При решении научной задачи был использован математический аппарат теории вероятности и статистики, теории массового обслуживания, теории распространения радиоволн, а также методы математического моделирования и экспериментальные исследования.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Выводы

В главе были получены следующие результаты.

1. Раскрыта важность оптимизации соседских отношений (NR) в радиосети GSM. Выполнен краткий обзор известных практических способов оптимизации соседних сот. Обоснована необходимость разработки алгоритма оптимизации NR, основанного на использовании сетевой статистики.

2. Введено понятие уровня перекрытия сот и разработан метод обнаружения пропущенных NR, основанный на оценке уровней перекрытия сот, и использующий сетевую статистику Channel Finder BSS Nokia.

3. Разработан метод обнаружения неэффективных NR, использующий сетевую статистику попыток хэндоверов между соседними сотами (Handover Adjacent Cell BSS Nokia), учитывающий уровни их перекрытия (сетевая статистика (Defined Adjacent Cell BSS Nokia) , и адаптирующий пороги удаления NR к длинам списков соседей рассматриваемых сот.

4. Предложена общая схема алгоритма оптимизации списков соседних сот.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований, целью которых являлось повышение качества обслуживания абонентов в действующих сетях подвижной радиосвязи стандарта GSM, решена научная задача разработки алгоритмов управления радиоресурсами сети стандарта GSM на основе использования статистических данных о функционировании сети.

В диссертационной работе впервые были получены следующие новые научные 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, 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 с адаптацией порогов эффективности соседских отношений между секторами.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждаются результатами реализации предложенных алгоритмов в сети СЗФ ОАО «МегаФон».

1. Афанасьев В.В., Володина Е.Е., Скрынников В.Г., Тихвинский В.О., Системно-сетевые аспекты управления качеством услуг в сетях подвижной связи/ НИИР, Ассоциация Российских операторов GSM. М., -2004.

2. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Михайлов П.А. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование / СПб.: СПбГУТ, 2000

3. Бабков В.Ю., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи/ Под ред. М.А. Вознюка. СПб.: ВУС, 1998.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с англ./Под ред. И.Н.Коваленко. М., "Мир", 1971.

5. Бабков В.Ю., Полынцев П.В., Утюжанин В.И. Качество услуг мобильной связи. Оценка, контроль и управление/под ред. проф. Гоголя A.A. М.: 2004.

6. Быховский М.А. Частотное планирование сотовых сетей подвижной радиосвязи//Электросвязь .- 1993.-№8.-С.25-28.

7. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной связи. М.: Мобильные Телесистемы. Эко-Трендз, 1997.

8. Заездный A.M. Основы расчетов по статистической радиотехнике.-М.: Связь, 1969.

9. Кузнецов М.А., Рыжков А.Е Современные технологии и стандарты подвижной связи. СПб: СПбГУТ, 2006 . - 464с.

10. Кузнецов М.А., Полпуденко Д.И., Рыжков А.Е., Сивере М.А. Хэндовер в сетях GSM 900/1800// Труды Международной академии связи. 2002. - №2.

11. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. 2-е изд. М.:"Советское радио", 1960.

12. Лифшиц Б.С. и др. Теория телетрафика. М.: Связь, 1979.

13. Н.Никитина A.B. Никитин А.Н. Алгоритм формирования и оптимизациисписка соседних сот в радиосети стандарта GSM // НТВ СПбГПУ. СПб, 2008. -№ 6

14. Рерле Р.Д., Ехриель И.М., Данилов И.В. Протоколы GPRS и их тестирование // Мобильные системы.-2002.-№10.-С.44-50.

15. Руководящий документ Министерства РФ по связи и информатизации РД 44.254-2002. «Нормы на показатели качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний».

16. Руководящий документ Министерства РФ по связи и информатизации (РД 44.004-2000) «Генеральная схема создания и развития федеральной сети подвижной радиотелефонной связи общего пользования России стандарта GSM».

17. Руфова A.B. Частотно-территориальное планирование сетей подвижной связи: учеб. пособие / Под ред. В.Ю. Бабкова // СПбГУТ. СПб, 2002.

18. 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": доклады Одесса, 2001,

19. Руфова А.В., Бабков В.Ю., Кадерлеев М.К. Сравнительный анализ сетей технологической железнодорожной радиосвязи на основе стандартов IMT-МС, GSM-R и TETRA// Мобильные системы, №11, 2002

20. Руфова А.В., Бабков В.Ю. Оценка эффективности двухдиапазонных сетей стандарта GSM.//MHTK ICC2001, ЛЭТИ: материалы конференции -СПб, 2001.

21. Руфова А.В., Бабков В.Ю. Комплексный анализ принципов построения сотовых сетей по критериям эффективности использования аппаратурного и частотного ресурсов.// МНТК ICC2001, ЛЭТИ: материалы конференции -СПб, 2001

22. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов.-М.: Радио и связь, 1986.

23. Цыбулин М.К., Бокуняев К.А. Интегральная оценка качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи // Вестник связи.-2003.-№9.-С.83-84.

24. Agustina J.V., Zhang P., Kantola R. Performance evaluation of GSM handover traffic in a GPRS/GSM network// Eighth IEEE ISCC 2003 Proceedings, 2003.

25. Balston D.M., Macario R.C.V. Cellular radio systems. Artech House, London, 1994.

26. Bello P.A. Characterisation of random time variant linear channels//IEEE Trans. Commun. Syst.-1963,-Dec.

27. BSC S9, Supplementary References, Nokia Electronic Document (NED)

28. BSS Network Doctor formulas, NOKIA, BSC S9

29. CEPT/COST 207 WGI: Proposal on channel transfer functions to be used in GSM tests late 1986. COST 207 TD (86)51 Rev.3.-1986,-Sept.

30. Clarke R.H. A statistical theory of mobile radio reception//Bell Syst. Tech. J.-1968.-vol.47.

31. Doble J. Introduction to radio propagation for fixed and mobile communication. Artech House, London, 1996.

32. ETSI: ETR 003: Network Aspect (NA). General aspects of quality of services (QoS) and Network Perfomance (NP).-1994

33. ETSI: ETR 138: Quality of service indicators for Open Network Provision (ONP) of voice telephone and Integrated Services Digital Network (ISDN).-1999.

34. ETSI TR 101 362 V6.0.1(1998-07 ) Technical Report Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio network planning aspects

35. ETSI TS 102 250-1. Speech processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); QoS aspects for popular services in GSM and 3G networks; Part 1: Identification of Quality of Services aspects.

36. ETSI TS 102 250-2. Speech processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); QoS aspects for popular services in GSM and 3G networks; Part 2: Definition of Quality of Services parameters and their computation.

37. Fannin P.C., Molina A. et al. Digital signal processing techniques applied to mobile radio channel sounding//IEE Proc.-1991.-vol.138, pt.F,-Oct.

38. Faruque S. Cellular mobile systems engineering. Artech House, London, 1996.

39. Feher K. Digital communications: microwave applications. Englewood Cliffs, NJ, 1981.

40. Feher K. Wireless digital communications. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1994.

41. GPRS. General Packet Radio Service, Regs J. (Bud) Bates Jr. / McGraw-Hill, 2002

42. Har D., Xia H.H., Bertoni H.L. Path-loss prediction model for microsells// IEEE Trans. Veh. Technol.- 1999.- vol.48,- Sept.

43. Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio//IEEE Trans VT-29.-1980,-Aug.

44. Hess G.C. Land-mobile radio systems engineering. Artech House, London, 1993.

45. Halonen T., Romero J.GSM, GPRS and EDGE Performance: Evolution Towards 3G/UMTS. Second Edition, 2003

46. ITU-R Recommendation E.800 (08.94) Terms and definitions, related to Quality of Services and network performance including dependability

47. ITU-R Recommendation P.529-2. Prediction methods for the terrestrial land mobile service in the VHF and UHF bands

48. ITU-T Recommendation P.862: "Perceptual evaluation of Speech Quality (PESQ), an objective method for End to end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs".

49. Jakes W.C., ed. Microwave mobile communications. Wiley, New York, 1974.

50. Lee W.C.Y. Mobile cellular communications. McGraw Hill, NY, 1989.

51. Lee W.C.Y. Overview of cellular CDMA//IEEE Trans. Veh. Technol.-1991.-vol.40,-May.

52. Lee W.C.Y., Lee D.J.Y. Microcell prediction in dense urban area// IEEE Trans. Veh. Technol.- 1998.- vol.47,- Febr.

53. Lee W.C.Y., Mobile Communications Design Fundamendals.- NY.: 1994.

54. Lindemann, C. Thummler, A. Performance analysis of the General Packet Radio Service// 21st International Conference on Distributed Computing Systems, 2001.

55. Madkour, M.F. Effect of high GSM voice traffic on GPRS data network and the proposed solutions// Proceedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2003.

56. Mehrotra H. Cellular Radio: analog and digital systems. Artech House, London, 1994.

57. Mehrotra H. GSM system engineering. Artech House, London, 1997.

58. Mehrotra H. Cellular radio performance engineering. Artech House, London, 1994.

59. Microwave mobile communications /Jakes W.C., ed. NY, Wiley, 1974.

60. Mobile radio communications/ Steel R., ed. Pentech Press Publishers, London, 1994.

61. Mouly M., Pautet M. The GSM system for mobile communications. Paulaiseau, France, 1992.

62. Nakagami M. The /«-distribution a general formula of intensity distribution of rapid fading//Statistical Methods in Radio Wave Propagation. Elmsford, NY: Pergamon, 1960.

63. Navarro, J. Martinez, J. Romero, J. Signaling capacity in GSM & (E)GPRS networks// IEEE 55th Vehicular Technology Conference, 2002.

64. Ni, S. GPRS network planning on the existing GSM system //Global Telecommunications Conference, 2000.

65. Nokia BSC/TCSM S11.5 Product Documentation68. Nokia BSS network doktor

66. Parsons J.D., Gardiner J.G. Mobile communication systems. Blackie, London, 1989.

67. Porcarelli, S. Di Giandomenico, F. Bondavalli, A. Analyzing quality of service of GPRS network systems from a user's perspective // Proceedings of Seventh International Symposium on Computers and Communications, 2002.

68. Premkumar, K. Chockalingam, A. Performance analysis of RLC/MAC and LLC Layers in a GPRS protocol stack // IEEE Trans, on Veh. Tech., 2004,-Sept.

69. Proacis J.G. Digital communications. 2nd ed. NY: McGraw Hill, 1994.

70. Redl S., Weber M., Oliphant M. An introduction to GSM. Artech House, London, 1994.

71. Redl S., Weber M., Oliphant M. GSM and personal communications handbook. Artech House, London, 1998.

72. Rice S.O. Mathematical analysis of random noise//Bell Syst. Tech. J.-1944.-vol.23,-July.

73. Sclar B. Rayleigh fading channels in mobile digital communications systems//IEEE Commun. Mag.-1997,-July.

74. Sherratt R.S. Performance of GPRS coding scheme detection under severe multipath and co-channel interference as a function of soft-bit width // IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2003.

75. Stuckmann P., Ehlers N., Wouters B. GPRS traffic performance measurements// IEEE VTC 2002-Fall Proceedings. 2002, Sept.

76. Verdu S. Minimum probabibity of error for asynchronous Gaussian multiple-access channels//IEEE Trans. Info. Theory.-1986.-vol.IT-32,-Jan.

77. Viterbi A.J., Viterbi A.M Other -cell interference in cellular power-controlled CDMA// IEEE Trans. Commun. 1994. - Vol.42. - Febr./March/Apr.

78. Webb W. Understanding cellular radio. Artech House, London, 1998.

79. Wei-Yeh Chen Wu, J.-L.C. Hung-Huan Liu Performance analysis of radio resource allocation in GSM/GPRS networks // Proceedings of Vehicular Technology Conference, 2002.

80. Wittman M. et al. Impact of the power delay profile shape on the bit error rate in mobile radio systems// IEEE Trans. Veh. Technol.- 1997.- vol.46,- May.

81. Xia H. A simplified analitical model for predicting path loss in urban and suburban environments// IEEE Trans. Veh. Technol.- 1997.- vol.46,- Nov.