автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов перераспределения нагрузки в сотовых системах связи стандарта GSM

На правах рукописи

Бонч-Бруевич Михаил Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ В СОТОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 июл шг

Москва-2012

005046426

Работа выполнена на кафедре «Радиотехнических систем» Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Московский технически университет связи и информатики (ФГОБУ ВПО МТУ СИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шорин Олег Александрович

Официальные оппоненты: Докучаев Владимир Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, ООО «Фирма "ТЕЛЕСОФТ"», генеральный директор

Мазепа Роман Богданович,

кандидат технических наук, профессор. Федеральное государственное

бюджетное образовательное

учреждение высшего

профессионального образования

«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»,

заведующий кафедрой «Радиосистемы управления и передачи информации»

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский

институт радио»

Защита состоится </3» (ЖУХЛ&сЯ 2012 г. в №00 на заседании диссертационного совета Д 219.001 03 в Московском техническом университете связи и информатики по адресу:

111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а. к. ¿/^К С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО МТУСИ

Автореферат разослан « /3 » ¿//СИ^Я- 2012 г,

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.03

Ерохин С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Актуальность проблемы

Мобильная связь рассматривается сегодня как норма, а технологии мобильной связи являются наиболее востребованными и быстро растущими. В настоящее время наиболее массовым стандартом сотовой связи является стандарт второго поколения -GSM. Высокая скорость развития сотовых сетей связи определяет повышенный интерес к ним как со стороны разработчиков программного обеспечения планирования и оптимизации сотовых сетей, так и со стороны специалистов технических служб операторских компаний. Возможность увеличения емкости сотовых систем связи за счет увеличения обслуживаемой территории и числа каналов с течением времени снижается. В связи с этим особенно актуальной является задача повышения эффективности использования уже существующих сетей. Существует необходимость решения задачи оптимизации системы сотовой связи на уровне радиоинтерфейса с целью максимально возможного увеличения пропускной способности по обслуживаемой нагрузке (трафику). Когда допустимый предел нагрузки на фрагмент сети связи превышен, возникает перегрузка: некоторой части абонентов не могут быть предоставлены услуги связи (блокировка соединения), у других абонентов качеством связи (обрывы соединений, число ошибок на бит сообщения, уровень внутрисистемной помехи) становится ниже заданного уровня.

Кроме перегрузок сотовой сети, вызванных чрезвычайными происшествиями регионального уровня, массовых перегрузок во время праздников или ожидаемых перегрузок (например, при недостаточной скорости увеличения абонентской емкости станций - открытии нового торгового центра, где еще не обеспечена требуемая абонентская емкость), можно выделить еще один вид перегрузки — локальные перегрузки. Каждая сота сети имеет предел обслуживаемой абонентской нагрузки. При перегрузке собственного ресурса соты недостаточно для сохранения качества обслуживания, на всей территории обслуживания соты снижается качество обслуживания. Для оператора сети связи любая перегрузка не желательна, так как это снижение ключевых показателей качества работы: падает качество услуг, предоставляемых абонентам; рост числа обрывов соединений абонентов. Для абонента возникает риск не получить услугу. Вероятность отказа обслуживания любого абонента во всей соте при возникновении локальной перегрузки существенно возрастает. Причина локальной перегрузки - превышение нагрузки на соту за счет

увеличения нагрузки в области расположения некоторой части абонентов соты. При этом область расположения абонентов много меньше области обслуживания соты. Локальная перегрузка может являться следствием чрезвычайного происшествия, массового мероприятия или других причин, в том числе внешних воздействий на сеть связи третьих лиц (в работе приводится классификация локальных перегрузок и их характеристики).

Растущая сложность структур систем связи, рост объема передаваемого через сети связи трафика, и развитие взаимодействия сетей связи (в том числе и протоколов, определяющих взаимодействие сетей) приводят к постановке новых задач. К таким задачам относится группа задач по оптимизации параметров сети в условиях перегрузок сети.

Число теоретических и практических работ, посвященных анализу различных аспектов трафика систем связи и подвижной радиосвязи, в том числе сетей 2G, велико. Можно сослаться на исследования ведущих российских ученых: Башарина Г.П., Быховского М.А., Степановой И.В., Громакова Ю.А., Шорина O.A., Шинакова Ю.С., Шнепса-Шнеппе М. А. и др., а также зарубежными учеными: В. Иверсеном, Д. Кауфманом, Л. Клейнроком, К. Россом и других. Вопросы обслуживания трафика в сетях связи исследовались в работах Захарова Г. П., Лазарева В. Г., Шнепса-Шнеппе М. А., Неймана В. И., Пшеничникова А. П., Степанова С. Н., Кучерявого А. Е. и других.

В трудах названных авторов исследованы вопросы повышения помехоустойчивости систем сотовой связи, теории телетрафика в приложении к сетям сотовой связи и прогнозирования возникновения перегрузок в сетях сотовой связи третьего поколения, однако исследования вопроса непосредственного противодействия негативному влиянию локальных перегрузок в сетях сотовой связи стандарта GSM не проводилось.

Существует актуальная научно-техническая проблема поиска новых методов по управлению компонентами сотовых сетей и оптимизации параметров фрагментов сотовых сетей стандартов второго и последующих поколений (2.5G, 3G), имеющих с сетями сотовой связи 2G общ)то подсистему обеспечения коммутационных услуг, в условиях высокой активности абонентов и возникающих в ее результате перегрузок. Это определяет актуальность диссертационных исследовании.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка новых способов управления ресурсами сотовой сети в условиях локальной перегрузки.

Объектом исследования являются сети сотовой связи 2G (результаты работы распространяются на сети последующих поколений (2.5G, 3G), имеющие с сетями сотовой связи 2G общую подсистему обеспечения коммутационных услуг или связанные с эволюцией действующих стандартов). Предметом исследования являются способы управления канальными ресурсами сетей сотовой связи при обнаружении локальной перегрузки. Исследование производится на фрагменте сети стандарта GSM.

Для достижения данной цели необходимо было решить комплекс теоретических, экспериментальных и прикладных задач:

• провести анализ особенностей перегрузок, вызванных различными причинами. Цель анализа - выявить признаки, по которым возможно определить характеристики перегрузки и ее тип;

• определить параметры сотовых сетей, позволяющих управлять распределением канального ресурса сот, обслуживающих район локальной перегрузки;

• разработать алгоритм изменения параметров GSM сети и провести исследования локальной перегрузки;

• разработать систему требований к программным средствам моделирования локальных перегрузок на фрагментах сети стандарта GSM, рассмотреть параметры для оценки качества моделирования и способы анализа корректности подобного моделирования.

Общая методика исследований

В исследовании использованы методы теории вероятности, теории массового обслуживания и компьютерное моделирование. Также в рамках проведения исследования производится моделирование локальной перегрузки на фрагменте реальной сотовой сети стандарта GSM.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается обоснованностью принятых ограничений и допущений, строгостью математической постановки решения задач, и непротиворечивостью полученных результатов известным практическим и теоретическим результатам.

Научная новизна и основные научные результаты

1. Формализовано понятие «локальная перегрузка» для сетей GSM.

2. Предложен алгоритм противодействия негативному влиянию локальных перегрузок на доступность сети GSM абонентам. Он позволяет за счет изменения размера области обслуживания снизить вероятность блокировки вызова абонента.

3. Предложена математическая модель оценки объема дополнительной нагрузки, возникающей при повторных вызовах в условиях локальной перегрузки соты GSM сети. Метод позволяет прогнозировать дополнительную нагрузку на каналы трафика и повысить эффективность работы сети.

4. Предложена математическая модель оценки числа эстафетных передач обслуживания в условиях локальной перегрузки соты GSM сети на основе учета изменения области обслуживания соты, которая позволяет снизить число обрывов соединений во время эстафетных передач и увеличить обслуживаемый трафик.

5. Исследована степень взаимопомощи сот, за счет радиоперекрытия зон обслуживания и определены корректирующие коэффициенты для формул расчета вероятности блокировки вызова. Корректирующие коэффициенты позволят производить предварительные оценки уровня вероятности блокировки вызова, в том числе при планировании стресс-тестов на вводимых в эксплуатацию фрагментах сети для определения достигнутого качества обслуживания абонентов.

Практическая ценность работы Предложенный в диссертационной работе алгоритм позволяет с минимальными материальными, трудовыми и временными затратами повысить надежность сотовых сетей стандарта GSM для абонентов, находящихся в условиях локальных перегрузок.

Для реализации метода не требуется разработки нового оборудования, изменения интерфейсов или аппаратной части радиоинтерфейса, однако при этом требуется изменение части программного обеспечения, обрабатывающего данные непосредственно на оборудовании базовых станций. Результаты диссертационной

работы используются в практической деятельности оператора сотовой связи стандарта GSM московского региона «Столичный филиал ОАО «МегаФон»», что подтверждается соответствующим актом.

Применение разработанного алгоритма противодействия негативному влиянию локальных перегрузок на доступность сети GSM позволило:

• уточнить методики расчета и моделирования зон обслуживания базовых станций сотовой сети стандарта GSM Столичного филиала ОАО «МегаФон»;

• скорректировать рекомендации по оперативному управлению параметрами базовых станций сотовой сети стандарта GSM Столичного филиала ОАО «МегаФон» в нештатных ситуациях и повысить качество обслуживания абонентов сети.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 91 наименование. Общий объем диссертации 150 страниц, основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Работа содержит 35 рисунков, 10 таблиц и 11 страниц приложений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритм перераспределения нагрузки в системах связи стандарта GSM путем изменения формы области обслуживания сот, находящихся в условиях локальных перегрузок.

2. Методики определения: изменения количества запросов на реализацию эстафетной передачи; изменения нагрузки за счет повторных вызовов. Методики применимы для сот, обслуживающих локальные перегрузки.

3. Корректирующие коэффициенты для формул расчета вероятности блокировки.

4. Результаты проведенного по разработанной методике эксперимента в реальной сети, а также результаты проведенного компьютерного моделирования применения разработанной методики на модели фрагмента сети.

Публикации и апробация работы Основные материалы по теме диссертации опубликованы в 14 печатных работах в научно-технических журналах и сборниках, из них 3 статьи в журналах, входящих в список изданий рецензируемых журналов ВАК Российской Федерации.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Мобильный бизнес: "Перспективы развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом"» РАЕН в 2007, 2008, 2010 гг.; "ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ" международного форума информатизации МФИ в 2007, 2008, 2009, 2010 гг.; IX международном симпозиуме «Интеллектуальные системы», г. Владимир, 2010 г.; X Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления», г. Калуга, 2011 г.; в 2008 и 2010 гг. на отраслевых научных конференциях-форумах «Технологии информационного общества», г. Москва.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель и задачи работы, кратко излагается содержание диссертации, обосновывается ее научная и практическая ценность, а также приводится перечень положений, выносимых на защиту.

Сотовая сеть может быть представлена совокупностью входящих в ее состав ячеек (сот), каждая из которых в свою очередь может быть определена группами параметров, описывающих область обслуживания ¡-ой соты (х-,у) и ее

канальную емкость IVр :

\УР (х-,у) = П,<У„,ЛН„„/,/}„/,а,,„/,/^(<р,,»/,ф„г)У,Рт Ьа,ыв(ху)\ (х\у)) (1)

1УР =©,(пг„; (2)-

ЕгГ

В (1) х;у - координаты элемента области обслуживания; На„\РУег\аЫ)г\/:п(д>11аг',ф„) -группа параметров, описывающих параметры антенны; Рав ¿¿„дкЛ^^Л -группа параметров, описывающих энергетические характеристики станции и условия распространения сигнала.

В (2) пТИХ - количество передатчиков на соте; пс1, - количество физических каналов связи на соте; и„д - вектор состояния физических каналов соты.

Функциональное преобразование описания соты, производимое при учете плотности распределения нагрузки абонентов р,.6(х;у), позволяет получить

вероятность блокировки вызова Pt (или вероятность отказа обслуживания

(или BOO)) для каждой соты

Р (x,y) = F(Wp (x,y);lVF \р„ь(х,у)) (3).

block ' ¿д 'Erf

Задача оптимизации параметров сети в условиях перегрузок, таким образом, может быть сформулирована как задача нахождения правила преобразования и оптимизации аргументов (или элементов аргументов) функционального преобразования описания соты (3) с целью минимизации функции /> tloct(x,y), и

может относиться к любой группе аргументов.

В первой главе проводится обзор и анализ перегрузок в сотовых сетях связи. Подробно рассмотрены различные перегрузки сотовых сетей, поставлена научная задача исследований, состоящая в разработке методики снижения негативного влияния локальной перегрузки на доступность сети связи для абонентов, находящихся в области перегрузки.

Одним из основных показателей качества сети является вероятность блокировки вызова абонента. На этот показатель оказывают влияние множество факторов. Часть этих факторов зависит от абонентов сети. Известно, что каждая сеть, каждая линия передачи имеет свою пропускную способность, то есть определенный предел производительности. Этот предел известен оператору, он задается при проектировании сети. Абонентская нагрузка - это любое использование абонентом канала связи:

А- „.,„„„ *р„,..,„, (4),

а- = * р„ты, (для фрагмента сети) (4.а),

здесь: - полное число абонентов сети; та6отшт- число абонентов фрагмента

сети [ед.]; /о - удельная нагрузка, создаваемая одним абонентом; А, - полная нагрузка на сеть; az - полная нагрузка на фрагмент сети, [Эрл.].

При нарушении условия az<anon)r, где а„(„„, - максимальное значение нагрузки, которую может обслужить фрагмент сети, рассматриваемый фрагмент сети считается перегруженным. Как видно из (4), рост нагрузки возможен при увеличении числа активных пользователей сети и при увеличении среднего значения нагрузки, создаваемой абонентами.

В части случаев, в связи с тем, что приоритет обслуживания голосового трафика выше, чем передачи данных, перегрузку можно определить по снижению скорости передачи данных.

Самым эффективным способом снижения влияния перегрузок на качество работы сети сотовой связи является увеличение емкости тех сот сети, которые обслуживают область перегрузки, или добавление новых ячеек. Увеличение емкости может быть получено за счет изменения физической и логической конфигурации базовых станций. И в первом, и во втором случае метод снижения негативных последствий перегрузки включает в себя анализ ситуации для определения необходимых действий. Анализ ситуации занимает сравнительно малое время, как и изменение логических параметров, но время на изменение физических параметров конфигурации может быть сопоставимо с длительностью перегрузки. На рис.1 показан вид изменения нагрузки при изменении списка разрешенных для хэндовера сот для снижения вероятности блокировки на рассматриваемом фрагменте и смежных с ним сотах.

АаЕ,Эрл

Т,

ДТ=10

Т, мин

Т

1 и

Рис.1. Нагрузка на фрагмент сети при перегрузке в случае изменения логических параметров без применения автоматических средств управления

На рис.1 показана распространенная ситуация, когда специалист компании-оператора выполняет действия по изменению логических параметров. Отмечены моменты времени: Т| - время начала перегрузки; Т, - время проверки факта перегрузки, начало определения необходимых изменений параметров; Т., - время начала изменения параметров: Тг - время выхода фрагмента из состояния перегрузки.

10

Для повышения скорости снижения негативного влияния локальной перегрузки требуется определить её характер. Особенности локальной перегрузки: территория, на которой возникает локальная перегрузка, может иметь произвольную форму; продолжительность зависит от причины и может составлять от десятков минут до нескольких часов. То есть возникает задача разработки метода определения причины возникновения локальной перегрузки с минимизацией ошибки классификации причины.

Исходя из рассмотренных особенностей локальной перегрузки (ЛП), можно сделать вывод: решение проблемы управления фрагментами сетей сотовой связи в условиях ЛП относится к нахождению способа управления нагрузкой на сеть с учетом пространственного распределения нагрузки. То есть в функционале (3) оптимизируемым аргументом является плотность распределения нагрузки абонентов Р1и1,(х\у). Кроме того, для определения причины ЛП могут быть использованы данные об изменении нагрузки на рассматриваемом фрагменте.

Во второй главе проведен анализ структуры сотовой сети и методов определения местоположения абонентов или групп абонентов, создающих нагрузку на сеть. Сформулирован метод решения поставленной научной задачи.

Для противодействия ЛП следует определить точное место ее возникновения и, по возможности, ее причину. Для этого следует рассмотреть структуру сети сотовой связи и определить тот элемент, к которому относится ЛП. Исходя из данных о месте возникновения ЛП и дополнительной нагрузке на фрагмент сети, определяются меры противодействия и оценивается их эффективность.

В работе выявлен логический параметр, позволяющий оперативно и эффективно противодействовать ЛП (практически в момент обнаружения ЛП). Этим параметром является Интервал Доступа (Timing Advance) далее ИД, физический смысл интервала доступа - время распространения сигнала в направление «Uplink».

Интервал Доступа в настоящее время используется недостаточно эффективно, а именно для сбора статистических данных о распределении абонентской нагрузки по дальности от антенны соты, и в ряде случаев для ограничения дальности действия соты: в зоне(-ах) интервала доступа с максимальным(-и) номером(-ами) в таких случаях принудительно производятся эстафетные передачи обслуживания абонентов при пересечении границы последней разрешенной к обслуживанию зоны Интервала Доступа.

Введение динамического управления данным параметром позволит изменять область обслуживания соты сети и. соответственно, нагрузку на соту. Таким образом, возможно снижение вероятности отказа обслуживания на сотах, входящих во фрагмент сети, содержащий локальную перегрузку.

Распределение абонентов на площади покрытия соты сети (в общем случае) может иметь произвольный характер, при этом сокращение области обслуживания соты может производиться за счет любой зоны Интервала Доступа, что приводит к возникновению нового уровня в иерархии территориального деления сети GSM -уровня зоны Интервала Доступа (Timing Advance или ТА).

Уровень иерархии зон GSM

□ Существующая иерархическая взаимосвязь о Уточненная иерархическая взаимосвязь ■ ТА при ЯП

Рис.2. Примерное распределение количества абонентов по уровням иерархии GSM

На рис.2 показано, что теоретически возможна ситуация, когда все абоненты одной соты будут располагаться в пределах одной зоны Интервала Доступа.

Проведенный в работе анализ применимости предложенного метода выявил ряд возможных ограничений на применение данного метода:

• рассматриваемый фрагмент сети не содержит сложных (высокоприоритетных) участков обслуживания;

• имеется гарантированное полное покрытие рассматриваемого фрагмента сети с достаточными уровнями сигналов от различных базовых станций (практически всегда выполняется);

• в случае нахождения рассматриваемого фрагмента сети на границе сети оператора должны использоваться более сложные процедуры инициализации эстафетной передачи обслуживания.

Методика может быть описана средствами теории массового обслуживания. Каждый поступающий на базовые станции поток требований в общем случае имеет непостоянную интенсивность Я; это объясняется изменением числа абонентов в обслуживаемой области, изменением интенсивности их звонков, изменением загруженности соседних сот и т.д. Описание потоков, поступающих в систему, должно учитывать эти изменения интенсивности. В математическом описании потока поступающих в систему требовании должно быть отражено существование нескольких потоков требований с различными наборами параметров и существование зависимости интенсивности каждого потока от перечисленных параметров.

Поток поступающих требований представляется совокупностью нескольких пуассоновских потоков. При объединении п независимых простейших потоков с параметрами Я,, Я2, Я,, ..., Я„ образуется общий простейший поток с параметром Лу =\ + + Л3 + ... + Лп. Вероятность поступления точно к вызовов за время I определяется формулой Пуассона:

Объединение большого числа независимых стационарных ординарных потоков, при малых значениях интенсивностей, создает общий поток, близкий к простейшему, что соответствует модели, в которой каждый абонент формирует свой индивидуальный поток требований (в т.ч. с учетом повторных вызовов).

Если основной поток - простейший, с параметром ЕЯ, и каждый вызов этого потока с вероятностью р, имеет отличную от остальных природу обслуживания, то просеянный поток будет также простейшим с параметром Лр1. Таким образом, при р, — вероятности того, что требование принадлежит 1 - тому потоку, можно считать, что р, = Я(/(Я, +Л2 +Я, + ... + Я,,). При учете, например, фактора подвижности абонентов, добавляются параметры, описывающие скорость изменения интенсивности потока:

(5).

Л О; ) = Р, (Г; )Л, (/,_, ), j= 1,2,3...

(6)

где Я,- ) - интенсивность потока в момент, предшествующий началу анализа.

Источником потока X, можно считать группу абонентов, обладающих каким-либо общим признаком. Сформулированный метод противодействия ЛП позволяет в качестве такого признака принять локализацию группы абонентов (например: группы образуются по признаку удаленности от антенны соты). Плотность распределения нагрузки абонентов р,иЬ(ку) в таком случае может быть преобразована в более удобную форму - в полярные координаты: р,иЬ0",ч>), что позволяет использовать фиксированный шаг приращения А/-=550 [,м], соответствующий величине зоны

Интервала Доступа.

Потоки требований, формируемые абонентами, при неравномерном распределении абонентов по площади обслуживания описываются как:

где: Х^аб - удельная интенсивность потока, формируемого абонентом в зоне Интервала Доступа № к ;

cr,(-v - поверхностная плотность размещения абонентов в зоне ИД № к ; STAt - площадь зоны Интервала Доступа № к ; к - текущий номер зоны Интервала Доступа; п - число зон Интервала Доступа.

В третьей главе решена задача оценки дополнительной нагрузки, создаваемой абонентом при проведении повторных вызовов своего корреспондента в условиях локальной перегрузки, и получены аналитические выражения для определения ожидаемого количества процедур эстафетных передач обслуживания при изменении области обслуживания отдельной соты. Кроме этого, рассмотрено взаимное влияние смежных сот и фактора мобильности абонентов на вероятность блокировки вызова. В таблице № 1 приводятся результаты моделирования влияния канала управления на пропускную способность сети стандарта GSM. Также производится селекция исключаемой из обслуживания части области покрытия соты - зоны Интервала Доступа.

Доступность ресурса смежных сот оценивается выражением:

(7)

К

О

1 N overlap:

_ эк _L

*CapRdj

cell j ^locking:

(8)

cell

где: fC . - коэффициент доступности соседних сот;

доступ adj

S — площадь области обслуживания рассматриваемой соты, на которой есть

overlap j

взаимодействие с i - ой соседней сотой;

S ~ полная площадь области обслуживания рассматриваемой соты;

cell

N - число соседних сот;

Сап ~ емкость i - ой соседней соты;

"adj cellt

и - вероятность отказа обслуживания на i - ой соседней соте.

^locking •

Таблица № 1. Коэффициенты коррекции, полученные в результате моделирования для формулы описания СМО с чистыми потерями

Число каналов

7 14 21

Имитационное моделирование, Ротк 0.269 0.200 0.169

Формула описания СМО с чистыми потерями, Р^* 0.249 0.186 0.155

Коэффициенты коррекции, Кпоп„. 1.0803 1.0753 1.0903

Среднее значение поправочного коэффициента для формулы аналитического описания СМО с чистыми потерями составляет 1.08

Аналогичные результаты были получены для формулы аналитического описания СМО с ограниченным числом мест ожидания и формулы, позволяющей учесть фактор мобильности абонентов (для соты радиусом R= 1000 [м]).

Учет фактора мобильности абонентов рассматривается на примере соты с направленной антенной и дальностью действия 1.5 км. При исключении зоны ТА, расположенной непосредственно рядом с антенной, область обслуживания может быть аппроксимирована кругом с радиусом R=1 км. При плотности распределения абонентов о-, = сг2=2000 (абонентов на кв. км) и постоянных скоростях движения абонентов v; =v2 относительный уровень среднеквадратических отклонений числа

абонентов в соте определяется выражением <х = (р„)~°' =(R2cr1 = — • 1(—---—)

v, R \ v2 сг2

и составляет а = 2.23%.

При блокировке новые попытки дозвона формируются по схеме рис. 3.

Рис.3. Процесс формирования новых попыток дозвона Вероятность получения абонентом канала связи р:

Р = (1-Рб,о,)*Ёр^.*(1-Р„™)' =(ЬР6л„к)*Х;Р(А,,) (9)

i=0 t=0

Вероятность отказа от вызова при i-ой попытке q :

q = Р„ • 2 KL * (i - Р„)' = Р„ • Р.™ * S PLÁ I - Р„)' = Р„ ♦ р6„о. *Zp(A„i) (Ю)

¡=o i=o ¡=o

где P5,„, - вероятность отказа обслуживания и Р„„ - вероятность отказа абонента от повторного вызова, N — максимальное число попыток дозвона.

Фактическая доля нагрузки от повторных вызовов определяется с учетом того факта, что с увеличением числа попыток дозвона снижается вероятность повторного вызова. Если абонент в среднем совершает N повторных вызовов при невозможности дозвониться, вероятность р после N — ой попытки:

Рн-. = * (1 - / W— )*0~ Д2)„ )*...* (I-P(N -1),„„) * (1 - ) ( И )

и вероятность отказа от вызова после N-ой попытки: qN = PL. * (1 - m„„J * (1" )*...* (1 - - D™J * P{N)„ (12)

Вероятность P{i)„m может быть определена, например, экспериментальным путем. Абонент создает дополнительную нагрузку в случае, когда получает обслуживание повторного вызова и общая длительность его обслуживания превосходит длительность обычного соединения. Математическая модель оценки объема дополнительной нагрузки записывается следующим образом, при этом

дополнительная нагрузка соответствует всему времени, которое абонент занимает канал связи сверх времени первого соединения:

<=1

в (13): — длительность ¡-ого вызова, N — число повторных вызовов, Г0 - средняя длительность первого соединения.

Величину Т0 можно считать принадлежащей интервалу от 0 до 0.95*ГМС„, где Тхаи соответствует средней длительности вызова. Нижняя граница интервала соответствует блокировке вызова, верхняя выбрана исходя из предположения, что основная информация, ради которой производился вызов, на момент обрыва соединения передана, и разговор можно не возобновлять.

Длительность ¡-ого вызова можно определить следующим образом: */>(»)_,, (14)

Тогда, при Т0 = 0.95 * Т^са, дополнительная нагрузка составляет:

ТМт ,„„ = Е', ~Та =Г„,,,. »(¿Л/)„,_„-0.95) (15)

Предполагая, что распределение вероятности повторного вызова соответствует закону Релея Р{')„0„„р = /* ехр(-/2/2) и число попыток дозвона ¡=3:

тс;„„, = * (0-665 + 0.297 + 0.036-0.95) = 0.048 *7\„„, (16)

Т^ = Та,„н ,,„ + Ту1г„ =1-048 * Гц),,„ (17)

Таким образом, абонент создает дополнительную нагрузку:

Ту. гтт „.„,„=100%*Г/„,,1, „„„/Т^ = 100 * 0.048* 1.048 = 4.58% (18)

как минимум на 4,5% большую, чем абонент, не производящий повторные вызовы.

Область реализации процедуры хэндовер в таком случае ограничена площадью, на которой находится абонент, пересекающий границу соты во время реализации хэндовера. В общем случае эту площадь можно определить следующим образом:

где: 5 „ - площадь реализации процедуры эстафетной передачи; Г„.„„, и Т,

но

средняя скорость абонента и длительность хэндовера соответственно; (/>„„)

- область обслуживания соты, определяемая характеристиками антенны и уровнем мощности сигнала; Ь - замкнутый контур области обслуживания; I - периметр области обслуживания; N - число замкнутых контуров обслуживания на территории радиопокрытия соты; Рс,„ - мощность сигнала, передаваемого антенной соты; Р{/дн сшт^^сЛ^аи) ' функциональное преобразование области обслуживания соты в периметр области обслуживания; реальный рельеф (застройка рассматриваемого района обслуживания) вносит некоторую случайную компоненту в длину периметра, эта компонента обозначена в выражении (19) множителем ¡с.

Учет поверхностной плотности размещения абонентов <т„ для каждого значения скорости движения абонента V позволит получить количество абонентов, находящихся в области реализации хэндовера и, соответственно, ожидаемое количество хэндоверов 0:

0= |<т„-5„„ но(уУ1У (20)

о

При изменении формы области обслуживания соты изменяется количество реализуемых эстафетных передач; пропорция, определяющая это изменение, может быть записана в виде (множитель к при этом сокращается):

//«„; (21) где ОаШ „„ - количество эстафетных передач при новой форме области обслуживания соты, £>„» - при старой форме; /„,, „„. - новый периметр; /„,, - старый периметр.

В частности, для направленной соты сети при аппроксимации области обслуживания сектором при исключении промежуточной зоны ИД ожидаемое количество хэндоверов можно определить по выражению:

0„и„„-иа„- ^ -иа,г 2*К + <р*Я

где: Я - радиус окружности, определяемый дальностью действия соты; </> -центральный угол сектора, ДЯ - дальность, соответствующая размеру исключаемой группы зон ТА; /г, - дальность обслуживания, соответствующая границе зоны ИД, предшествующей исключаемой группе зон ИД.

18

О.™и определяется по статистическим данным для рассматриваемой соты.

При противодействии искусственным локальным перегрузкам и при противодействии локальным перегрузкам, принципы выбора исключаемых зон ИД практически противоположны. Противодействие искусственной локальной перегрузке подразумевает исключение зоны Интервала Доступа, в пределах которой возникает наибольшая нагрузка. Но противодействие локальной перегрузке, вызванной массовым мероприятием или чрезвычайным происшествием, напротив, предполагает исключение тех зон Интервала Доступа, в которых формируется наименьшая нагрузка. В выражении (5) параметр К может быть представлен в виде суммы, где слагаемыми являются интенсивности потоков, представленные в порядке возрастания:

4=4™,+- + 4м. + + ^ + + (23)

Так, интенсивность ЛтЛ соответствует зоне ИД, формирующей средний уровень нагрузки. При составлении распределения нагрузки по площади каждой соты определяется набор интенсивностей Лпш1, ..., Лш, Яш;<1+, ..., Набор

нормированных (относительно суммарной интенсивности ЛЕ) интенсивностей Чпш. —. 'ДшЛ. Чиа.. "Ч Ч«Х применяется для детектирования зон ИД, в которых

нагрузка значительно превышает нагрузку в условиях отсутствия ЛП. Для формирования карты нагрузки используются статистические данные о нагрузке соты, полученные за ЧНН как минимум в течение минимального интервала повторения нагрузки (в течение как минимум одной недели), предшествующей возникновению локальной перегрузки в области обслуживания соты. После превышения уровнем нагрузки порогового значения аш„,г и, соответственно, превышения вероятности отказа обслуживания величины в 5 % (уровень Р0„Я1Ш = 5% соответствует

требованиям операторских лицензий) производится детектирование зоны формирования избыточной интенсивности нагрузки:

Ч» (24)

где „„,,...,'4.„„„ " значения нормированных потоков новой карты нагрузки.

Исключения зон Интервала Доступа производятся на основе оперативной карты нагрузки, если этому не препятствуют приведенные во второй главе ограничения.

Таким образом, плотность распределения нагрузки абонентов р,иЬ(г,<р) представляется в виде p,lib(r„(Ar0;...;Arj;...;Ar„);v„(v0;...;vi;...;v„);iJ), где: г, - вектор размеров зон ИД Дг, = Ar, i = 0...n-l, последний компонент Дг„ может быть меньше чем 550 м; п - число зон ИД (л не может превышать 63); v„ - вектор состояния зон ИД, каждая компонента этого вектора принимает значение 0 или 1 в зависимости от того, производится в соответствующей зоне ИД обслуживание или нет.

Для исключения зон Интервала Доступа принимается решение о соответствующем изменении компонент вектора V„.

В четвёртой главе описан эксперимент, проведенный в реальной сети. Разработана система требований к программным средствам моделирования локальных перегрузок на фрагментах сети стандарта GSM.

В настоящее время существует возможность ограничить область действия соты, назначая принудительные хэндоверы для абонентов при пересечении ими границы последней разрешенной к обслуживанию зоны Интервала Доступа, что позволило провести эксперимент на фрагменте реальной сети (рис. 4). Сота «А», на которой было решено исследовать эффективность разработанной методики, удовлетворяла условиям, описанным выше (на рис. 4 часть области обслуживания соты «А» выделена серым цветом).

Уровень блокировок вызовов абонентов на сотах данного фрагмента сети не превышал уровня Poll < 3,5%. Во время эксперимента на соте «А» обеспечивалось значение РОТ1. > 5%. Критерий результативности эксперимента был сформулирован следующим образом: сформулированный метод противодействия негативному влиянию локальной перегрузки на качество сотовой связи признается действенным, если в результате его применении как на сотах рассматриваемого фрагмента сети процент блокированных вызовов не превышает pOT>„„ = 5%> так и на соте,

содержащей в области обслуживания место возникновения локальной перегрузки, после применения метода процент блокированных вызовов не превышает

ї

Сота «А»

Рис.4. Схема выбранного для эксперимента фрагмента сети

Результаты проведенного эксперимента показали снижение вероятности отказа обслуживания на соте «А» примерно на 20 %. Для компьютерного моделирования использовались в том числе программные средства «Asset» и «Ultima Forte», применяемые для планирования и оптимизации сети GSM. Результаты моделирования показали снижение вероятности отказа обслуживания на соте «А» примерно на 10 %. Во всем фрагменте при проведении эксперимента не было ни одной соты (кроме «А»), где вероятность отказа обслуживания превышало 5 %.

Во вспомогательном программном обеспечении, требования к которому разработаны и описаны в четвертой главе, вероятность отказа обслуживания определяется по статистическим данным:

где: Н6т - количество блокированных в модели вызовов;

Нг - количество всех вызовов, произведенных в модели (для фрагмента сети).

Эксперимент проводился в условиях: примерное число вызовов на соте «А» в час равно 500, средняя длительность вызова 80 секунд, число сот в рассматриваемой группе 10, примерное число вызовов на рассмотренной группе сот в ЧНН равно 20000, требование вероятности успешного завершения процедуры составляет 0.95. В каждой позиции результат формировался по серии из 1000 независимых испытаний.

Для калибровки модели во вспомогательном программном обеспечении использовались данные о функционировании реальной сети, в том числе карты плотностей абонентов, уровней сигналов и зон Интервала Доступа.

В заключении кратко приведены итоги работы, перечислены основные наиболее значимые результаты, а также намечены перспективы дальнейшего развития рассмотренного в диссертации научно-технического направления.

В приложении помещены дополнительные материалы по главам и акт внедрения результатов работы.

Основные результаты работы

В ходе исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработан алгоритм противодействия негативному влиянию локальных перегрузок на доступность сети GSM абонентам:

1) обнаружение перегрузки;

2) классификация перегрузки;

3) анализ распределения нагрузки (по сотам и по зонам Интервала Доступа для каждой соты);

4) формирование и проверка гипотезы о причине локальной перегрузки;

5) выбор соты, для которой будет изменяться форма и размер области обслуживания;

6) изменение формы и размера области обслуживания выбранной соты;

7) мониторинг завершения локальной перегрузки;

8) восстановление штатного режима работы соты.

Алгоритм позволяет осуществлять управление областями обслуживания сот сети, и может применяться для снижения вероятности отказа обслуживания в некоторой части области радиопокрытия соты. Алгоритм может быть использован для нескольких сот.

2. Решена задача оценки дополнительной нагрузки, создаваемой абонентом при проведении повторных вызовов своего корреспондента в условиях локальной перегрузки. Получены математические модели для определения ожидаемого количества процедур эстафетных передач обслуживания при изменении области обслуживания отдельной соты. Кроме этого, рассмотрено взаимное влияние смежных сот и фактора мобильности абонентов на вероятность отказа обслуживания.

3. Получены коэффициенты коррекции для аналитических формул расчета вероятности блокировки вызова абонента (для модели с чистыми потерями), учитывающие ряд особенностей реальных сотовых сетей (в частности, существования канала управления в системе с несколькими каналами абонентского трафика).

4. Показано, что применение разработанного алгоритма снижает вероятность отказа обслуживания. Так, результаты проведенных экспериментов показывают снижение вероятности блокировки вызова примерно на 10 %.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Бонч-Бруевич М. М. Использование интервала доступа для управления распределением трафика в области локальной перегрузки сети GSM// «T-Comm -Телекоммуникации и Транспорт» № 2,2010 г.

2. Бонч-Бруевич М. М. О вопросах определения вероятности блокировки вызова в сети стандарта GSM// «Спецтехника и связь» № 2-3,2010 г.

3. Бонч-Бруевич М. М. О качестве обслуживания вызова в условиях локальных перегрузок в сети стандарта GSM// «Спецтехника и связь» № 3, 2011 г.

Прочие публикации

4. Бонч-Бруевич М. М., Шорин О. А. Алгоритм расчета пропускной способности по трафику радиоподсистемы стандарта GSM// доклад, Труды XXII конференции "Мобильный бизнес "Тенденции развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом"", о. Крит, Греция - 2007 г.

5. Бонч-Бруевич М. М., Шорин О. А. ""Методика учета и оценки влияния канала управления и подвижности абонентов на пропускную способность участка радиосети сотовой связи по трафику"// Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы": тезисы доклада на международном форуме информатизации МФИ-2008, ООО "Инсвязьиздат"', М. 2008 г. с. -192 -193.

6. Бонч-Бруевич М. М., Шорин О. А. "Локальная перегрузка в радиосети сотовой связи стандарта GSM'"// Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы": тезисы доклада на международном форуме информатизации МФИ-2009, ООО "Инсвязьиздат", М. 2009 г. с. - 226 - 227.

7. Бонч-Бруевич М. М., Бонч-Бруевич А. М "Формирование массивов двумерных случайных величин с заданной плотностью распределения"// Труды конференции

"Телекоммуникационные и вычислительные системы": тезисы доклада на международном форуме информатизации МФИ-2010, ООО "Инсвязьиздат", М. 2010 г. с. -182.

8. Бонч-Бруевич М. М., Шорин О. А. "Алгоритм расчета пропускной способности по трафику радиоподсистемы стандарта GSM"// Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы": тезисы доклада на международном форуме информатизации МФИ-2007, ООО "Инсвязьиздат", М. 2007 г. с. -164- 165.

9. Бонч-Бруевич М. М. Компенсация преднамеренных воздействий на сеть сотовой связи, приводящих к ее перегрузке, на основе оптимизации системы массового обслуживания// труды девятого международного симпозиума «Интеллектуальные системы» под ред. К. А. Пулкова. - М.: РУСАКИ. 2010 г. с. - 575-576.

10. Бонч-Бруевич М.М., Шорин O.A. Метод снижения локальной перегрузки в сети GSM// доклад, Труды XXVII конференции "Мобильный бизнес «Тенденции развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом»", г. Канкун, Мексика-2010 г.

11. Бонч-Бруевич A.M., Бонч-Бруевич М.М. Методы компенсации преднамеренных воздействий на сеть передачи данных// программа X Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления» под председательством Якунина А. С. - Калуга 2011 г.

12. Бонч-Бруевич М. М. Разработка алгоритма определения пропускной способности по трафику радиоподсистемы стандарта GSM// программа 62-ой студенческой научно-технической конференции. М., ООО «Инсвязьиздат» - 2007 г.

13. Бонч-Бруевич М.М., Шорин O.A. Работа фрагмента радиосети подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM при возникновении локальной перегрузки// программа научно-технических секций четвертой отраслевой научной конференции-форума «Технологии информационного общества», М., ООО «Брис-М» - 2010 г.

14. Бонч-Бруевич М. М., Шорин О. А. Анализ радиоподсистемы стандарта GSM как системы массового обслуживания: алгоритм расчета пропускной способности по трафику// программа научно-технических секций четвертой отраслевой научной конференции-форума «Технологии информационного общества», М., ООО «ИД Медиа Паблишер» - 2008 г.

Подписано в печать: 24.05.2012 Тираж: 100 экз. Заказ № 735 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Ленинградский пр-т, д. 74, корп.1 (495) 790-47-77; www.reglet.ru

Введение.

Список сокращений.

Глава 1 Анализ состояния проблемы перегрузок в сетях GSM.

1.1 Причины и виды перегрузок в сетях сотовой связи.

1.1.1 Нагрузка на сети сотовой связи.

1.1.2 Перегрузки в сотовых сетях.

1.2 Существующие методы снижения влияния перегрузок.

1.2.1 Место влияния перегрузок - канальная емкость системы.

1.2.2 Способы исследования перегрузок.

1.2.3 Методы снижения негативных влияний перегрузок на качество обслуживания.

1.3 Научная задача исследования.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Синтез алгоритма снижения влияния локальных перегрузок.

2.1 Географическая структура сотовой сети.

2.2 Способы определения вида перегрузки и места возникновения локальной перегрузки

2.3. Анализ нагрузки на соты сети, обслуживающие область перегрузки.

2.4 Повышение надежности связи в области локальной перегрузки путем перераспределения трафика в областях обслуживания ряда смежных сот.

2.4.1 Управление областью обслуживания конкретной соты сети.

2.4.2 Ограничения на использование интервала доступа для борьбы с локальной перегрузкой.

2.4.3 Селекция потоков требований.

Выводы по главе 2.

Глава 3 - Аналитическое исследование явлений, связанных с возникновением локальной перегрузки.

3.1 Оценка вклада повторных вызовов в абонентскую нагрузку в условиях локальной перегрузки.

3.2 Изменение числа реализаций процедур эстафетных передач обслуживания абонентов при противодействии локальной перегрузке.

3.3 Оценка влияния мобильности на параметры нагрузки.

3.4 Взаимодействие смежных сот сети.

3.5 Селекция исключаемой части области обслуживания соты.

3.6 Методы оценки пропускной способности системы с учетом нагрузки на канал управления

Выводы по главе 3.

Глава 4 Анализ качества разработанного алгоритма на основе проведенных экспериментов

4.1 Исследование эффективности метода перераспределения нагрузки на фрагменте реальной сети.

4.1.1 Описание проведенного эксперимента.

4.1.2 Исходные данные.

4.1.3 Данные, полученные в результате эксперимента.

4.2 Постановка задачи моделирования.

4.3 Структура модели и режимы работы модели.

4.3.1 Общая структура модели.

4.3.2 Режимы работы модели.

4.4 Исходные данные.

4.4.1 Генераторы исходных данных, основанные на генераторах случайных чисел.

4.4.2 Исходные данные, учитывающие характеристики прототипа.

4.4.3 Исходные данные для калибровки модели.

4.4.4 Карты, определяющие моделируемую систему.

4.5 Калибровка модели.

4.5.1 Задача калибровки модели.

4.5.2 Критерии корректной работы модели.

4.6 Ограничения, обусловленные исследуемым методом.

4.7 Моделируемые ситуации.

4.7.1 Штатная ситуация.

4.7.2 Локальная перегрузка.

4.7.3 Моделирование эстафетных передач.

4.8 Форма представления результатов работы модели.

4.9 Анализ полученных результатов.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы

Влияние технологий мобильной связи на современное общество переоценить невозможно. Мобильная связь рассматривается в настоящее время как норма, а технологии мобильной связи являются наиболее востребованными и быстро растущими. Количество пользователей мобильных технологий растет с каждым годом. В настоящее время наиболее массовым стандартом сотовой связи является стандарт второго поколения - GSM. Высокая скорость развития сотовых сетей связи в последние годы определяет повышенный интерес к ним как со стороны разработчиков программного обеспечения планирования и оптимизации сотовых сетей, так и со стороны специалистов технических служб операторских компаний. Возможность увеличения емкости сотовых систем связи за счет увеличения обслуживаемой территории и числа каналов с течением времени снижается. В связи с этим особенно актуальной является задача повышения эффективности использования уже существующих сетей. Существует необходимость решения задачи оптимизации системы на уровне радиоинтерфейса с целью максимально возможного увеличения пропускной способности по обслуживаемой нагрузке (трафику). Когда допустимый предел нагрузки на фрагмент сети сотовой связи превышен, возникает перегрузка, и некоторой части абонентов не могут быть предоставлены услуги связи (или не может быть обеспечено заданное качество связи"), также возникают проблемы у обслуживаемых абонентов, снижается качество связи.

Рассматривая вопросы надежности сотовых сетей связи, следует учитывать, что в чрезвычайной ситуации для абонента первым признаком надежности является возможность получения связи со своим корреспондентом, а, например, уровень помех и слышимых абонентом шумов становится под качеством связи чаще всего понимается доступность соединения, относительное число ошибок на бит сообщения и уровень внутрисистемной помехи второстепенным требованием по сравнению с возможностью связаться со своим корреспондентом.

Кроме перегрузок сотовой сети, вызванных чрезвычайными происшествиями регионального уровня, или массовых перегрузок во время праздников, можно выделить еще один вид перегрузки. Каждая сота сети имеет предел обслуживаемой абонентской нагрузки. Сегодня основную часть абонентской нагрузки практически во всех сотовых сетях составляют голосовые вызовы [32].

Сота перегружена, если превышен предел обслуживаемой абонентской нагрузки. При любой перегрузке собственного ресурса соты недостаточно для сохранения планового качества обслуживания, и на всей территории обслуживания соты снижается качество обслуживания. Причина локальной перегрузки — превышение нагрузки на соту за счет увеличения нагрузки в области расположения некоторой части абонентов соты. При этом область расположения абонентов намного меньше области обслуживания соты. Локальная перегрузка (ЛП) может быть вызвана чрезвычайным происшествием или массовым мероприятием, возможны и другие причины. Вероятность отказа обслуживания любого абонента во всей соте при возникновении ЛП существенно возрастает.

Растущая сложность структур систем связи, рост объема передаваемого через сети связи трафика, и развитие взаимодействия сетей связи (в том числе и протоколов, определяющих взаимодействие сетей) приводят к постановке новых задач.

К таким задачам относится группа задач по оптимизации параметров сети в условиях перегрузок сети.

Сотовая сеть может быть представлена совокупностью входящих в ее состав ячеек (сот), каждая из которых в свою очередь может быть определена группами параметров, описывающих область обслуживания г'-ой соты Wp (х;у) и ее канальную емкость Wp : dB ' Er I

WPi (x-,y) = n,(faJH ant' Pver' &hor' f ДН (*Phor' ))' ^dBcell» ^all dB rel dB

1) и

0( (niRX ' nTS ' nHR )

2). fr/

В (1) х;у - координаты элемента области обслуживания; Наш^Р^а1,,^.1'дн((Рьог'ЖеГ) " группа параметров, описывающих параметры антенны;

Равсеп'^а11с1В(х;у);1геЫВ(х;у) - группа параметров, описывающих энергетические характеристики станции и условия распространения сигнала.

В (2) пткх - количество передатчиков на соте; пк - количество физических каналов связи на соте; пт - вектор состояния физических каналов соты.

Далее в тексте работы более подробно будут рассмотрены компоненты указанных групп параметров.

Функциональное преобразование описания соты, производимое при учете плотности распределения нагрузки абонентов р,иЬ(х\у), позволяет получить

Задача оптимизации параметров сети в условиях перегрузок, таким образом, может быть сформулирована как задача нахождения правила преобразования и оптимизации аргументов (или элементов аргументов) функционального преобразования описания соты (3) с целью минимизации функции Р1 (х; у), и может относиться к любой группе аргументов.

Существует актуальная научно-техническая проблема поиска новых методов по управлению компонентами сотовых сетей и оптимизации параметров фрагментов сотовых сетей стандартов второго и последующих поколений (2.5С, Зв), имеющих с сетями сотовой связи Ю общую подсистему обеспечения коммутационных услуг, в условиях высокой активности абонентов block обслуживания (или ВСЮ)) для каждой соты и возникающих в ее результате перегрузок. Это определяет актуальность диссертационных исследований.

Степень разработанности темы исследования

Число теоретических и практических работ, посвященных анализу различных аспектов трафика систем связи и подвижной радиосвязи, в том числе сетей 2G, очень велико. Можно сослаться на исследования ведущих российских ученых: Башарина Г.П., Быховского М.А., Степановой И.В., Громакова Ю.А., Шорина O.A., Шинакова Ю.С., Шнепса-Шнеппе М. А. и др., а также зарубежными учеными: В. Иверсеном, Д. Кауфманом, Л. Клейнроком, К. Россом и др.

Вопросы обслуживания трафика в сетях связи исследовались в работах Захарова Г. П., Лазарева В. Г., Шнепса-Шнеппе М. А., Неймана В. И., Пшеничникова А. П., Степанова С. Н., Кучерявого А. Е. и других.

В трудах названных авторов исследованы вопросы повышения помехоустойчивости систем сотовой связи, теории телетрафика в приложении к сетям сотовой связи, однако исследования вопроса противодействия негативному влиянию локальных перегрузок в сетях сотовой связи или сетях передачи данных не проводилось.

Объект исследования

Объектом исследования являются, прежде всего, сети сотовой связи 2G, а также сети последующих поколений (2.5G, 3G), имеющие с сетями сотовой связи 2G общую подсистему обеспечения коммутационных услуг или связанные с эволюцией действующих стандартов.

Предмет исследования

Предметом исследования являются способы управления канальными ресурсами сетей сотовой связи во время существования локальной перегрузки, исследование производится на фрагменте сети стандарта GSM.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка новых способов управления канальными ресурсами сотовой сети в условиях локальной перегрузки. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи.

1. Проведение анализа особенностей перегрузок, вызванных различными причинами. Цель анализа - выявить признаки, по которым возможно определить характеристики перегрузки и ее тип.

2. Определение параметров сотовых сетей, позволяющих управлять распределением канального ресурса сот, обслуживающих район возникновения локальной перегрузки.

3. Разработка алгоритма изменения параметров GSM сети.

4. Разработка системы требований к программным средствам моделирования локальных перегрузок на фрагментах сети стандарта GSM, рассмотрение параметров для оценки качества моделирования и способов анализа подобного моделирования.

5. Проведение исследования локальной перегрузки.

Методы исследования

В исследовании использованы методы теории вероятности, теории массового обслуживания, а также компьютерное моделирование.

Также в рамках проведения исследования производится моделирование локальной перегрузки на фрагменте реальной сотовой сети связи стандарта GSM.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: введена классификация перегрузок; предложена новая иерархия территориального деления сети GSM; предложен метод противодействия негативному влиянию локальных перегрузок на фрагментах сети GSM; представлены результаты анализа применения метода в различных условиях его применения; получена оценка нагрузки, создаваемой повторными вызовами абонентов, в условиях локальных перегрузок; разработана методика получения оценки числа эстафетных передач для предложенного метода противодействия локальным перегрузкам.

Практическая значимость

Предложенный в диссертационной работе метод позволяет с минимальными материальными, трудовыми и временными затратами повысить надежность сотовых сетей стандарта GSM для абонентов, находящихся в условиях локальных перегрузок. Для реализации метода не требуется разработки нового оборудования, изменения интерфейсов или аппаратной части радиоинтерфейса, однако при этом требуется существенное изменение программной части, обрабатывающей данные непосредственно на оборудовании базовых станций.

Достоверность и обоснованность

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается обоснованностью принятых ограничений и допущений, строгостью математической постановки и решения поставленных задач, и непротиворечивостью полученных результатов известным практическим и теоретическим результатам.

Реализация результатов диссертационной работы

Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности оператора сотовой связи стандарта GSM московского региона «Столичный филиал ОАО «МегаФон»».

Апробация работы

Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международных конференциях «Мобильный бизнес: "Перспективы развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом"» РАЕН в 2007, 2008, 2010 годах; международных конференциях "ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ" международного форума информатизации МФИ-2007, МФИ-2008, МФИ-2009, МФИ-2010; девятом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы», Владимир, 2010 год; X Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления», Калуга, 2011 год.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в список изданий рецензируемых журналов ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 91 наименование. Общий объем диссертации 150 страниц, основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Работа содержит 35 рисунка, 10 таблиц и 11 страниц приложений.

Выводы по главе 4

1. Проведенное исследование эффективности сформулированного метода на фрагменте реальной сети и средствами имитационного моделирования показывает снижение вероятности отказа обслуживания абонента на 10 % - 20 % (в зависимости от условий).

Программу для компьютерного моделирования сотовой сети для исследования метода снижения негативного влияния локальных перегрузок на надежность сети сотовой связи целесообразно составлять так, чтобы обеспечить ее взаимодействие с программным обеспечением, используемым оператором сотовых сетей (учитывая форматы файлов конфигурации, форматы файлов отчетов и т.д.) - в этом случае исследования могут производиться в том числе и для новых, еще только проектируемых фрагментов сети. Создание программы для такого моделирования является отдельной научно-технической задачей.

Заключение

В ходе исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработан следующий алгоритм компенсации негативного влияния локальных перегрузок на доступность сети сотовой связи стандарта GSM:

1) обнаружение перегрузки;

2) классификация перегрузки;

3) анализ распределения нагрузки (по сотам и по зонам Timing Advance для каждой соты);

4) формирование и проверка гипотезы о причине локальной перегрузки;

5) выбор соты, для которой будет изменяться форма и размер области обслуживания;

6) изменяться формы и размера области обслуживания выбранной соты;

7) мониторинг завершения локальной перегрузки;

8) восстановление штатного режима работы соты.

Алгоритм позволяет осуществлять управление областями обслуживания сот сети и может применяться для снижения вероятности отказа обслуживания в некоторой части области радиопокрытия соты.

2. Решена задача оценки дополнительной нагрузки, создаваемой абонентом при проведении повторных вызовов своего корреспондента в условиях локальных перегрузок, вызванных массовыми мероприятиями. Получены математические модели для определения ожидаемого количества процедур эстафетных передач обслуживания при изменении области обслуживания отдельной соты. Кроме этого, рассмотрено взаимное влияние смежных сот и фактора мобильности абонентов на вероятность блокировки вызова.

3. Получены коэффициенты коррекции для аналитических формул расчета вероятности блокировки вызова абонента (в том числе для формулы Эрланга В), учитывающие ряд особенностей реальных сотовых сетей (в частности, существование канала управления в системе с несколькими обслуживающими абонентов каналами связи).

4. Показано, что применение разработанного алгоритма снижает вероятности отказа в обслуживании. Так, результаты проведенных экспериментов показывают снижение вероятности блокировки вызова примерно на 10%.

1. Громаков Ю. А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. Отпечатано в Международном центре научной и технической информации. М., 1996.-240 с.

2. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Издательство ЛКИ, 2007. - 400 с.

3. Громаков Ю. А., Северин А. В., Шевцов В. А. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS. М.: Эко-Трендз, 2005. - 144 с.

4. Тихвинский В. О., Терентьев С. В. Управление и качество услуг в сетях GPRS/UMTS. М.: Эко-Трендз, 2007. - 400 с.

5. Невдяев Л. М. Мобильная связь 3-го поколения. М. Серия изданий «Связь и бизнес», 2000. - 208 с.

6. Чекалин А. А., Заряев А. В., Скрыль С. В. и др. Защита информации в системах мобильной связи. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 171 с.

7. Бонч-Бруевич М. М. Использование интервала доступа для управления распределением трафика в области локальной перегрузки сети GSM// «T-Comm Телекоммуникации и Транспорт» № 2, 2010 г.

8. Бонч-Бруевич М. М. О вопросах определения вероятности блокировки вызова в сети стандарта GSM.// «Спецтехника и связь» № 2-3, 2010 г.13. http://www.schema.com/index.asp14. http: //www. aircominternational .com/

9. Стручков A.A., Шорин O.A. "Оптимизация радиосети WCDMA"// тезисы доклада на международном форуме информатизации МФИ-2007; труды конференции "ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ", ООО "Инсвязьиздат", М. 2007 г. с. 177 - 178.

10. Шорин O.A. Прогноз перегрузок с учетом подвижности абонентов в сотовых системах связи. // «Мобильные системы», 2005, № 1.

11. Шорин O.A. Вероятность перегрузки сотовых систем связи с учетом подвижности абонентов. // «Электросвязь», 2004, № 5.

12. Саати Т.П. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Советское радио, 1971.

13. Башарин Г. П. Лекции по математической теории телетрафика. Издательство Российского университета дружбы народов. Москва, 2004 г. -192 стр.

14. Кофман А., Крюон Р. "Массовое обслуживание. Теория и приложения" под ред. И. Н. Коваленко, Издательство "МИР" М. 1965 г. е.- 303

15. Жожикашвили В. А., Вишневский В. М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ М.: "Радио и связь", 1988. с. - 192

16. Ивницкий В. А. Теория сетей массового обслуживания. М. "Издательство Физико-математической литературы", 2004г. с. - 772.

17. Андрианов В. И., Соколов А. В. Средства мобильной связи. СПб.: BHN-Санкт-Петербург, 1998 г. с. - 256.

18. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Наука, 1964 г., с. - 608.

19. BSS Releases В6.2 to Bll. Feature Description (New Features). Alcatel-Lucent, 2008 г., с. - 174.

20. Башарин Г. П., Серебренникова Н. В. Вычисление ВВХ в сотовых сетях связи с учетом мобильности абонентов.// Вестник РУДН, серия Прикладная и компьютерная математика, 2005 г., №1.

21. Шорин О. А. Методы оптимального распределения частотно-временного ресурса в системах подвижной радиосвязи. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М., МТУ СИ 2005 г.

22. Абилов А. В. Сети связи и системы коммутации. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. с. - 352.

23. Бонч-Бруевич М. М., Шорин О. А. "Метод снижения локальной перегрузки в сети GSM"// доклад, Труды XXVII конференции «Мобильный бизнес «Тенденции развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом»», г. Канкун, Мексика 2010 г.

24. Волков А. Н., Рыжков А. Е., Сивере М. A. UMTS. Стандарт сотовой связи третьего поколения. СПб.: Издательство «Линк», 2008 г. с. - 224.

25. Маслов С. А. Анализ видов и процедур хэндовера в сетях GSM// «Т-Comm Телекоммуникации и Транспорт» № 3, 2008 г.

26. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука. Главная ред. физ.-мат. литературы, 1979.- 496 с.

27. Хастингс Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика, 1980.

28. Материалы веб-сайта: www.sotovik.ru39. http://msk.coф.megafon.ru/press/information/20110114-1651 .html40. http://msk.corp.megafon.ru/press/information/region/20100512-1943 .html

29. Материалы веб-сайта: http://moscow.megafon.ru/

30. UMTS/IMT-2000 Spectrum / UMTS-Forum Report № 6, 1998

31. L.D. Stone. Theory of optimal search. Academic Press, 1975.

32. Radio Transmission and Reception// ETSI/TC GSM, GSM 03.05 Ver. 3.13. GSM Recommendation: 05.05, March 91.

33. Method for Point-to-Area Predictions for Terrestrial Services in the Frequency Range 30 to 3000 MHz / Recommendation ITU-R P. 1546. 2001.

34. J. Litva. Digital Beam forming in Wireless Communications. Artech House, Boston-London, 1996.

35. R. Chandler, R. Herman, E. Montroll. Traffic dynamics: Studies in car-following// Oper. Res., 6, 1958.

36. Technical Performance Objectives// ETSI/TC GSM, GSM 03.05 Ver. 3.2.0. GSM Recommendation: 03.05, October 91.

37. ASSET3G User Reference Guide Software Version 5.2.1 Reference Guide Edition 1 AIRCOM International 2006

38. ASSET3G User Reference Guide Software Version 5.2.1 Reference Guide Edition 4 AIRCOM International 2007

39. TEMS Automatic 6.2 Technical Product Description Ericsson AB 2007

40. TEMS Automatic 6.2 Feature Description Ericsson AB 2007

41. GSM Forté General Product Description Schema Ltd. 2004

42. Ultima Forte v4.4.1 Release Notes Schema Ltd. 2010

43. Бонч-Бруевич M. M. О качестве обслуживания вызова в условиях локальных перегрузок в сети стандарта GSM// «Спецтехника и связь» № 3, 2011 г.

44. GSM SYSTEM SURVEY STUDENT TEXT EN/LZT 123 3321 R2C by Ericsson Radio Systems AB 1999

45. WCDMA Multiple Frequency Support A Discussion on Deployment and Parameter Settings - QUALCOMM Incorporated, March 23, 2007

46. Маковеева M. M., Шинаков Ю. С. Системы связи с подвижными объектами. М.: «Радио и связь», 2002 г. 440 с.

47. Rappaport Т. S. Wireless Communications (Principles and Practice). New York: IEEE Press, 1996. - 641pp.

48. Кулаков В. Г., Гаранин М. В., Заряев А. В. и др. Информационная безопасность телекоммуникационных систем. М.: «Радио и связь», 2004 г. 304 е.: ил.

49. Таранцев А. А. Инженерные методы теории массового обслуживания. -Изд. 2-е, перераб. и доп. СПб.: Наука, 2007. - 175 с.

50. Jle-Бодик Г. Мобильные сообщения: службы и технологии SMS, EMS и MMS. Пер. с англ. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. - 448 с.

51. William С. Y. Lee. Mobile Cellular Telecommunications. Analog and Digital Systems. Second Edition. International Editions, 1995. - 664 p.

52. Саати Т. П. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1993 г. 278 с.

53. Бочаров П.П., Печинкин A.B. Теория массового обслуживания. М.: Изд-во РУДН, 1995.-529 с.

54. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями: Пер. с англ./ Под ред. Б.С. Цыбакова. М.: Мир, 1979. - 600 с.

55. Technical Performance Objectives// ETSI/TC GSM, GSM 03.05 Ver. 3.2.0. GSM Recommendation: 03.05, October 91.

56. Карташевский В. Г., Семенов С. H., Фирстова Т. В. Сети подвижной связи. М.: «Эко-Трендз», 2001 г. - 299 с.

57. Шахнович И. В. Современные технологии беспроводной связи. М.: «Техносфера», 2006 г. - 288 с.

58. Шорин O.A., Токарь P.C. Алгоритм синтеза сотовых систем связи 2G// «Спецтехника и связь» № 1, 2008 г.

59. Кравченко В. Б. Защита речевой информации в каналах связи (Часть 1)// «Специальная Техника» № 4, 1999 г.

60. Кравченко В. Б. Защита речевой информации в каналах связи (Часть 2)// «Специальная Техника» № 5, 1999 г.

61. Николаев В. П. Новые технологии GSM для сотрудников служб безопасности// «Специальная Техника» № 4, 2000 г.

62. Николаев В. П. Местоопределеиие абонентов в сетях сотовой связи// «Специальная Техника» № 5, 2001 г.

63. Васильев О. А., Егоров Д. О., Кадыков А. Н. Системы интеллектуального блокирования сотовой телефонии, каналов связи и управления// «Специальная Техника» № 6, 2004 г.

64. Петраков A.B., Лагутин B.C. Защита абонентского телетрафика. М.: «Радио и связь», 2004, 504 с.

65. Максимов А. М. Ещё раз о блокираторах сотовых телефонов// «Специальная Техника» № 4, 2005 г.

66. Сердюков П. Н., Григорьев А. С., Королев Н. В. Основные характеристики системы профессиональной мобильной радиосвязи// «Специальная Техника» № 6, 2005 г.

67. Барсуков В. С. Безопасность GSM: реальная или виртуальная?// «Специальная Техника» № 1, 2006 г.

68. Даннави М. Н. Последствия воздействия некоторых несанкционированных сообщений ОКС-7 на сети связи общего пользования// «T-Comm Телекоммуникации и Транспорт» № 1, 2009 г.

69. Степанова И. В., Кондратов А. Г. Результаты разработки метода расчета пропускной способности сетей подвижной связи// «T-Comm -Телекоммуникации и Транспорт» № 1, 2009 г.

70. Кондратов А. Г., Степанов Б. Л. Особенности расчета пропускной способности сотовых сетей подвижной связи// «T-Comm Телекоммуникации и Транспорт» № 3, 2009 г.

71. Мазуркевич Д. О., Орлов В. Г. Эволюция систем безопасности сетей сотовой связи разных поколений// «Т-Сотш Телекоммуникации и Транспорт» № 1, 2011 г.

72. Бабин А. И., Шорин О. А. Алгоритм прогноза числа абонентов в сотовых системах связи третьего поколения// «Фундаментальные исследования» № 12, 2007 г.

73. Шорин О. А., Бабин А. И., Иванов А. М. Модель расчета пропускной способности системы подвижной радиосвязи ЗО в режиме речь-данные// «Фундаментальные исследования» № 12, 2007 г.

74. Аджемов С. С., Терешонок М. В., Чиров Д. С. Оптимизация алгоритмов поиска устойчивых групп абонентов систем мобильной радиосвязи// «Т-Сотш Телекоммуникации и Транспорт» Спецвыпуск «Технологии информационного общества» Часть 1. Июнь, 2009 г.

75. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга.1.-М.: Сов. радио, 1969. 752 с.

76. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга2. -М.: Сов. Радио, 1968. 504 с.

77. Лифшиц Б. С., Пшеничников А. П., Харкевич А. Д. Теория телетрафика. М.: Связь, 1979.-254 с.