автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Анализ и разработка алгоритмов повышения пропускной способности сетей стандарта GSM

На правах рукописи

Кротов Николай Александрович

Анализ и разработка алгоритмов повышения пропускной способности сетей

стандарта GSM

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики (МТУСИ).

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор

Шорин Олег Александрович

Официальные оппоненты кандидат технических наук

Кудин Анатолий Владимирович

доктор технических наук Приходько Виктор Владимирович

Ведущая организация Государственный

специализированный проектный институт радио и телевидения (ФГУП ГПСИРТВ)

Защита диссертации состоится " Ц" 2006 года в 13-РО часов на

заседании диссертационного совета К.219.001.03 в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. У ^ •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан " { " СМОЙ8¡) <12006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К.219.001.03 _,

кандидат технических наук, доцент Поборчая Наталья Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перед любой компанией, занимающейся бизнесом в области телекоммуникаций, стоит задача минимизации затрат на строительство и развитие сети при сохранении приемлемых показателей качества. Не являются исключением и компании сотовой связи. В настоящее время в России идет бурное развитие телекоммуникационной сферы, а особенно, мобильной связи, причем наибольшее распространение получил стандарт GSM. Все больше услуг пользуются спросом у рядового абонента сотовой связи: различные сервисы на базе технологии GPRS/EDGE (в скором времени с использованием более новой технологии UMTS), обмен SMS и MMS сообщениями, причем эти дополнительные услуги позволяют по разным оценкам увеличить такой важный экономический показатель деятельности оператора как ARPU (средний доход с одного абонента) на 15-20%. Развитие новых технологий требует развития оборудования, на котором эти технологии будут реализованы.

Разработка оборудования является прерогативой компаний-поставщиков оборудования, и влияние операторов сотовой связи в этой части минимально. Основной задачей операторов связи является предоставление качественных услуг на имеющемся оборудовании, используя и настраивая в сети определенным образом те или иные опции. В этой части у операторов имеются достаточно большие возможности.

Не стоит забывать об основной функции на данном этапе развития подвижной связи — предоставление голосовых услуг. В настоящее время степень развития рынка телекоммуникационных услуг такова, что абоненты хотят не просто иметь возможность разговаривать в любом месте в любое время, но и получать качественные услуги. Поскольку под любые сервисы занимается один и тот же физический ресурс — радиоканал, то необходимо, во-первых, грамотно распределять имеющийся ресурс между различными сервисами, а во-вторых, применяя различные алгоритмы, использовать его максимально эффективно. Анализу проблем алгоритмов управления, хранения информации, а также математическому описанию процессов, происходящих в системах с массовым обслуживанием, посвящено множество работ, как зарубежных, так и отечественных ученых. Среди основополагающих трудов стоит отметить работы Б.С. Лифшица, А.Д. Харкевича, А.П. Пшеничникова, М.А. Шнепса, У.К. Ли, Л. Клейнорка.

Эффективность использования частотного ресурса, выделенного под стандарт GSM, в нашей стране особенно актуальна из-за наличия различных ограничений, особенно в диапазонах частот 880-915 МГц и 925-960 МГц. Зачастую бывает просто невозможно увеличить емкость сети за счет добавления трансиверов, т.к. это может привести к появлению интерференции, а значит, к резкому ухудшению качества предоставляемых услуг. Поэтому в ряде случаев важнейшую роль играет использование различных способов и алгоритмов, позволяющих перераспределять трафик и увеличить емкость сети без установки дополнительных трансиверов. Более того, ставится задача увеличивать емкость динамически и в нужный момент времени, т.е. когда

действительно имеет место нехватка каналов на радиоинтерфейсе. Другими словами, необходимо применять алгоритмы, при помощи которых можно предсказывать перегрузки и управлять емкостью сети.

С учетом изложенных выше факторов, проведение анализа, оценки эффективности и влияния на качественные показатели основных опций, позволяющих увеличить емкость сети, а также определение параметров математической модели предсказания перегрузок и перераспределения голосового и пакетного трафика применительно к сетям стандарта GSM являются актуальными задачами.

Цель работы. Целью диссертационной работы является решение задачи по увеличению пропускной способности сетей стандарта GSM на основе разработанных математических моделей теории массового обслуживания.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс теоретических и экспериментальных задач, а именно:

1. разработать практические рекомендации по - использованию существующих опций, позволяющих увеличить емкость сети;

2. разработать алгоритм расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения»;

3. определить параметры математической модели для предсказания перегрузок на радиоинтерфейсе подсистемы базовых станций применительно к сетям стандарта GSM;

4. на основе экспериментальных данных разработать и обосновать алгоритм по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе между пакетным и голосовым трафиком для максимально эффективного использования имеющейся емкости сети.

Общая методика исследования. При разработке алгоритма расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения» и определении параметров модели для предсказания перегрузок использовались методы теории массового обслуживания и теории телетрафика, теории вероятностей и статистической радиотехники.

Научная новизна работы:

1. Исследована и обоснована математическая модель для прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM. Определены ее параметры, учитывающие особенности определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM, а именно, интенсивности входящих и исходящих хендоверов, позволяющие принимать решение о возникновении перегрузок за 100-300с до их появления.

2. На основе анализа и обработки статистических данных (более 1.000.000 измерений) разработан алгоритм настройки процедуры «прямого переназначения», который позволяет снизить перегрузки на радиоинтерфейсе подсистемы базовых станций в среднем в 1.3-1.5 раза при

сохранении процента обрывов соединений на уровне 1-1.2%. При этом допустимо иметь не более 15% сигналов с уровнем ниже -95 дБм.

3. На основе анализа и обработки статистических данных (более 600.000 измерений) разработана и обоснована методика перераспределения ресурсов между голосовым и пакетным трафиком, позволившая обеспечить минимально необходимый трафик для пакетной передачи данных без заметного ухудшения показателей качества для голосовой услуги.

4. На основе анализа и обработки статистических данных (более 700.000 измерений) проведена оценка влияния различных видов хендоверов, в том числе для иерархических сот, процедуры «прямого переназначения», режима полускоростного кодирования, псевдослучайной перестройки частоты, регулировки мощности, непостоянного излучения в зависимости от структуры сети и обслуживаемой нагрузки на пропускную способность сети. Это позволило выработать рекомендации по их применению.

, Личный вклад. Результаты проведенных теоретических . и практических исследований, а также вытекающие из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность. Практическая ценность диссертации заключается в следующем:

1. Методика оценки показателей качества для подсистемы базовых станций позволила при объективном сравнении региональных сетей ОАО «ВымпелКом», построенных на оборудовании различных производителей, повысить эффективность используемого оборудования в среднем на 10%.

2. Методика перераспределения нагрузки между секторами диапазонов ОБМ900 и С8М1800 позволило в ряде зон, обслуживаемых двухдиапазонными сотами, снизить перегрузки в сотах диапазона С8М900 в 1.5-2 раза.

3. Методика настройки процедуры «прямого переназначения» позволила увеличить пропускную способность в ряде фрагментов региональных сетей ОАО «ВымпелКом» на 20-25%.

4. Алгоритм динамического управления ресурсами подсистемы базовых станций позволил увеличить объем передаваемого трафика данных в сетях, построенных на оборудовании «Сименс», на 4-6% за счет перераспределения выделенного ресурса радиоканалов между голосовым и пакетным трафиком.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «ВымпелКом» и департаменте «Телекоммуникации» ООО Сименс, что подтверждено актами о внедрении.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва, 2004 - 2006 гг.), на международной

конференции «2-nd IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications» (Москва, 2004 г.).

Публикации. Всего опубликовано 20 печатных работ, из них - 12 по теме диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На основе анализа основных опций, используемых операторами сотовой связи для увеличения емкости сети, разработаны рекомендации по их применению, подтверждающиеся практическими результатами:

- при проектировании сети целесообразно ориентироваться на долю трафика в режиме Half Rate 20-30%;

- применение процедуры «прямого переназначения» позволяет увеличить емкость сети на величину до 25%;

- настройка двухдиапазонной сети позволяет увеличить эффективность использования ресурса соты на величину до 5%;

- использование псевдослучайной перестройки частоты позволяет улучшить значения CunSR на 15 %, а значение TAsFR_radio — практически в два раза.

2. Параметры математической модели для прогнозирования роста перегрузок на основе параметров мобильности, вычисляемых в сетях стандарта GSM, показывают, что при интенсивности = Ю аб/с необходимый интервал анализа составляет 100-300 с, что примерно в 3-4 раза меньше времени возникновения реально ощутимых перегрузок из-за каких-либо ситуаций типа «пробок», аварий и пр. Это позволяет использовать полученную модель для динамического перераспределения ресурсов сети.

3. Полученная аналитическая формула показывает, что при значении Signal_levmiI1= -95дБм, для сохранения значений неуспешных соединений не выше 2% настройка логических параметров, отвечающих за работу процедуры «прямого переназначения», должна производиться таким образом, чтобы доля сигналов с уровнем ниже граничного не превышала 15%.

4. Найденные параметры по настройке алгоритма перераспределения ресурсов на радиоинтерфейсе между голосовым и пакетным трафиком позволяют удерживать значение РотКЯ,га на уровне 1-2%, при минимальном воздействии на РОТ1С:

MAX_PDCH = кол-во TS — 1 (для секторов с 1-м и 2-мя трансиверами); MAX_PDCH = кол-boTS—2 (для секторов с тремя и более трансиверами); HIGHTRAFFIC = 100*(МАХ_РОСН)/(кол-во TS), где TS -доступные тайм-слоты, не занятые служебными каналами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 82 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены результаты, полученные в процессе подготовки диссертации, определены практическая ценность и области применимости основных положений диссертационной работы, выносимых на защиту, приведены сведения об апробации полученных результатов.

В первой главе диссертационной работы даны классификация и описание основных опций, позволяющих увеличить емкость сети и использующихся большинством операторов мобильной связи: различных видов хендовера, в том числе для иерархических сот, процедуры «прямого переназначения», режима полускоростного кодирования, псевдослучайной перестройки частоты, регулировки мощности и непостоянного излучения. На основе проведенного анализа сформулированы основные положения, подлежащие детальному исследованию и позволяющие повысить эффективность используемых ресурсов сетей сотовой связи.

Основными причинами плохого качества предоставления той или иной услуги являются нехватка емкости ресурсов базовой станции, что приводит к перегрузкам на радиоинтерфейсе и радио проблемы, т.е. интерференция и/или внешние помехи. В результате.проведенного анализа предлагается следующая классификация опций:

1. опции, уменьшающие перегрузки, т.е. позволяющие перераспределять трафик между соседними сотами (некоторые виды хендоверов, использование полускоростного режима кодирования, применение иерархической структуры сетей);

2. опции, уменьшающие интерференцию в среднем по сети (псевдослучайная перестройка частоты, регулировка мощности и непостоянное излучение).

В самом начале развития сети, когда основной проблемой является нехватка емкости сети, и, как следствие, наличие перегрузок, целесообразно использовать и настраивать соответствующим образом опции, входящие в первую группу. В дальнейшем, в процессе оптимизации, когда основную роль начинают играть радиопроблемы, имеет смысл особое внимание уделить опциям, входящим во вторую группу. С практической точки зрения, особый интерес представляют собой опции, входящие в первую группу, поскольку именно их применение дает наиболее заметный результат, как с технической, так и с экономической точки зрения. Наибольшую свободу оператор имеет при настройке процедуры «прямого переназначения», но на настоящий момент значения логических параметров, отвечающих за работу данной опции, выбираются исходя из опыта конкретных инженеров, занимающихся оптимизацией, т.е. не существует математически обоснованного подхода. Исходя из этого, необходимо решить задачу нахождения аналитической зависимости, позволяющую обоснованно подходить к настройке процедуры «прямого переназначения». Наибольшую практическую ценность имеет настройка не в статическом режиме, а динамически. Для этого на основе обработки и анализа статистических данных, полученных с элементов сети, необходимо определить параметры математической модели предсказания

перегрузок и учесть распределение имеющихся ресурсов между голосовым и пакетным трафиком применительно к сетям стандарта GSM, что входит в перечень решаемых в дальнейшем задач.

Во второй главе рассмотрены основные методы оценки качества сетей — проведение драйв-тестов, анализ статистик, получаемых с элементов сети подсистем базовых станций и коммутации, анализ трассировок, снимаемых с различных интерфейсов. В силу наибольшей репрезентативности выборки, относительно небольшой стоимости и простоты сбора данных, основным следует признать анализ статистик, однако, этот метод не позволяет оценить все аспекты, касающиеся качества предоставляемых услуг, поэтому только совместное использование всех трех, взаимодополняющих друг друга методов, позволяют оператору сотовой связи иметь полную и объективную картину о качестве предоставляемых абонентам услуг.

Приведены основные принципы формирования индикаторов качества, а также разработан подход к составлению формул для вычисления показателей качества. Вся процедура звонка разбивается на несколько частей (согласно этапам при процедуре установления соединения), а затем, путем перемножения вероятностей неуспеха, вычисляется глобальный показатель качества - процент неуспешных соединений (CunSR), который характеризует состояние сети в целом и позволяет сравнивать сети между собой, и включает процент неуспешных назначений канала управления (SDAsFR), процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале управления (SDCDR), процент неуспешных назначений канала трафика (TAsFR) и процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале трафика (TCDR).

Показано, что вычисление показателей качества в час наибольшей нагрузки позволяет судить о наихудшей ситуации в сети, а оценка интегрально за неделю (минимальный период повторения профиля трафика) дает представление о тенденциях развития сети, исключая кратковременные «всплески» трафика (например, проведение праздничных мероприятий).

Практические результаты использования каждой из опций доказывают необходимость и эффективность их применения:

- теоретически, режим Half Rate позволяет удвоить емкость, однако, имеется ряд ограничений, из-за которых при проектировании сети целесообразно ориентироваться на долю трафика в режиме Half Rate 20-30%;

- применение процедуры прямого переназначения позволяет увеличить емкость сети на величину до 25%;

- настройка двухдиапазонной сети позволяет увеличить эффективность использования ресурса соты на величину до 5%;

- использование псевдослучайной перестройки частоты позволяет улучшить значения CunSR на 15 % , а значение TAsFR_radio — практически в два раза;

- применение непостоянного излучения не дает такого явного выигрыша, как остальные опции, однако, эта опция позволяет на 1.5-2% увеличить долю сигналов с RXQUAL=0.

В третьей главе приведены алгоритмы настроек для повышения пропускной способности сетей стандарта GSM. На примере процедуры «прямого переназначения» - одного из основных способа уменьшения перегрузок — рассмотрено ее влияние на такие показатели качества сети, как вероятность отказа, процент обрывов соединений и процент неуспешных соединений. Из принципа работы этой процедуры следует, что важен компромисс между уменьшением значений перегрузок и увеличением значений обрывов соединений. В противном случае можно получить ухудшение значений процента неуспешных соединений. На основе обработки экспериментальных данных (более 6.000 измерений) было показано, что расчет вероятностей отказов с учетом зон перекрытия может быть произведен по формуле:

_1_ N\

Р =

\N

—4v

М Я 4'-1

.V ■,

Y-

' г о

A.V ir

., ZsK лк-l И к' 1 н

где N - количество доступных тайм-слотов в соте; А* — интенсивность запросов на занятие тайм-слота; ц — параметр, обратный средней длительности обслуживания; К — кратность перекрытия (предполагается, что максимально сота имеет четырехкратное перекрытие, т.е. К = 4); — площадь соты, на которой наблюдается к-кратное перекрытие; Бс — площадь соты.

Найденное выражение хорошо коррелируется с практическим результатами (см. рис. 1), полученными для сот с активированной процедурой «прямого переназначения», что позволяет увеличить емкость сот до 25%. Поскольку входящий в полученную формулу параметр, определяющий гс=гсв„и/гсоть„ логически соответствует установке значения Б1§па1_1еут5п, отвечающего за работу «прямого переназначения», то с учетом аппроксимации экспериментальных данных аналитическим выражением получена зависимость между вероятностью отказов и долей сигналов с уровнем нижем граничного (см. рис.2).

Аналогичным образом было получено аналитическое соотношение, позволяющее вычислять процент обрывов соединений в зависимости от доли сигналов с уровнем ниже граничного (см. рис. 3).

0.5

1.5

кол-во вызовов в сек

Рис.1

Рож

0.14 0.12 0.1

0.08 0.06 0.04 0.02

1 1 •

1 1 «

» »

1 «

1 к

1

( 1 1

0.01 0.02 даля сигналов с уровнем ниже граничного

Рис.2

Рис.3

—^Ротх -обрывы ооеяинвиий-неуспешные сочетания

Используя значение Р-критерия Фишера-Снедекора, была доказана значимость проведенной оценки при построении кривых регрессий при условии порога достоверности равного 95%. Коэффициенты регрессий для зависимостей г0 и

обрывов соединений были " получены исходя из минимума среднеквадратического отклонения. Были найдены коэффициенты, минимизирующие следующие функции:

СКОх = X

г

Уи

а L

—+ь

где уи и y2t — экспериментальные значения гс и обрывов соединения соответственно, Хц и X2i - экспериментальные значения доли сигналов с уровнем ниже порогового, а, Ь, с, d - коэффициенты регрессии.

Решение соответствующих уравнений позволило найти коэффициенты регрессий:

а = -0.013,6 = 1.96,с = 0.01 \,d = 3.94.

После проведения необходимых вычислений, были получены следующие границы доверительных интервалов: ¿±0.814 (1), с ±0.016 (2).

Таким образом, с вероятностью 95% значения гс попадают в границу, определяемую выражением (1), а обрывов соединения — выражением (2). Приняв за необходимый уровень значение неуспешных соединений равное 2%, допустимо иметь 15% сигналов с уровнями ниже граничного (см. рис. 4). Исходя из этого, необходимо соответствующим образом выбирать значения логических параметров при настройке процедуры «прямого переназначения».

Рассмотрен один из наиболее актуальных для операторов вопрос о перераспределении ресурсов между голосовым и пакетным трафиком с целью повышению пропускной способности сетей стандарта GSM с учетом технологии GPRS. На основе предлагаемых рядом поставщиков оборудования способов динамического управления ресурсами, предложен и обоснован алгоритм, позволяющий максимально эффективно использовать имеющий ресурс на радиоинтерфейсе, и удовлетворять нормативам на значения показателей качества для голосового трафика при достижении как можно лучших значений показателей качества для пакетного трафика.

Показано, что в качестве настройки «по умолчанию» целесообразно даже в условиях большого голосового трафика позволять пакетному трафику занимать один тайм-слот. Разработаны значения логических параметров для настройки сот с учетом количества имеющихся в соте трансиверов. Запрет на выделение тайм-слотов под пакетный трафик, увеличение значений параметра, определяющего высокую загрузку соты и уменьшение времени оценки загрузки соты хотя и улучшают ситуацию с неуспешным назначением TBF в обратном направлении, но значение этого индикатора качества остается недопустимо высоким.

Разработанные алгоритмы можно применять при ручной настройке из Центра управления сетью. Но особый практический интерес представляет собой разработка новой опции для сетей сотовой связи второго поколения, позволяющая автоматически в зависимости от текущей ситуации и роста нагрузки подстраивать логические параметры для наиболее эффективного

использования имеющихся ресурсов. Для реализации этого необходимо определить параметры математической модели для прогнозирования роста нагрузки применительно к сетям стандарта GSM.

В четвертой главе описана математическая модель, используемая при разработке алгоритма предсказания перегрузок. При теоретических выводах использована наиболее распространенная в теории массового обслуживания модель Эрланга: входящий поток заявок X описывается законом Пуассона, а длительность обслуживания 1/|д каждой заявки подчиняется экспоненциальному распределению. При этом интенсивность входящего потока пропорциональна числу абонентов в соте. С учетом рассмотренных особенностей определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM, когда перемещение абонентов можно оценить на основе интенсивности входящих и исходящих хендоверов Рч,0 и Цьо соответственно), а также, принимая во внимание особенности сбора статистики, показано, что перегрузка, возникающая из-за занятия абонентами всех имеющихся в системе ресурсов, однозначно связана с отношением параметров мобильности >.hl>/|iho. Исходя из этого, формирование соответствующих оценок этих параметров позволит предсказать появление перегрузок на радиоинтерфейсе. Рассмотрены основные виды изменения интенсивностей параметров мобильности. В случае входящих хендоверов — это скачок интенсивности, и линейный закон изменения интенсивности — поток входящих в соту хендоверов описывается линейным законом: ЯМо (/) = + ЛМ4 ■ t. Первый случай соответствует таким реальным ситуациям, как окончание массового мероприятия и движение основной массы абонентов в одном направлении (к станции метро, автобусной остановке и т.д.), непредвиденная поломка одной из базовых станций, внезапная отмена рейса или поезда и т.д. Ко второму случаю можно отнести образование «пробок» на дорогах в утреннее и вечернее время, прибытие встречающих к определенному моменту времени в аэропорты и на ж/д станции.

Изменение интенсивности исходящих хендоверов происходит по двум законам - скачком, т.е. аналогично скачку входящих хендоверов, например, при окончании каких-либо массовых мероприятий и последующее движение абонентов из соты, возникновении «пробок» и т.д. Обратно пропорциональный закон изменения интенсивности соответствует постепенному рассасыванию «пробок», окончанию занятий в институте и движению студентов к метро и т.д. и описывается как:

А.(0=

Mho 1 . при / </0, Мш

при /¿/0.

} + "('-'оУ

Алгоритм оценки параметров, найденный по условному критерию максимального правдоподобия для определения скачка интенсивности входящих хендоверов, следующий:

I -ОЬ.

лАо1 гр - в случае принятия решения в пользу гипотезы Щ,

п2 (Т0 ) - в случае принятия решения в

Т

Т "Л)

2 _ г V О /

ко\ — ~ » пользу гипотезы Н].

Ло2 - "

Т-1

где гипотеза Но соответствует постоянной интенсивности Пуассоновского потока, гипотеза Н| — скачку интенсивности, - общее число запросов, поступивших на соту на интервале анализа [О, Т], I - параметр предполагаемого момента возникновения скачка, п^) — число запросов, поступивших на интервале времени [0,1].

В случае линейного изменения интенсивностей входящих хендоверов оценки параметров, полученные с использованием критерия максимального

правдоподобия, вычисляются следующим образом: ?

Лы = - в случае решения в пользу гипотезы Н0 (ситуация с постоянной интенсивностью),

' X

Ло2 ~ т >

* . - в случае принятия решения в пользу

^ср ~ . Nг гипотезы /7; (с интенсивностью,

_ И, Т меняющейся по линейному закону).

Лш = Т~(^т72'

1 + —■

2 О.

Получить совместный алгоритма обнаружения изменения интенсивности потока и провести оценку неизвестных параметров в случае исходящих хендоверов сложнее, чем для потока входящих хендоверов, поскольку в последнем случае анализ проводится непосредственно по характеристикам входящего потока. Этого нельзя утверждать для выходящего потока, т.к. его интенсивность зависит от произведения параметра ¡лк01. Изменение , в общем случае, приводит к изменению числа абонентов, поэтому прямая оценка динамических характеристик параметра ц^ только по выходящему потоку становится невозможной. В решениях возникает связь с динамикой изменения числа абонентов в соте, а значит, они усложняются. Детальный анализ показывает, что величина изменения параметра определяет не только амплитуду, но и длительность переходного процесса выходящего пуассоновского потока. Указанный поток оказывается нестационарным с параметрической связью. Рассматриваемая модель описывает возникновение «пробок». Сначала происходит скопление машин на относительно небольшом

14

участке, а затем, «пробка» будет разрастаться, увеличится время нахождения абонентов в переделах соты.

Используя положения теории статистического анализа, для оптимального различения двух гипотез необходимо сравнить отношение правдоподобия с фиксированным порогом. В условиях параметрической априорной неопределенности рассматриваются условные плотности вероятности (для каждой из гипотез), находится их максимум по неизвестным параметрам, и далее берется отношение этих плотностей.

Оценка производится согласно следующим формулам:

А» (л0)= гр — у

- в случае вынесения решения в пользу гипотезы Но,

•О*I/яип >'пк I

ЛАо - Г» Я

_ 1 К-К(Та) "" ~ Т -?0 Е[(?0) '

Рко 3 = О,

где =

- в случае вынесения решения в пользу гипотезы Н1 при условии скачка интенсивности исходящих хендоверов.

Л-"(О;

«г(/0)

к-к{(0)

Л^-^('о)

'о—п'о/

ао2(Я1)=РЛо2(Г0)=—!-

- в случае вынесения решения в пользу гипотезы Н( при условии Цьоз^О,

к-к(г0)

т-та

т-тп

1 ~'о

г-г.^т-^ж^

здесь

40=

J > N*™> f J \ \l

rtt0)л f jM'o) 1

iM',»;

T-t„

V

Ш

A

ГЧп

(fcH^W

ЗЫ

На основании теоретических выводов были определены параметры алгоритмов обнаружения изменений интенсивностей входящих и исходящих хендоверов применительно к реальным сетям стандарта GSM. Показано, что величина Xh0 в городских условиях изменяется от 5 до 15 аб/с. Положив значение >.h0 равным 10 аб/с, при увеличении потока интенсивностей входящих хендоверов на 20% интервалы анализа должны составлять 100-300 с. Данное время примерно в 3-4 раза меньше времени возникновения реально ощутимых перегрузок из-за каких-либо ситуаций типа «пробок», аварий. и пр. Доказано, что рассмотренные алгоритмы обнаружения можно использовать для оценки интенсивностей хендоверов сетей стандарта GSM с целью дальнейшего использования их в алгоритмах предсказания перегрузок.

Показано, что число абонентов, находящихся в зоне действия соты и интенсивность запросов на установление соединения связаны линейно, т.е. имеет место прямая зависимость между уровнем нагрузки в соте и количеством абонентов в соте. Проведенные наблюдения за рядом сетей различной конфигурации и различным поведением абонентов показывают, что отношение входящих хендоверов к количеству звонков, начинающихся в соте, находится в пределах от 0.5 до 1.5. Другими словами, количество потенциально активных абонентов в соте будет как минимум в 1.5-2.5 раза больше количества входящих хендоверов. Это позволяет оценить минимальное количество звонков абонентов, которое может быть инициировано в соте, и при практической реализации рассматриваемых алгоритмов прогноза перегрузок необходимо учитывать указанное выше соотношение для расчета необходимой емкости.

Определены параметры математической модели для предсказания перегрузок как в случае скачкообразного изменения интенсивностей хендоверов, так и для изменения по линейному закону. Мобильность абонентов делает процесс изменения нагрузки в соте достаточно сложным и ступенчатым. На первом этапе происходит изменение параметров модели, описывающих интенсивности входящих и исходящих хендоверов. На втором этапе, вследствие изменения параметров этой модели, происходит переходной процесс, описывающий установление нового количества активных абонентов в соте. Рассмотрена и доказана необходимость использования каждого этапа.

Необходимость первого этапа ясна — надо обнаружить и оценить параметры изменившейся модели, описывающей мобильность абонентов. В случае скачкообразного изменения положительное решение о потенциальной перегрузке выносится путем сравнения отношения А^, / fi^, с неким критическим уровнем ркр. Если имеет место линейное изменение интенсивности входящих

или исходящих хендоверов, то решение о возможной перегрузке выносится, если оценка параметров Лш или /Ико1 будет больше нуля.

После обнаружения потенциальной угрозы возникновения перегрузок, может потребоваться подтверждение данной гипотезы на основе анализа переходных процессов, происходящих в соте при скачкообразном и линейном характере изменения интенсивностей входящих хендоверов. На рис. 5 приведен поясняющий пример, из которого видно, в чем состоит предлагаемая процедура анализа переходного процесса после обнаружения скачка интенсивности (этот случай наиболее нагляден).

С учетом сделанных предположений изменение числа абонентов скачком описывается процессом рождения и гибели со следующими коэффициентами:

-Мы, •» = --"/«,('-О. К2(0 = 4» + = (' + О* = 2Л„0, , Я.

где V

Ъа

~ М,о ' ряда преобразований

После интенсивности имеем:

в случае скачкообразного изменения

Для линейного закона изменения интенсивности:

'(о)-

Ъо2

Мьо

ЛюЗ 2

Мко

2 +

Мно ) Иьо

т иР Рис.5

Найденные выражения подтверждаются практическими данными,

полученными для реальных ситуаций в сетях стандарта GSM.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Предложена классификация опций, позволяющих увеличить емкость в сетях стандарта GSM.

2. Определена последовательность применения рассмотренных опций в сетях стандарта GSM в зависимости от существующей конфигурации сети, степени развития, а также значений основных показателей качества.

3. Рассмотрены основные показатели качества, разработанные с учетом особенностей оборудования различных производителей, предложены принципы их формирования.

4. Проведен анализ влияния опций, увеличивающих емкость сети, на качественные показатели сети.

5. Проведен анализ влияния процедуры «прямого переназначения» на основные качественные показатели сети: вероятность отказа и значения обрывов соединения.

6. Разработан алгоритм настройки процедуры «прямого переназначения», при которой допускается иметь не более 15% сигналов с уровнем ниже -95 дБм. Это позволяет удерживать значения неуспешных соединений на уровне не выше 2%.

7. Разработан алгоритм настройки сети с учетом технологии GPRS, позволяющий обеспечивать значение Рощ gprs на уровне 2% при минимальном воздействии на РОТк.

8. Показано, что изменение интенсивностей входящих и исходящих хендоверов приводит к переходным процессам изменения нагрузки за счет самих хендоверов, а также к изменению количества потенциально активных абонентов.

9. Для сетей стандарта GSM определены параметры алгоритмов предсказания перегрузок, позволяющие проводить анализ и выносить решение о возможных перегрузках за 100-300 с до их появления.

Список публикаций по теме диссертации

1. Меркулов В.Е., Кротов H.A. Приближенный анализ вероятностей блокировки в СПСС с учетом повторных вызовов. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 04.07.04 №2251 св. 2004, с. 2-12.

2. Кротов H.A., Шорин O.A. Эффективность методов перераспределения нагрузки в сетях стандарта GSM. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 04.07.04 №2251 св. 2004, с. 13-23.

3. Кротов H.A. Разновидности хендовера в сотовых сетях стандарта GSM. Деп. в ИДТИ «Информсвязь» от 04.07.04 №2251 св. 2004, с. 24-35.

4. Кротов H.A. Анализ опций, позволяющих увеличить емкость в сетях стандарта GSM. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 12.07.05 №2266 св. 2005, с. 2-24.

5. Кротов H.A., Шорин O.A. Экспериментальные результаты применения алгоритмов перераспределения нагрузки в сетях стандарта GSM// Труды МТУСИ., Москва, 2004, с. 59-66.

6. Кротов H.A., Шорин O.A. Влияние процедуры «прямого переназначения» на качественные показатели сети// Труды МТУСИ., Москва, 2005, с. 74-82.

7. Nickolay Krotov, Oleg Shorin. Results of using traffic control algorithms in cellular mobile networks// 2-nd IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications, Moscow, 2004, c. 111-114.

8. Шорин O.A., Кротов H.A. Методика настройки параметров по перераспределению ресурсов между голосовым и пакетным трафиком. Труды XIX конференции «Мобильный бизнес: оптимизация, конвергенция и эффективность сетей и услуга, Тунис, май 2006.

9. Кротов H.A., Шорин O.A. Методы настройки двухдиалазонной сети стандарта GSM. Тезисы докладов НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ., - М.: МТУСИ., 2004, с. 194-195.

10. Кротов H.A., Шорин O.A. Алгоритмы перераспределения нагрузки в сетях сотовой связи. Тезисы докладов НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ., - М.: МТУСИ., 2004, с. 195.

11. Кротов H.A., Шорин O.A. Процедура «прямого переназначения» -эффективный способ перераспределения нагрузки в сетях сотовой связи// Тезисы докладов НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ., - М.: МТУСИ., 2004, с. 195-196.

12. Кротов H.A., Шорин O.A. Анализ влияния процедуры «прямого переназначения» на вероятность отказов в сетях сотовой связи. Тезисы докладов НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ., - М.: МТУСИ., 2005, с. 182.

Принято к исполнению 02/08/2006 Исполнено 08/08/2006

Заказ № 526 Тираж: 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское т., 36 (495) 975-78-56 (495) 747-64-70 www.autoreferat.ru

Введение

1. Анализ опций, увеличивающих емкость сети.

1.1 Введение.

1.2 Анализ и классификация существующих опций.

1.3 Процедура хендовера.

1.4 Процедура хендовера в сетях с иерархической структурой.

1.5 Режим полускоростного кодирования.

1.6 Псевдослучайная перестройка частоты.

1.7 Регулировка мощности.

1.8 Непостоянное излучение.

1.9 Выводы.

2. Методы оценки качества сетей сотовой связи. Анализ влияния опций, увеличивающих емкость сети, на основные показатели качества сети.

2.1 Введение.

2.2 Методы оценки качества сетей сотовой связи.

2.3 Определение основных показателей качества сети.

2.4 Способы вычисления индикаторов качества сети.

2.5 Анализ влияния опций, увеличивающих емкость сети, на качественные показатели.

2.6 Оценка эффективности использования существующих опций. Рекомендации по их применению.

2.7 Выводы.

3. Алгоритмы настроек сетей стандарта GSM для повышения их пропускной способности.

3.1 Введение.

3.2 Влияние процедуры прямого переназначения на качественные показатели сети.

3.3 Методика настройки параметров по перераспределению ресурсов между голосовым и пакетным трафиком.

3.4 Выводы.

4. Алгоритмы обнаружения изменений интенсивностей хендоверов и прогнозирования перегрузок для сетей стандарта GSM.

4.1 Введение.

4.2 Особенности определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM.

4.3 Описание математической модели.

4.4 Модели изменений интенсивности параметров мобильности. 108 Параметры моделей для сетей стандарта GSM.

4.5 Взаимосвязь числа активных абонентов и потенциально активных абонентов.

4.6 Алгоритмы предсказания перегрузок и их параметры применительно к сетям стандарта GSM.

4.7 Принципы сбора статистики в сетях стандарта GSM.

4.8 Выводы.

Актуальность темы. Перед любой компанией, занимающейся бизнесом в области телекоммуникаций, стоит задача минимизации затрат на строительство и развитие сети при сохранении приемлемых показателей качества. Не являются исключением и компании сотовой связи. В настоящее время в России идет бурное развитие телекоммуникационной сферы, а особенно мобильной связи, причем наибольшее распространение получил стандарт GSM. Все больше и больше услуг пользуются спросом у рядового абонента сотовой связи: различные сервисы на базе технологии GPRS/EDGE (в скором времени с использованием более новой технологии UMTS), обмен SMS и MMS сообщениями, причем эти дополнительные услуги позволяют по разным оценкам увеличить такой важный экономический показатель деятельности оператора как ARPU (средний доход с одного абонента) на 1520% [12]. Естественно, что развитие новых технологий требует развития оборудования, на котором эти технологии будут реализованы. Это является довольно сложной задачей, и различные компании-производители оборудования решают ее по-своему, но удовлетворяя требованиям стандартов (ETSI, ITU и т.д.). Однако ряд способов, применяемых при реализации того или иного узла, является общим. В качестве примера можно привести методы линеаризации усилителей мощности [23,62-67,72], использование которых становится актуальным в сетях сотовой связи при переходе к EDGE и сетям третьего поколения, где используются сигналы не с постоянной (как в GSM), а переменной огибающей [10].

Разработка оборудования является прерогативой компаний-поставщиков оборудования, и влияние операторов сотовой связи в этой части минимально. Но, безусловно, пожелания, и особенно, претензии к существующему оборудованию и программному обеспечению учитываются, и вносятся соответствующие коррективы. Стоит признать, что основной задачей операторов связи является предоставление качественных услуг на имеющемся оборудовании, используя и настраивая в сети определенным образом те или иные опции. В этой части у операторов имеются достаточно большие возможности.

Не стоит забывать об основной функции на данном этапе развития подвижной связи - предоставление голосовых услуг. В настоящее время степень развития рынка телекоммуникационных услуг такова, что абоненты хотят не просто иметь возможность разговаривать в любом месте в любое время, но и получать качественные услуги. Необходимо отметить, что поскольку под любые сервисы занимается один и тот же физический ресурс -радиоканал, то необходимо, во-первых, грамотно распределять имеющийся ресурс между различными сервисами, а во-вторых, применяя различные алгоритмы, использовать его максимально эффективно. Анализу проблем алгоритмов управления, хранения информации, а также математическому описанию процессов, происходящих в системах с массовым обслуживанием, посвящено множество работ, как зарубежных, так и отечественных ученых. Среди основополагающих трудов стоит отметить работы Б.С. Лифшица, А.П. Пшеничникова, А.Д. Харкевича, М.А. Шнепса, У.К. Ли, Л. Клейнорка.

Эффективность использования частотного ресурса, выделенного под стандарт GSM, в нашей стране особенно актуальна из-за наличия различных ограничений, особенно в диапазонах частот 880-915 МГц и 925-960 МГц (для краткости далее диапазон 900 МГц). Зачастую бывает просто невозможно увеличить емкость сети за счет добавления трансиверов, т.к. это может привести к появлению интерференции, а значит, к резкому ухудшению качества предоставляемых услуг. Поэтому в ряде случаев важнейшую роль играет использование различных способов и алгоритмов, позволяющих перераспределять трафик и увеличить емкость сети без установки дополнительных трансиверов. Более того, ставится задача увеличивать емкость динамически и в нужный момент времени, т.е. когда действительно имеет место нехватка каналов на радиоинтерфейсе. Другими словами, необходимо применять алгоритмы, при помощи которых можно предсказывать перегрузки и управлять емкостью сети.

С учетом изложенных выше факторов проведение анализа, оценки эффективности и влияния на качественные показатели основных опций, позволяющих увеличить емкость сети, а также нахождение параметров математической модели предсказания перегрузок и перераспределения голосового и пакетного трафика применительно к сетям стандарта GSM являются актуальными задачами.

Цель работы. Целью диссертационной работы является решение задачи по увеличению пропускной способности сетей стандарта GSM на основе разработанных математических моделей теории массового обслуживания.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- на основе анализа возможностей оценки мобильности абонентов в сетях стандарта GSM определить параметры математической модели для предсказания перегрузок на радиоитерфейсе подсистемы базовых станций;

- разработать практические рекомендации по использованию существующих опций, позволяющих увеличить емкость сети;

- на основе статистической обработки имеющихся экспериментальных данных, полученных с различных элементов сети, разработать алгоритм расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения»;

- на основе экспериментальных данных разработать и обосновать алгоритм по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе между пакетным и голосовым трафиком для максимально эффективного использования имеющейся емкости сети.

Общая методика исследования. При разработке алгоритма расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения» и определении параметров модели по предсказанию перегрузок использовались методы теории массового обслуживания и теории телетрафика, теории вероятностей и статистической радиотехники.

Научная новизна и основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Определены параметры, позволяющие оценить мобильность абонентов, учитывающие особенности определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM.

2. Исследована и обоснована математическая модель для прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM, а также определены ее параметры с учетом найденных параметров мобильности.

3. Разработан алгоритм настройки процедуры «прямого переназначения», который позволяет снизить перегрузки на радиоинтерфейсе подсистемы базовых станций при сохранении низкого уровня процента обрывов соединений.

4. На основе обработки статистических данных (более 1.000.000 измерений) получена аналитическая зависимость по расчету допустимых значений логических параметров базовых станций для настройки «процедуры прямого» переназначения. Проведено исследование полученной формулы, доказана ее состоятельность и найдены доверительные интервалы.

5. На основе обработки статистических данных (более 600.000 измерений) разработана и обоснована методика перераспределения ресурсов между голосовым и пакетным трафиком, позволяющая удовлетворить нормативам по качеству для обеих услуг.

6. На основе обработки статистических данных (более 700.000 измерений) выработаны практические рекомендации по использованию опций, позволяющих увеличить емкость сети.

Личный вклад. Результаты проведенных теоретических и практических исследований, а также вытекающие из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность. Выполненные в диссертационной работе исследования и найденные параметры математической модели для прогноза перегрузок позволяют на раннем этапе возникновения роста трафика предпринимать меры по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе для предотвращения отказов в обслуживании абонентов.

Рассмотренные способы оценки качества сетей подвижной связи и рекомендации по их применению позволяют операторам связи на постоянной основе осуществлять контроль состояния сети и поддерживать качество предоставляемых услуг на высоком уровне.

Рекомендации, приведенные в диссертационной работе по внедрению основных опций, увеличивающих емкость сети, дают возможность оператору сотовой связи наиболее эффективно и своевременно активировать их на своей сети, что позволит наилучшим образом использовать имеющиеся ресурсы.

Разработанная методика настройки процедуры «прямого переназначения» обеспечивает снижение перегрузок на радиоинтерфейсе сетей стандарта GSM при сохранении на низком уровне значений обрывов соединений, что увеличивает эффективность использования имеющихся ресурсов.

Аналитическая зависимость, полученная для расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения» совместно с алгоритмом прогнозирования перегрузок позволяет оператору подвижной связи не только выявлять возникновение перегрузок на раннем этапе, но и вовремя предпринимать меры по их снижению при минимальном влиянии на другие основные показатели качества.

Разработанный и обоснованный алгоритм по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе между голосовым и пакетным трафиком дает возможность в условиях ограниченности ресурсов предоставлять услуги как по передачи голоса, так и по передачи данных с высокими показателями качества.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «ВымпелКом» и департаменте «Телекоммуникации» ООО Сименс, что подтверждено актами о внедрении. Результаты, полученные в работе, применяются в учебном процессе кафедры «Радиотехнические системы» МТУ СИ.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ (Москва, 2004 - 2006 гг.), на международной конференции «IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications» (Москва, 2004 г.).

Публикации. Опубликовано 20 печатных работ [23,24, 57-72,77,82].

Основные положения, выносимые на защиту:

• На основе анализа основных опций, используемых операторами сотовой связи для увеличения емкости сети, разработаны рекомендации по их применению, подтверждающиеся практическими результатами:

- при проектировании сети целесообразно ориентироваться на долю трафика в режиме Half Rate 20-30%;

- применение процедуры прямого переназначения позволяет увеличить емкость сети на величину до 25%;

- настройка двухдиапазонной сети позволяет увеличить эффективность использования ресурса соты на величину до 5%;

- использование псевдослучайной перестройки частоты позволяет улучшить значения CunSR на 15% , а значение TAsFRradio -практически в два раза.

• Параметры математической модели для прогнозирования роста перегрузок на основе параметров мобильности, вычисляемых в сетях стандарта GSM, показывают, что при интенсивности = 10 аб/с необходимый интервал анализа составляет 100-250 с, что примерно в 34 раза меньше времени возникновения реально ощутимых перегрузок из-за каких-либо ситуаций типа «пробок», аварий и пр. Это позволяет использовать полученную модель в оборудовании для динамического перераспределения ресурсов сети.

• Полученная аналитическая формула, показывает, что при значении Signallevmin= -95 дБм, для сохранения значений неуспешных соединений не выше 2% настройка логических параметров, отвечающих за работу процедуры «прямого переназначения», должна производиться таким образом, чтобы доля сигналов с уровнем ниже граничного не превышала 15%.

• Найденные параметры настройки алгоритма перераспределения ресурсов на радиоинтерфейсе между голосовым и пакетным трафиком позволяют удерживать значение Ротк gprs на уровне 1-2%, при минимальном воздействии на Ротк:

Кол-во ТКХШараметр HIGHTRAFFIC MAXPDCH

1 TRX 83% 5

2TRX 92% 12

3TRX 90% 19

4TRX 93% 26

5TRX 94% 34

6TRX 95% 41 и

- для секторов с одним и двумя трансиверами, независимо от наличия режима Half Rate, значения MAXPDCH и HIGHTRAFFIC:

MAXPDCH = Кол-во TS - 1, где TS -доступные тайм-слоты, не занятые служебными каналами.

MAXPDCHHIGHTRAFFIC = 100*(МАХРБСН)/(Кол-во TS);

- для секторов с тремя и более трансиверами, независимо от наличия режима Half Rate:

MAX PDCH = Кол-во TS- 2,

HIGHTRAFFIC = 100 *(МАХРБСН)/(Кол-во TS).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 82 наименований.

4.8 Выводы

С учетом имеющихся теоретических результатов были проанализированы алгоритмы прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM с учетом особенностей определения местоположения абонентов в таких сетях. Показано, что целесообразно использовать и проводить оценку изменения интенсивностей входящих и исходящих хендоверов, т.к. эти параметры, во-первых, однозначно определяют перемещение абонентов, а, во-вторых, достаточно просто оцениваются в реальных ситуациях.

Изменение интенсивности входящих хендоверов приводит к определенным переходным процессам изменения нагрузки за счет самих хендоверов, а также к изменению количества потенциально активных абонентов.

Наиболее ранним этапом обнаружения и предсказание возможных перегрузок является обнаружение изменения параметров мобильности. Для повышения достоверности и избежания реагирования на кратковременные всплески нагрузки, а значит повышения эффективности рассмотренных алгоритмов, целесообразным является проведение второго этапа, основанного на анализе возникающих в соте переходных процессов и превышении на определенном интервале времени заданного уровня нагрузки.

Полученные теоретические выкладки были проверены на реальных сетях, и экспериментальные результаты подтвердили целесообразность использования проанализированных алгоритмов. Для сетей стандарта GSM были определены параметры алгоритмов предсказания перегрузок, на основании которых можно говорить о том, что необходимое время для анализа и вынесения решения о возможных перегрузках составляет порядка 100-3 00с. Современный уровень развития технологий и степень вычислительных мощностей позволяет надеяться на возможность обнаружения потенциальных перегрузок и перераспределении ресурсов в пользу перегруженных сот в реальных системах сотовой связи за указанное время. С учетом особенностей сбора статистической информации, используемых большинством компаний-производителей оборудования для сетей стандарта GSM, рассмотренный выше алгоритм может быть реализован по схеме, указанной в Приложении 2.

Заключение

1. На основе проведенного анализа предложена классификация опций, позволяющих увеличить емкость в сетях стандарта GSM без установки дополнительных трансиверов и которые находят широкое применение на различных этапах развития сети. Все опции можно разделить на две группы: опции, уменьшающие перегрузки, т.е. позволяющие перераспределять трафик между соседними сотами (некоторые виды хендоверов, использование полускоростного режима кодирования, применение иерархической структуры сетей); опции, уменьшающие интерференцию в среднем по сети (псевдослучайная перестройка частоты, регулировка мощности и непостоянное излучение).

2. На основе практических результатов определена последовательность применения рассмотренных опций в сетях стандарта GSM в зависимости от существующей конфигурации сети, степени развития, а также значений основных показателей качества. На первом этапе развития сети, когда основной проблемой является нехватка емкости сети, и, как следствие, наличие перегрузок, целесообразно в первую очередь использовать и настраивать соответствующим образом опции, входящие в первую группу. В дальнейшем, в процессе оптимизации, когда основную роль начинают играть радиопроблемы, имеет смысл большее внимание уделить опциям, входящим во вторую группу.

3. Проведен анализ основных методы оценки качества сетей сотовой связи - тестовые звонки или драйв-тесты, анализ трассировок и обработка статистической информации, получаемой с контроллеров сети. Каждый из этих методов важен для получения полной информации о состоянии сети, дополняет друг друга, но основным в силу ряда рассмотренных особенностей является последний метод. Его использование влечет за собой необходимость определения показателей качества, при помощи которых и производится оценка сетей.

4. Рассмотрены основные показатели качества, разработанные с учетом особенностей оборудования различных производителей. Основным показателем качества является процент неуспешных звонков - С unSR, в состав которого входят процент неуспешных назначений канала управления (SDAsFR), процент обрывов .соединений во время нахождения вызова на канале управления (SDCDR), процент неуспешных назначений канала трафика (TAsFR) и процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале трафика (TCDR). Каждый из этих показателей может быть вычислен как в ЧНН, так и интегрально за какой-либо промежуток времени (как правило, неделю). Как показывает практика, одного способа недостаточно для составления объективной оценки сети, и целесообразно использовать оба метода.

5. Проведен анализ влияния опций, увеличивающих емкость сети, на качественные показатели сети. Все опции направлены на уменьшение показателя CunSR, однако каждая из опций позволяет уменьшить одну (иногда и несколько) составляющую этого индикатора качества. На начальном этапе развития сетей основной задачей является уменьшение перегрузок, и на первый план выходит использование режима полускоростного кодирования, процедуры «прямого переназначения» и настройка двухдиапазонной сети (при условии наличия в сети передатчиков двух диапазонов). При дальнейшем развитии сети встает проблема уменьшения интерференции в сети, и целесообразно применение таких опций как псевдослучайная перестройка частоты, регулировка мощности и непостоянное излучение. Практические результаты использования каждой из опций доказывают необходимость и эффективность их применения.

6. С учетом полученных теоретических результатов проведен анализ алгоритмов прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM с учетом особенностей определения местоположения абонентов в таких сетях. Показано, что целесообразно использовать и проводить оценку изменения интенсивностей входящих и исходящих хендоверов, т.к. эти параметры, во-первых, однозначно определяют перемещение абонентов, а, во-вторых, достаточно просто оцениваются в реальных сетях. Изменение интенсивности входящих хендоверов приводит к определенным переходным процессам изменения нагрузки за счет самих хендоверов, а также к изменению количества потенциально активных абонентов. Наиболее ранним этапом обнаружения и предсказание возможных перегрузок является обнаружение изменения параметров мобильности. Для повышения достоверности и избежания реагирования на кратковременные всплески нагрузки, а значит повышения эффективности рассмотренных алгоритмов, целесообразным является проведение второго этапа, основанного на анализе возникающих в соте переходных процессов и превышении на определенном интервале времени заданного уровня нагрузки. Полученные теоретические выкладки были проверены на реальных сетях, и экспериментальные результаты подтвердили целесообразность использования проанализированных алгоритмов.

7. Для сетей стандарта GSM определены параметры алгоритмов предсказания перегрузок, на основании которых можно говорить о том, что необходимое время для анализа и вынесения решения о возможных перегрузках составляет порядка 100-300 с. Современный уровень развития технологий и степень вычислительных мощностей позволяет надеяться на возможность обнаружения потенциальных перегрузок и перераспределении ресурсов в пользу перегруженных сот в реальных системах сотовой связи за указанное время.

8. Проведен анализ влияния процедуры «прямого переназначения» на основные качественные показатели сети: вероятность отказа и значения обрывов соединения. Практические результаты и теоретический расчет по модифицированной формуле (4.1), учитывающей размеры зоны перекрытия показали, что процедура «прямого переназначения» является эффективным способом уменьшения вероятности отказа в сетях сотовой связи, позволяющая увеличить пропускную способность на 25%. Опираясь на экспериментальные данные, получены зависимости вероятности отказов и значений обрыва соединений от доли сигналов ниже граничного уровня, которая характеризует размеры зоны перекрытия.

9. Проведена оценка и найдены доверительные интервалы коэффициентов регрессии для аналитических выражений, позволяющих вычислить зависимости гс и обрывов соединений. Для расчета указанных зависимостей был использован участок сети, в котором содержались как соты, обслуживающие местность с «городским» поведением абонентов, так и соты, обладающие пригородной спецификой. На основании полученных результатов, приняв граничный уровень сигнала равным -95 дБм, можно говорить о том, что для сохранения значений неуспешных соединений не выше 2% настройка логических параметров, отвечающих за работу процедуры «прямого переназначения», должна производиться таким образом, чтобы доля сигналов с уровнем ниже граничного не превышала 15%. Разработанный алгоритм можно применять как для ручной настройки из центра управления сетью, так и разработать на его основе новую опцию для сетей сотовой связи второго поколения, позволяющую автоматически в зависимости от текущей ситуации подстраивать логические параметры для наиболее эффективного использования имеющихся ресурсов.

10. С целью повышения пропускной способности сетей стандарта GSM был предложен алгоритм настройки сети с учетом технологии GPRS. На основании проведенного анализа можно говорить о том, что в качестве настройки «по умолчанию» целесообразно даже в условиях большого голосового трафика устанавливать MAXPDCHHIGHTRAFFIC=1, поскольку такое значение позволяет обеспечить приемлемые значения показателей качества для GPRS при минимальном влиянии на голосовой трафик. Устанавливая значение MAXPDCHHIGHTRAFFIC=0, повышение порога HIGHTRAFFIC и уменьшение времени оценки загрузки соты хотя и улучшают ситуацию с неуспешным назначением TBF в обратном направлении, но значение этого индикатора качества остается недопустимо высоким. С целью более эффективного использования ресурса для GPRS в условиях повышенной загрузки соты целесообразно устанавливать высокое значение порога высокой загрузки соты, т.е. следовать указанным рекомендациям для установки значений HIGHTRAFFIC.

1.P., de Marca J.R.B. Paging and location update algorithms for cellular systems// 1.EE Transactions on Vehicular Technology, Volume 49, Issue 5, Sep 2000, pp.1606-1614.

2. Cantrell P.E., Ojha A.K. Comparison of Generalized Q-Functions Algorithms// IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-33, July 1987, pp.591-596.

3. Chengshan Xiao, Mann K.D., Olivier. J.C. Mobile speed estimation for TDMA-based hierarchical cellular systems// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 50, Issue 4, Jul 2001, pp. 981-991.

4. Collmann R.R. Evaluation of methods for determining the mobile traffic distribution in cellular radio networks// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 50, Issue 6, Nov 2001, pp. 1629-1635.

5. Cruz-Perez F.A., Ortigoza-Guerrero L. Flexible resource allocation strategies for class-based QoS provisioning in mobile networks// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 53, Issue 3, May 2004, pp.805-819.

6. Eberspacher Jorg, Vogel Hans-Jorg, Bettstetter Christian. GSM Switching, Services and Protocols// John Wiley and Sons, 2001, c. 120-180.

7. Eberspacher Jorg, Vogel Hans-Jorg, Bettstetter Christian. GSM Switching, Services and Protocols// John Wiley and Sons, 2001, c. 200-201

8. Eberspacher Jorg, Vogel Hans-Jorg, Bettstetter Christian. GSM Switching, Services and Protocols// John Wiley and Sons, 2001, c. 86-88

9. Halonen Т., Romero J.,Melero J. GSM, GPRS and EDGE Performance// John Wiley and Sons, 2003, c.236.

10. Halonen Т., Romero J.,Melero J. GSM, GPRS and EDGE Performance// John Wiley and Sons, 2003, c.47.

11. Halonen Т., Romero J.,Melero J. GSM, GPRS and EDGE Performance// John Wiley and Sons, 2003, c.571.

12. Heine G. GSM Networks: Protocols, Terminology, and Implementation// Artech House Boston, London, 1999, c.251

13. Ho Chi-Jui, Chin-Tau Lea, Stuber G.L. Call admission control in the microcell/macrocell overlaying system// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 50, Issue 4, Jul 2001, pp. 992-1003.

14. Homnan В., Benjapolakul W., QoS-controlling soft handoff based on simple step control and a fuzzy inference system with the gradient descent method// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 53, Issue 3, May 2004, pp. 820- 834

15. Ho-Shin Cho, Jae Kyun Kwon, Dan Keun Sung. High reuse efficiency of radio resources in urban microcellularsystems// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 49, Issue 5, Sep 2000, pp. 1669-1677.

16. Hu F., Sharma N.K.Priority-determined multiclass handoff scheme with guaranteed mobile QoS in wireless multimedia networks// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 53, Issue 1, Jan. 2004, pp.118.135

17. Huei-Wen Ferng, Yi-Chou Tsai. Using priority, buffering, threshold control, and reservation techniques to improve channel-allocation schemes for the GPRS system// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 54, Issue 1, Jan. 2005, pp.286- 306.

18. Iera A., Molinaro A., Marano S. Handoff management with mobility estimation in hierarchical systems// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 51, Issue 5, Sep 2002, pp.905-909.

19. Ivanovich M., Zukerman M., Fitzpatrick P., Gitlits M. Performance between circuit allocation schemes for Half- and Full-rate connections in GSM// IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 47,1998, pp. 790-797.

20. Iversen V. Teletraffic Engineering and Network planning// COM Course 34340. Technical University of Denmark, 2004, c.37-40

21. Jane-Hwa Huang, Szu-Lin Su, Jiann-Horng Chen. Design and performance analysis for data transmission in GSM/GPRS system with voice activity detection// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 51, Issue 4, Jul 2002, pp.648-656.

22. Krotov Nickolay, Kozirev Victor. Comparison of Transistor-Based Power Amplifiers Amplitude Response Linearization methods //1-st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications. Proceedings. St. Petersburg 2002, pp.98-101

23. Krotov Nickolay, Shorin Oleg. Results of using traffic control algorithms in cellular mobile networks// 2-nd IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications. Proceedings. Moscow, 2004, pp. 111-114.

24. Lei Huang, Kumar S., Kuo C.-C.J. Adaptive resource allocation for multimedia QoS management in wireless networks// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 53, Issue 2, March 2004, pp.547- 558.

25. Li Bo, Wu ChengKe, Fukuda A. Performance analysis of flexible hierarchical cellular systems witha bandwidth-efficient handoff scheme// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume: 50, Issue: 4, Jul 2001, pp. 971-980

26. Lin D.-B., Juang R.-T. Mobile Location Estimation Based on Differences of Signal Attenuations for GSM Systems// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 54, Issue 4, July 2005, pp.1447- 1454.

27. Morley G.D., Grover W.D. Strategies to maximize carried traffic in dual-mode cellular systems// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 49, Issue 2, Mar 2000, pp. 357-366.

28. Ortigoza-Guerrero L., Cruz-Perez F.A., Heredia-Ureta H. Call Level Performance Analysis for Multiservices Wireless Cellular Networks With Adaptive Resource Allocation Strategies// IEEE Transactions on Vehicular

29. Technology, Volume 54, Issue 4, July 2005, pp.1455- 1472.

30. Phone Lin, Yi-Bing Lin. Channel allocation for GPRS// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 50, Issue 2, Mar 2001, pp.375-387.

31. Recommendation ETSI. GSM 04.08. Mobile radio interface layer 3 specification

32. Recommendation ETSI. GSM 04.08. Radiolink subsystem. Layer 3.

33. Recommendation ETSI. GSM 05.05. Radio Transmission and reception.

34. Recommendation ETSI. GSM 05.08. Radiosubsystem link control.

35. Recommendation ETSI. GSM 06.31 Discontinuous Transmission (DTX) for Full Rate Speech Traffic Channels

36. Recommendation ETSI. GSM 06.32 Voice Activity Detection.

37. Recommendation ETSI. GSM 06.41 Discontinuous Transmission (DTX) for Half Rate Speech Traffic Channels.

38. Recommendation ETSI. GSM 06.42 Voice Activity Detection for Half Rate Speech Traffic Channels.

39. Recommendation ETSI. GSM 05.02. Multiplexing and multiple access on the radio path.

40. Recommendations ETSI. TBR 036 ed.l (1998-05) Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Attachment requirements for mobile stations in the DCS 1 800 band and additional GSM 900 band; Telephony

41. Saarinen I., Mammela A., Jarvensivu P., Ruotsalainen K. Power control in feedback communications over a fading channel// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 50, Issue 5, Sep 2001, pp.1231-1239.

42. Sampath A., Holtzman J.M. Estimation of maximum doppler frequency for handoff decisions// Proceedings IEEE Vehicular Technology Conference, 1993, pp.859-862.

43. Sung-Hong Wie, Jae-Shin Jang, Byung-Cheol Shin, Dong-Ho Cho. Handoff analysis of the hierarchical cellular system// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 49, Issue 5, Sep 2000, pp. 2027-2036.

44. Wang L., Silventoinen M., Honkasalo Z. A new algorithm for estimation mobile speed at the TDMA-based cellular system// Proceedings IEEE Vehicular Technology Conference, 1996, pp.1145-1149.

45. Wu Rong Zhang, Bhargava V.K., Ning Guo. Power control by measuring intercell interference// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 52, Issue 1, Jan 2003, pp.96- 107.

46. Xiao C., Mann K.D., Olivier J.C. Mobile speed estimation for TDMA-based hierarchical cellular systems// IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 50,2001, pp. 981-991.

47. Yeo K., Jun Chi-Hyuck. Modeling and analysis of hierarchical cellular networks with general distributions of call and cell residence times// IEEE

48. Transactions on Vehicular Technology, Volume 51, Issue 6, Nov 2002, pp. 1361-1374

49. Yi-Bing Lin, Pei-Chun Lee, Chlamtac I. Dynamic periodic location area update in mobile networks// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 51, Issue 6, Nov 2002, pp.1494-1501.

50. Yonghuan Cao, Sun H.R., Trivedi K.S. Performance analysis of reservation media-access protocol with access and serving queues under bursty traffic in GPRS/EGPRS// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 52, Issue 6, Nov. 2003, pp.1627- 1641.

51. Young-uk Chung, Dong-Jun Lee, Dong-Ho Cho, Byung-Cheol Shin. Macrocell/microcell selection schemes based on a new velocity estimation in multitier cellular system// IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 51, Issue 5, Sep 2002, pp.893- 903.

52. Yum P., Yeung K. Blocking and handoff performance analysis of directed retry in cellular mobile systems// IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 44,1995, c.645-650

53. Демьянов А.И. Оценка параметров скачков нагрузки в сотовых сетях подвижной связи//Электросвязь, №1, 2002, с.33-36.

54. Косинов М.С., Шорин О.А. Повышение емкости сотовой системы связи при использовании зон перекрытия// Электросвязь, №3,2003, с. 18-20.

55. Кремер. Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика//М.: Юнити, 2004, С.466-467

56. Кротов Н.А, Шорин О.А. Анализ влияния процедуры «прямого переназначения» на вероятность отказов в сетях сотовой связи. Тезисы докладов НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ., М.: МТУ СИ., 2005, с. 182.

57. Кротов Н.А, Шорин О.А. Влияние процедуры «прямого переназначения» на качественные показатели сети// Труды МТУСИ., Москва, 2005, с.74-82.

58. Кротов Н.А., Шорин О.А. Экспериментальные результаты применения алгоритмов перераспределения нагрузки в сетях стандарта GSM. Труды МТУСИ., Москва, 2004, с. 59-66.

59. Кротов Н.А. Анализ опций, позволяющих увеличить емкость в сетях стандарта GSM. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 12.07.05 №2266 св. 2005, с.2-24.

60. Кротов Н.А. Разновидности хендовера в сотовых сетях стандарта GSM. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 04.07.04 №2251 св. 2004, с.24-35.

61. Кротов Н.А. Способы уменьшения нелинейных искажений в усилителях мощности. Тезисы докладов студенческой научно -технической конференции МТУ СИ.,-М.: МТУСИ., 2001,с. 43

62. Кротов Н.А., Журавлев Е.Ю., Козырев В.Б. Методы построения линейных СВЧ усилителей мощности. Тезисы докладов научно -технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. М.: МТУ СИ 2001, с. 86-87.

63. Кротов Н.А., Козырев В.Б. Линеаризация амплитудной характеристики усилителей мощности. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 10.06 № 2210 -св. 2002.

64. Кротов Н.А., Козырев В.Б. Способы линеаризации амплитудной характеристики усилителей мощности// Радиотехника, №12, 2003, с. 5562.

65. Кротов Н.А., Шорин О.А. Алгоритмы перераспределения нагрузки в сетях сотовой связи. Тезисы докладов НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ., М.: МТУСИ., 2004, с. 195.

66. Кротов Н.А., Шорин О.А. Методы настройки двухдиапазонной сети стандарта GSM. Тезисы докладов НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ., М.: МТУСИ., с. 194-195.

67. Кротов Н.А., Шорин О.А. Эффективность методов перераспределения нагрузки в сетях стандарта GSM. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 04.07.04 №2251 св. 2004, с. 13-23.

68. Кротов Н.А., Козырев В.Б. Методы повышения линейности усилителей мощности СВЧ. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 22.05 № 2187 св. 2001.

69. Кузнецов М.А., Полпуденко Д.И., Рыжков А.Е., Сивере М.А. Хэндовер в сетях GSM 900/1800 // Труды Международной академии связи, №1, 2002, с. 24-27.

70. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книгавторая. М.: Советское радио, 1975. - с.22

71. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга вторая. М.: Советское радио, 1975. - с.286-288

72. Лившиц Б.С., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. -М.: Связь, 1979. с. 20-22.

73. Меркулов В.Е., Кротов Н.А. Приближенный анализ вероятностей блокировки в СПСС с учетом повторных вызовов// Радиотехнические системы и устройства. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» от 04.07.04 №2251 св. 2004, с.2-12

74. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. / Под ред. Д.Б. Зимина. 2-е изд. -М.: Радио и связь, 2000, с.55-57

75. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. -с.198.

76. Шорин О.А. Прогноз перегрузок с учетом подвижности абонентов в сотовых системах связи// Мобильные системы, №1,2005, с. 15-19.

77. Шорин О.А. Методы оптимального распределения частотно-временного ресурса в системах подвижной радиосвязи. Диссертация на соискание степени доктора технических наук. Москва, 2006.

78. Шорин О.А., Кротов Н.А. Методика настройки параметров по перераспределению ресурсов между голосовым и пакетным трафиком. Труды XIX конференции «Мобильный бизнес: оптимизация, конвергенция и эффективность сетей и услуг», Тунис, май 2006.